冲击地压巷道“卸-支”协同防控理念与实现路径

鞠文君，孙刘伟，刘少虹，王书文，杜涛涛

(1.中煤科工开采研究院有限公司,北京 100013; 2.煤炭科学研究总院 开采研究分院,北京 100013;3.煤炭工业规划设计研究院有限公司,北京 100120; 4.中国中煤能源集团有限公司,北京 100120)

0 引 言

我国煤矿冲击地压灾害85%发生在回采巷道[1]，破坏性强、危害性大，主要原因是巷道近场高应力区煤岩体所受载荷超过其强度极限，积聚的弹性应变能瞬间释放导致巷道剧烈破坏。因此，通过卸压解除围岩的高应力状态，或加强支护提高围岩抗冲击能力，成为巷道冲击地压防控的两大重要途径。

锚杆支护是目前最为有效的抗冲击支护形式[2]，作为主动支护形式，锚杆通过施加预紧力主动提供支护阻力，实现早期承载；锚杆支护具备良好的延展性，在与围岩同步变形中保持一定的支护阻力，能适应冲击地压巷道变形大、破坏突然的特点；锚杆支护具备较高的支护强度，有能力对围岩施加高强度、持续的控制强化作用；锚杆、锚索与配套的托盘、钢带、金属网等支护构件组合成一体，协调一致，相互策应，与围岩共同形成稳定的抗冲击承载结构。

采取工程方法弱化巷道周围煤岩层，可以控制巷道围岩应力，从而达到维护巷道稳定的目的[3]。巷道围岩弱化方法有顶板预裂爆破、大孔径钻孔、水压致裂等多种形式。煤层爆破卸压通过煤体内部爆破致裂调整巷道两帮围岩应力状态，是我国冲击地压灾害局部防治最为普遍的方法[4]，但实际应用中，爆破后巷道出现支护系统失效，承载能力降低，断面收缩等现象[5-6]。由此看来，“爆破卸压”与“支护加固”既对立又统一，如何实现两者的协同双效防控冲击地压是非常重要的研究课题。笔者通过现场试验揭示爆破对巷道支护的损伤效应，提出冲击地压巷道“卸-支”协同防控理念原则及实现路径，为巷道冲击地压防治提供新思路。

1 爆破卸压减冲作用及对巷道支护的损伤效应分析

1.1 煤层爆破卸压现场试验

为研究煤层爆破卸压减冲效果及对巷道支护的损伤效应，在内蒙古平庄能源股份有限公司古山煤矿开展了井下试验研究。采用不同的装药量、不同钻孔深度在巷道两帮煤层中进行爆破试验，评判煤层爆破卸压效果，分析煤层爆破对锚杆工作阻力、巷道围岩结构等的影响。

1)煤层爆破卸压减冲效果验证。采用钻屑法，通过对爆破卸压前后距爆破孔1.5 m处巷帮煤屑量称重，分析爆破对巷道两帮垂直应力的影响。不同孔深处钻屑量随装药量的变化情况如图1所示。药量4 kg时钻屑量整体变化不明显，药量6 kg时钻屑量下降约1 kg/m，药量8 kg时钻屑量下降约1.5 kg/m，说明爆破后巷帮煤体应力降低，应力降低幅度与装药量正相关。

图1 不同装药量爆破卸压前后钻屑量变化对比Fig.1 Cuttings volume comparison before and after blasting pressure relief with different charge quantity

2)爆破对锚杆工作阻力的影响。采用锚杆无损检测仪测定锚杆杆体的工作阻力变化情况，如图2所示。随着爆破装药量的增大，锚杆工作阻力损失率均有不同程度的升高，但是变化幅度不同：装药量4、6 kg时锚杆工作阻力的平均损失率为4.6%、20%，装药量为8 kg时，锚杆工作阻力的平均损失率跃升至55%。锚杆工作阻力损失率还与距离爆破点的远近有关，距离越近锚杆工作阻力损失率越大。

图2 锚杆工作阻力损失率与爆破药量的关系曲线Fig.2 Curves between loss rate of working resistance of bolt and charge of blasting

3)爆破对巷道围岩裂隙的影响。采用矿用电子钻孔电视成像仪对巷道围岩浅部煤体结构进行实际观测，对比爆破前后巷道浅部围岩裂隙分布特征。以装药量8 kg爆破试验为例，爆破前后，巷道帮部裂隙区分布情况如图3所示。

