双回撤通道冲击地压防治技术研究与应用

秦喜文，牟 亮，韩 刚，3，4，吕玉磊

(1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054；2.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；3.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；4.中煤冲击地压与水害防治研究中心，内蒙古 鄂尔多斯 017200；5.乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017307)

近年来，根据国家能源西进战略的实行，鄂尔多斯深部矿区建设力度逐渐加大。随着开采深度与强度的增加，发生冲击地压的矿井数量也在快速增加，事故发生次数加快并且破坏程度也明显加剧[1]，而且绝大多数的矿井冲击地压都发生在巷道中[2]。因此，对冲击地压的巷道保护尤为重要。

随着矿井规模的增大，综采工作面的设备数量随之增加，其设备的回撤速度在一定程度上影响着矿井的生产效率[3，4]。目前，我国现有的综采工作面回撤技术有三种：无预掘回撤通道技术、预掘单回撤通道技术和预掘双回撤通道技术[5-7]。王新民[8]提出了预掘通道断顶卸压快速回撤技术，实现了工作面安全快速回撤。

在末采期间工作面逐渐接近主回撤通道直至贯通，并且贯通前两回撤通道都受到超前支承压力的影响。关于回撤通道围岩控制方面的研究，王跃权[9]通过在末采工作面顶板实施水压致裂达到对工作面顶板岩层提前分区域弱化的作用，减缓了回撤通道围岩变形。舒凑先[10]等提出了在工作面推采到靠近终采线前的一段距离时，提前实施大直径钻孔卸压，对回撤通道进行预卸压。刘加旺[11]等通过对回撤通道受开采影响进行现场矿压监测分析得到，主回撤通道受到的采动影响更为剧烈，特别是回撤通道的顶板和帮部。时建成[12]采用双梁工字钢支护方案对其回撤通道即将与工作面贯通时易发生底鼓进行加强支护。李臣[13]等提出了回撤通道合理煤柱尺寸留设配合加强支护的围岩稳定性控制技术，现场应用效果显著。张杰[14]利用数值模拟方法对工作面末采阶段回撤通道的不同支护方案进行对比分析，得出了内外相结合的支护方式可有效提高回撤通道的安全性。谷拴成[15]等提出了末采阶段工作面煤柱和通道间保护煤柱荷载转移的力学机理，并总结得出了两种煤柱的荷载计算公式及保护煤柱合理宽度的确定方法。在巷道围岩形变方面的研究，于天武[16]研究了工作面采动过程中回撤通道围岩变形应力分布规律，确定了回撤通道受工作面采动影响的起始位置及影响范围。王博楠[17]研究了回撤通道围岩变形破坏机理和应力分布规律，并提出了回撤通道围岩变形控制方法。张金虎[18]研究了回撤通道破碎顶板的围岩形变规律，并提出了针对性的回撤通道支护补强措施。李兴华[19]等研究了巷道围岩变形特征，提出了回撤通道支护优化方案。

虽然许多学者对回撤通道稳定性分析进行了大量研究，但对冲击地压灾害矿井双回撤通道的失稳破坏及其防治技术研究较少。因此，本文以纳林河二号矿31103-1工作面双回撤通道为背景，针对主回撤通道易受工作面采动影响提出了顶板预裂爆破卸压方案，实现工作面安全快速回撤的目的。

1 工程概况

1.1 工作面概况

纳林河二号矿可采煤层为3-1煤层，平均埋深563m。31103-1工作面走向长约1787m，倾向长241m，煤层平均厚度5.6m。该工作面东侧为31102工作面采空区，西侧为31104工作面，31103-1工作面回风巷与运输巷掘进过程中未揭露断层等地质构造。经鉴定3-1煤顶板及煤层均属于强冲击倾向性，底板为弱冲击倾向性。31103-1工作面布置如图1所示。

