窄煤柱沿空掘巷迎头区贯通阶段矿压显现规律及防治技术研究

陈国华，王颜亮，王朝引，韩 刚，吕玉磊，周 林，王 海

（1.乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017307；2.北京安科兴业科技股份有限公司，北京 100083；3.中煤西北能源化工集团有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017307；4.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054）

0 引言

对于冲击地压矿井而言，沿空巷道一直是重点防治区域[1-3]，这一区域的防治工作对于保障矿井的安全稳定至关重要。近年来，在采掘期间，发生在沿空巷道内的冲击事故层出不穷，造成了巨大的人员损失和财产损失。而在沿空巷道掘进期间，尤其是巷道贯通阶段，冲击地压问题愈发凸显。巷道贯通是一个关键的阶段，需要采取一系列的措施来应对冲击地压带来的威胁[4-6]。为有效应对沿空巷道掘进贯通阶段的冲击地压问题，众多学者在巷道冲击地压发生机理、监测及防治措施等方面开展研究。在巷道冲击地压发生机理方面，潘俊锋等[7]提出冲击启动理论，认为冲击的载荷源分为内因与外因，近场系统内集中静载荷的积聚是冲击启动的内因，远场系统动载荷对静载荷的扰动、加载是冲击启动的外因；翁明月等[8]以门克庆煤矿11-3106 工作面窄煤柱沿空巷道为工程背景，分析得到上区段采空区侧向固定支承压力、本工作面移动支承压力及关键层破断导致的“动静”加载是诱发窄煤柱临空巷道冲击显现的关键因素；李康等[9]依托宽沟煤矿10203 工作面临空巷道，分析得到临空巷道发生冲击的临界条件，即采动与构造应力叠加后形成的高静载为冲击致灾提供易满足的应力条件。在巷道冲击地压监测及防治措施方面，朱斯陶等[10]以新疆硫磺沟煤矿复合厚煤层巷道掘进为工程背景，开发了适合复合厚煤层巷道了的基于“地音大事件”概念的监测预警方法；王泽东等[11]基于地音、锚索锚固力和钻孔应力的敏感性分析，分析了深部掘进工作面冲击地压监测多参量间的关联性；董敬源等[12]结合7313 材料道地质赋存条件、掘进技术条件，针对性制定巷道迎头顶板深孔爆破、巷帮加密钻孔卸压及控制掘进速度的掘进工作面冲击地压综合性防治措施；苏士杰[13]研究了21103 工作面过B4 背斜期间回风巷围岩变形破坏特点，对21103 回风巷设计采用由上至下分阶段四级高强卸压方法，确保了过B4 背斜期间21103 工作面的安全回采。

具有冲击地压危险的沿空掘巷工作面，由于其复杂的应力环境，导致巷道贯通阶段防冲工作的难度增大，如何确保工作面安全科学贯通成为关键技术问题。基于此，对纳林河二号矿井31120 沿空掘进工作面贯通阶段矿压显现规律及防治措施展开研究，为保证类似条件下沿空掘进工作面贯通阶段的安全施工具有重要意义。

1 工程概况

纳林河二号矿井31120 工作面位于31 盘区北翼，西临31121 工作面采空区，东临31119 工作面实体煤，工作面倾向长300 m，走向长度2 614 m。31120 工作面回风巷沿煤层底板掘进且留设6 m 窄煤柱，煤层平均厚度6.3 m，煤层倾角1°～3°，煤层层位稳定，结构简单。

根据矿方采掘接续计划，31120 掘进工作面选择在回风顺槽贯通，掘进顺序为自南向北掘进胶运顺槽→31121 采空区方向掘进开切眼→31120 主回撤方向掘进回风顺槽，反掘至1 101 m 位置处停止掘进，另一施工队伍开始沿31121 采空区留窄煤柱掘进，掘进方向为主回撤向切眼方向，2022 年7 月18 日早班贯通，贯通点位于主回撤开口向工作切眼方向1 513 m处，31120 工作面概况如图1 所示。由图1 可知，工作面上覆岩层分布，以工作面附近的NL15 钻孔为例，工作面顶板岩层特征见表1。31120 工作面直接顶为4.30 m 厚的砂质泥岩，基本顶为上覆10.94 m 粉砂岩和25.28 m 细粒砂岩。

表1 工作面顶板岩层特性表Table 1 Characteristics of the top rock layer of the working face

图1 31120 工作面概况Fig.1 Overview of the 31120 working face

2 厚煤层掘进工作面迎头区冲击地压致灾机理

2.1 迎头区冲击地压致灾机理研究

以掘进工作面顺槽围岩塑性区演化特征为依据，将掘进工作面分为迎头区、塑性圈动态演化区和塑性圈稳定区[14]。掘进工作面迎头区前方超前支承压力在局部煤体区域高度集中，当集中应力大于煤岩体强度，迎头区前方煤体破坏，当煤体破坏产生的冲击力大于迎头区煤体的阻抗力时，煤体冲出（此时，冲出煤体重力相对很小，可以忽略）。根据上述分析建立厚煤层掘进迎头区冲击力学模型，如图2 所示。图2 中 σy为掘进迎头区前方煤体垂直应力；τ1为顺槽顶板对迎头区前方煤体的阻力；τ2为顺槽底板对迎头区前方煤体的阻力；x为破坏煤体距迎头区距离；khσy为破坏煤体上的冲击力，其中，k为侧压系数，h为顺槽高度。