图3 爆破帮巷道裂隙分布对比Fig.3 Comparison of crack distribution in blasting side

爆破前，局部巷道浅部围岩裂隙区宽度已经大于支护结构宽度，说明现有支护水平已经不能够较好控制巷道围岩的裂隙发育[6]，巷道围岩稳定性较低。爆破后，巷道浅部围岩裂隙区的宽度进一步增大，巷道围岩的整体性进一步降低，试验区域内围岩不稳定性升高。

1.2 爆破卸压的减冲作用

煤层爆破卸压的减冲作用表现在以下3个方面：

1)增塑。相比于完整煤体的脆性破坏，爆破后的煤体由于径向裂隙的存在，整体结构发生改变，强度降低，变形特性呈现明显“塑化”特征，导致煤的冲击倾向性大幅减弱。

2)降载。巷道帮部应力峰值区是冲击地压高危区域，在该区域爆破后，巷帮集中应力峰值减小，峰值点向巷旁外侧转移，分布形态由单峰变为低双峰分布[7](图4)。

图4 煤层爆破卸压巷帮应力分布曲线Fig.4 Stress distribution curve of coal seam blasting roadway

3)耗能。煤层内部爆破形成大面积裂隙区，裂隙区煤岩块体组成耗能结构[8]，积聚弹性能的能力降低，消耗弹性能的能力增强。爆破卸压过程中，围岩震动和变形，释放掉部分弹性能。冲击地压发生时，爆破裂隙区被冲击载荷压缩并发生塑性变形，吸收大量冲击能，并可在空间上散射冲击波，降低局部冲击波的强度。

1.3 爆破对巷道支护的损伤作用

煤层爆破致裂劣化深部围岩的同时，爆破应力波也会对巷道浅部围岩造成损伤、破坏，煤层爆破对巷道支护围岩损伤作用归纳为以下4个方面：

1)煤体强度弱化，承载能力下降。巷道破裂区内围岩煤岩体强度低，内部裂隙发育，当爆破应力波作用在破裂区和塑性区边界时发生明显的反射和折射，压应力波会转变为拉应力波[9]，因此破裂区边界上煤岩体受到拉应力波和压应力波综合作用下发生破裂，导致破裂区边界扩张，破裂区内部裂隙在拉应力波和压应力波的作用下，裂隙发育程度增加，煤岩体的整体强度降低，承载能力下降。

2)锚杆锚固力降低或失效。爆破应力波导致锚杆与围岩黏结受损，锚固能力降低甚至失效[10]。同时，由于锚固范围内的煤岩体强度降低，也会导致锚杆锚固能力的降低。

3)巷道围岩承载结构损伤。锚杆与围岩形成具备良好承载能力的锚固承载结构[11-12]，爆破应力波会降低支护结构的整体强度，甚至可能造成支护结构的失稳，导致支护系统承载能力的下降。

4)巷道变形明显。爆破导致围岩煤岩体强度降低，原有支护系统的承载能力受损，在围岩应力及冲击载荷的作用一下，巷道产生明显的收缩变形。

2 爆破卸压-支护加固协同防控理念

煤巷冲击地压防治应以不发生冲击地压事故为目的，在爆破卸压与巷道承载能力保护存在矛盾的情况下，应坚持以下理念：优先考虑爆破卸压，确保巷道不发生强烈冲击地压。但同时也要考虑爆破对巷道造成的损伤作用，尽量使巷道损伤程度降至最低。一旦爆破对支护造成过大损伤，就需要对巷道立即进行补强支护，重塑稳定的巷道支护结构和能力。爆破卸压-支护加固须协同配合，最终目标是消除冲击危险，提升巷道抗冲击能力[13]，满足安全生产要求。

冲击地压巷道爆破卸压-支护加固协同防控要遵守以下原则：

1)归一原则。巷道冲击地压防控以阻止冲击地压发生为统一目标。对于潜在强冲击危险巷道，无论采取爆破卸压还是补强加固措施,其目标是一致的。

2)统筹原则。当采取煤层爆破卸压进行冲击地压防治时，需合理设计爆破和支护参数，在达到卸压防冲的同时，保证巷道的承载能力满足要求。爆破与支护需要统筹考虑，达到协同双效，不可顾此失彼。