图1 31103-1工作面布置

31103-1工作面采用双回撤通道快速搬家工艺，主、辅回撤通道均为5.4m×3.8m的矩形断面，采用锚网索联合支护方式。主、辅回撤通道采用垛式液压支架和单体立柱两种相结合的支护形式，双回撤通道布置如图2所示。

图2 双回撤通道布置示意图

1.2 回撤通道变形情况

31102工作面末采期间主回撤通道内工作面一侧煤体沿卸压孔整体开裂，鼓帮严重，鼓出量约0.5m，帮部锚索托盘变形，顶板未出现明显下沉，顶板离层仪未见到明显离层显现，底板完整，所有卸压孔全部塌孔。巷道帮部呈现出沿大直径卸压钻孔连接线整体鼓帮、开裂特征，这也说明了末采期间回撤通道内实施大直径卸压钻孔预泄压的必要性及有效性，大直径的存在使得巷道帮部形成“弱层”结构，煤体中应力增高时，大直径钻孔塌孔，起到应力释放的作用，避免了煤岩体应力集中造成的能量突然释放，从而避免冲击显现。

2 回撤通道失稳破坏机理

2.1 受采动影响回撤通道失稳破坏机理分析

回撤通道围岩应力受工作面的采掘活动影响，当回采工作面据回撤通道较远时，回撤通道受工作面采动影响较小，当回采工作面不断推进直到靠近主回撤通道时，前方实体煤受到超前压力的影响，并且其逐渐向煤体内部转移，在其达到应力峰值时使得巷帮煤体垮落。当回采工作面与主回撤通道贯通时，双回撤通道间的留设煤柱会形成应力升高区和应力降低区，即主回撤通道巷帮出现应力集中，工作面的超前支承压力与巷道支承压力叠加使得回撤通道围岩压力加剧，容易发生巷道失稳破坏。巷道围岩应力随工作面推进变化如图4、图5所示。

图4 工作面与回撤通道即将贯通时应力分布变化

图3可知：当工作面距回撤通道还有一段距离时，回撤巷道前方实体煤顶板会形成三个应力变化区域即“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ”，其中区域Ⅰ又可分为应力升高区和应力降低区；区域Ⅱ可分为原岩应力区；区域Ⅲ又可分为应力升高区和应力降低区。

图3 工作面与回撤通道距离较远时应力分布变化

图4可知：当工作面即将与回撤通道贯通时，回撤巷道前方实体煤顶板会形成应力集中区域Ⅳ。此阶段在回撤通道间的留设煤柱上，压力和工作面的超前支承压力会出现叠加，应力逐渐集中导致大量的弹性能积聚，易诱发冲击地压，并且巷道所受的支承应力会出现显著升高，巷道容易发生失稳破坏。

综上，分析得出回撤通道受工作面采动影响，并确定其随着工作面推进回撤通道前方实体煤顶板应力变化分为两个阶段。第一阶段：当工作面距离回撤通道较远时，回撤通道前方实体煤顶板应力变化划分为“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ”三个区域；第二阶段：当工作面与回撤通道即将贯通时，回撤通道前方实体煤顶板应力变化区域为“Ⅳ”。其应力变化从第一阶段向第二阶段转化时呈现“应力逐渐集中和弹性能积聚”状态，易造成回撤通道的失稳破坏。因此，在回撤通道受到影响前做出相应的支护补强措施，并对其顶板进行卸压处理，即对第二阶段积聚的P1进行释放，减小其静载对回撤通道的影响。

2.2 回撤通道顶板矿压显现规律

回撤通道的失稳破坏受工作面采动影响，当工作面即将与回撤巷道贯通时，工作面的矿压显现是由老顶的周期性破断引起的；当工作面和回撤巷道贯通后，老顶同样可能发生破断，而此时老顶的破裂状态会对回撤通道围岩结构状态产生显著影响。