3)精准原则。煤层爆破卸压主要针对巷道两帮弹塑性交界区域，并且爆破深度至少要穿过支承压力峰值区，而巷道支护的主要区域为巷道浅部破碎区及局部塑性区，爆破卸压钻孔装药段要处于锚杆加固范围之外，避免爆破直接对支护区域造成影响，降低爆破对支护的损伤效应。巷道补强加固重在补足薄弱点，形成完整稳定的抗冲击承载结构。

4)有序原则。依据工程条件，合理安排爆破与支护的时间、空间顺序。工作面回采前需对冲击危险性进行评价，提早对潜在冲击危险区进行爆破卸压处理，必要时进行补强支护；当回采过程中监测到强冲击危险时，首先需要爆破卸压，解除冲击危险后，根据需要对受损巷道进行补强加固；对于巷道维护状况很差的巷道，先采取加固措施，再行爆破和补强支护。

3 爆破卸压-支护加固协同防控的实现路径

为实现冲击地压巷道爆破卸压-支护加固协同防控，可按以下路径进行：确定巷道冲击地压危险区域；进行煤层爆破卸压设计：爆破施工与工程监测；爆破卸压效果及围岩损伤效应评价；优化爆破参数及受损巷道补强加固。

1)冲击危险区域判定。冲击危险区域判定是冲击地压针对性防治的基础，目前国内外学者从理论层面提出了多种冲击危险性评价方法，推荐采用基于震波CT原位探测技术[14-15]，确定回采巷道冲击危险区域。

2)煤层爆破卸压设计。爆破卸压的关键参数包括爆破孔深度、爆破孔间距、爆破装药量。采用钻屑法或应力监测方法分析巷道围岩应力分布特征，确定巷帮应力峰值区域，爆破深度要不小于支承应力峰值距煤壁的长度；爆破孔间距：煤层爆破后形成的粉碎区及破裂区相互贯通，形成完全卸压带：根据应力集中程度和变化调整爆破装药量、时间、空间参数等[16]。

3)煤层爆破卸压施工与监测。依据爆破卸压设计制定作业规程，在井下实施。采用微震监测、应力监测或钻屑法对爆破卸压效果进行检验，采用锚杆受力监测、钻孔窥视等方法，对爆破卸压区域支护系统及围岩裂隙扩展情况进行监测。

4)爆破卸压效果及围岩损伤效应评价。分析工程监测数据，对爆破卸压效果及围岩损伤效应进行评价分级[17]。

5)爆破参数优化及补强加固。基于评价结果，对爆破卸压参数进行优化，并对爆破损伤巷道进行针对性补强加固，再造稳定巷道支护体系，实现协同双效防冲目的。

4 结 论

1)煤层爆破卸压是我国冲击地压灾害局部防治最为普遍的方法，其作用体现在3个方面：①煤体力学性质塑化从而降低冲击倾向性；②降低巷帮应力集中，转移和均化应力分布；③释放掉分围岩存储弹性能，提升围岩耗能特性。煤层爆破卸压减冲机制可归纳为：增塑-降载-耗能。

2)煤体爆破可能导致巷道周边围岩强度降低，巷道原有承载结构破坏，锚杆锚固力降低甚至失效，巷道变形增大。煤层爆破卸压的损伤作用归纳为：围岩劣化-结构失稳-支护衰减-巷道变形。

3)煤巷冲击地压防治以不发生冲击地压事故为首要目标，优先考虑爆破卸压防控冲击地压。但同时要使巷道损伤程度降至最低。一旦爆破对支护造成过大损伤，就需要进行补强支护，重塑稳定的巷道支护结构和能力。爆破卸压-支护加固须协同配合，最终目标是消除冲击危险，提升巷道抗冲击能力，满足安全生产要求。

4)巷道冲击地压爆破卸压-支护加固协同防控原则为：①归一原则：巷道冲击地压防控以阻止冲击地压发生为统一目标。②统筹原则：爆破与支护需要统筹考虑，达到协同双效，不可顾此失彼。③精准原则：煤层爆破卸压与巷道补强加固，坚持问题导向，辨证施策，精准设计，监测施工。④有序原则：依据工程条件，合理安排爆破与支护的时间、空间顺序。

5)冲击地压巷道爆破卸压-支护加固协同防冲可按以下路径进行：确定回采巷道冲击危险区域—煤层爆破卸压设计—煤层爆破卸压施工与监测—爆破卸压效果及围岩损伤效应评价—爆破参数优化及巷道支护重塑。