结合以往回采期间回撤通道的破坏情况及回撤使用情况，并根据31103-2工作面回采期间，尤其是末采期间的矿压分布规律。对其回撤通道内的支架压力监测数据进行了分析。

2.2.1 主回撤通道内支架压力与行程监测数据分析

统计了工作面末采期间主回撤通道内垛式支架压力增幅及立柱行程降幅，综合统计时间工作面剩余长度，得到了回撤通道的支架压力、行程与工作面剩余长度曲线，如图5所示。

图5 主回撤支架压力、行程与工作面剩余长度曲线

由图5可知，随着工作面的不断推进，主回撤通道内垛式支架立柱压力不断增加，立柱行程不断减小；当工作面剩余长度大于26m时，主回撤通道的支架压力变化幅度较小，基本处于稳定阶段；当工作面剩余长度在21～26m时，主回撤通道内垛式支架压力普遍上升，平均涨幅3.89MPa，同时支架立柱行程普遍降低，平均降幅-7.66mm；当工作面剩余长度小于21m时，主回撤通道的内垛式支架压力急剧增加，各支架立柱行程下降幅度较大。说明工作面越靠近主回撤通道，回撤通道的支承压力越大，其两帮的压力越为集中，巷道越易失稳破坏。

2.2.2 辅回撤通道内支架压力与行程监测数据分析

统计了工作面末采期间辅回撤通道内垛式支架压力增幅及立柱行程降幅，综合统计时间工作面剩余长度，得到图6所示支架压力、行程与工作面剩余长度曲线。

图6 支架压力、行程与工作面剩余长度曲线

由图6可知：随着工作面长度不断减少，辅回撤通道内单元支架立柱压力不断增加，立柱行程不断减小。当工作面剩余长度26m时，辅回撤通道内部分单元支架压力上升，平均涨幅2.1MPa，同时支架立柱行程普遍降低；当工作面剩余长度14m时，回撤通道内单元支架压力普遍升高，同时支架立柱行程涨幅较大，平均缩短-8.5mm；相比主回撤通道，辅回撤通道内支架压力与立柱行程变化量均较小，这是因为工作面超前压力峰值位于超前20～34m之间，预计辅回撤通道在工作面回采完毕后将处于超前压力峰值区，其内的单元架压力降增加。

综合以上分析结果得出，回撤通道的失稳破坏受工作面采动影响，当工作面剩余长度距离主回撤通道越近时，回撤通道的支承压力越大，巷道两帮的压力越集中，巷道越容易发生失稳破坏。因此，当工作面即将与主回撤通道贯通时应对其进行支护补强措施，如顶板预裂爆破可以降低岩层扰动影响。

3 双回撤通道顶板爆破防冲效果分析

3.1 顶板预裂爆破技术实施方案

预裂爆破卸压要从降低降低回撤通道顶板的静载荷水平和诱发的动载荷强度来考虑。针对坚硬顶板和回撤通道对31103-2工作面造成的冲击危险的问题，通过采取顶板预裂爆破技术对顶板进行处理，以达到降低工作面冲击危险性的目的。31103-2工作面主回撤通道顶板爆破方案如图7所示，31103-2工作面倾向长241m，切爆破钻孔布置间距为10m，钻孔长度为15m，钻孔倾角45°。顶板预裂爆破主要针对工作面顶板较厚的细粒砂岩层。工作面主回撤通道预裂爆破参数见表1。

表1 切顶爆破钻孔装药参数和封孔长度参数

图7 31103-2工作面主回撤通道顶板预裂爆破方案

31103-2工作面主回撤通道采用高低位组合爆破，低位1#爆破孔针对低位关键层位，目的在于降低末采期间低位关键层位悬臂长度，弱化末采期间周期来压强度；高位2#爆破孔针对较高关键层层位，目的在于为实现将采空区应力传递路径阻断和本工作面的超前支承压力传递路径的弱化的目标，降低采空区对大巷影响程度。

3.2 双回撤通道顶板预裂爆破效果分析

3.2.1 微震监测数据效果分析

对于2021年2月14日至2021年4月9日期间的31103-2面末采300m阶段，将该阶段主回撤通道两侧30-60m范围内的微震事件进行了统计。31103-2面末采期间主回撤通道两侧30～60m范围内微震事件垂向分布如图8所示。

图8 31103-2面回撤通道顶板预裂措施效果分析

由图8可知：矿震能量与频次主要分布在煤层及其顶板24.5m以下区域，极少部分的矿震分布在高位顶板24.5～60m区域，并且在煤层中的矿震呈现“高频低能”状态，在顶板中的矿震呈现“高能低频”状态；在非爆破区域岩层中，随着岩层的增加矿震能量与频次逐渐降低，直到爆破区域岩层中基本不出现矿震活动，说明顶板预裂爆破使得低位岩层破断扰动降低，能够较好的防治冲击地压。

由此可以得出，31103-2面回撤通道内实施顶板预裂，爆破区两侧30m范围内目标层位微震事件明显降低，起到了弱化末采期间动载扰动的作用。预裂爆破对冲击地压的防治有较好的效果，故在双回撤通道中可以优先考虑顶板预裂爆破。

3.2.2 应力监测数据效果分析

对31103-2工作面回撤通道距爆破起点两侧等长区域内爆破前后的应力变化进行了对比分析，爆破区域和非爆破区域的应力监测数据对比见表2。

表2 爆破区与非爆破区煤体应力预警情况对比

由表2可知：非爆破区域的预警测点数量为12个，测点应力最大值可达22.46MPa，测点应力最小值为11.07MPa，故测点的最大应力均值为13.97MPa；爆破区域的预警测点数量为9个，测点应力最大值可达14.71MPa，测点应力最小值为10.14MPa，故测点的最大应力均值为12.34MPa；爆破区域和非爆破区域煤体应力预警测点总数相比减少了3个，对应的测点最大应力均值也下降了1.63MPa，并且在非爆破区域的应力变化幅度较大，爆破区域的应力变化幅度较小，说明顶板预裂爆破对回撤通道的应力集中有降低作用。

综合以上分析，31103-2面采取的顶板预裂措施使得爆破目标层位内微震事件能量、频次明显降低，对弱化回撤通道动力显现作用明显，爆破后，爆破目标层位内微震事件频次、能量可至少降低约60%；爆破区内煤体应力预警测点总数、最大应力均值分别降低3个和1.63MPa，这也说明了顶板预裂爆破可降低回撤通道受工作面采动影响产生的应力集中，起到了将采空区应力传递路径阻断和本工作面的超前支承压力传递路径的弱化作用。

4 结 论

1)随着工作面的不断推进，双回撤通道内垛式支架立柱压力不断增加，立柱行程不断减小；在当工作面剩余长度26m时，主回撤通道的支架压力呈现普遍变化阶段；在当工作面剩余长度14m时，主回撤通道的支架压力呈现急剧变化阶段。相比主回撤通道，辅回撤通道内支架压力与立柱行程变化量均较小，工作面超前压力峰值位于超前20～34m之间，预计辅回撤通道在工作面回采完毕后将处于超前压力峰值区，其内的单元架压力降进一步增加。

2)回撤通道的失稳破坏受工作面采动影响，当工作面剩余长度距离主回撤通道越近时，回撤通道的支承压力越大，巷道两帮的压力越集中，巷道越容易发生失稳破坏。因此，当工作面即将与主回撤通道贯通时应对其进行支护补强措施，如顶板预裂爆破可以降低岩层扰动影响。

3)31103-2面回撤通道实施顶板预裂爆破后，爆破区域的应力变化幅度明显降低，说明顶板预裂爆破可降低回撤通道受工作面采动影响产生的应力集中。同时，也起到了将采空区应力传递路径阻断和本工作面的超前支承压力传递路径的弱化作用。