图2 厚煤层掘进工作面迎头区冲击力学模型Fig.2 Impact mechanics model of the heading area of the tunneling working face of thick coal seam

根据厚煤层掘进迎头区的冲击力学模型，其迎头区冲击力学条件见式（1）。

式中，Rc为迎头区煤岩体强度，MPa。

顺槽顶底板对迎头区前方煤体的阻力，按式（2）计算。

式中：c1为迎头区煤体与顶板接触面的黏聚力，MPa；φ1为迎头区煤体与顶板接触面的摩擦角，（°）；c2为迎头区煤体与底板接触面的黏聚力，MPa；φ2为迎头区煤体与底板接触面的摩擦角，（°）；x为破坏煤体距迎头区距离，m。

对厚煤层掘进工作面而言，其顺槽顶板与底板大多数为煤体，故式（2）中区顺槽顶底板的黏聚力和摩擦角均取煤体参数，将式（2）优化可得厚煤层顺槽掘进迎头区冲击力学条件，见式（3）。

由此可知，厚煤层掘进工作面迎头区发生冲击地压的机理主要为迎头区前方煤体垂直应力大于其煤体强度而产生破坏。当破坏产生的冲击力大于迎头区煤体的阻抗力时，厚煤层顺槽迎头区发生冲击地压灾害。掘进迎头区前方煤体垂直应力越大，迎头区煤体阻抗力越小，迎头区越容易发生冲击地压灾害。

2.2 巷道贯通阶段迎头区应力状态分析

两相向掘进的工作面迎头区煤体应力演化过程，如图3 所示。由图3 可知，工作面掘进过程中，迎头区煤体存在明显的应力集中。随着相向掘进的两迎头区之间距离的缩短，两迎头区超前支承压力彼此叠加，造成迎头区煤体应力演化发生了显著变化。

图3 相向掘进工作面迎头区应力演化Fig.3 Evolution of stress in the heading area of the opposite tunneling working face

在巷道贯通阶段，随掘进工作面推进，迎头区前方煤体尺寸减小（l1＞l2＞l3），煤体受叠加应力扰动影响加剧，煤体内部应力分布形态由“马鞍”形向“单峰”形演化，应力集中程度显著升高（k3＞k2＞k1）。当迎头区前方煤体垂直应力大于其煤体强度时，迎头区一定深度区域内的煤体产生破坏；当破坏产生的冲击力大于迎头区煤体的阻抗力时，迎头区前方煤体发生冲击。

3 贯通阶段迎头滞后区域矿压显现规律分析

随着掘进工作面推进，相向掘进的两个工作面迎头区煤体依次经历“未受叠加应力扰动阶段”“叠加应力扰动初始阶段”和“叠加应力扰动显著阶段”，掘进迎头区冲击危险程度随之升高。因此，在巷道贯通阶段，需加强对冲击地压的监测预警工作，以合理确定两迎头区叠加应力扰动的影响范围，即“掘进贯通扰动影响范围”，并进一步确定有效的迎头区的防冲技术措施，以确保巷道的安全贯通。

地音信号是一种高频、低能量的微弱震动信号，对空间有限、扰动小、应力调整不明显的掘进工作面具有良好的适应性，能够有效反映掘进工作面煤体的受力过程及围岩的活跃程度，实现对掘进工作面冲击危险性的实时监测与预警。因此，提出采用地音监测的方法，分析了掘进贯通阶段迎头滞后区域地音事件突增的范围，进而确定该范围为掘进贯通扰动影响范围。

3.1 地音监测方案

为研究掘进贯通扰动影响范围，选取三个监测断面为研究对象，每个监测断面安装三个地音检波器，分别安装在巷道实体煤侧、窄煤柱侧与顶板侧，其中，第一监测断面与第二监测断面为常规掘进区域，第三监测断面为贯通期间的监测点，通过第三监测断面与前两个断面的数据分析对比，研究掘进贯通扰动的影响范围。三个监测断面安装位置如图4所示。

图4 地音监测设备安装布置Fig.4 Installation layout of aconstic emission equipment

3.2 贯通扰动影响范围分析

对31120 工作面沿空掘巷滞后迎头区范围以40 m 进行分区，不同区域范围内地音频次与地音能量分布如图5 所示。通过对正常掘进期间与贯通期间对比分析可知，在正常掘进期间滞后迎头区0～160 m 后地音频次与地音能量逐渐降低，而掘进贯通期间滞后0～40 m 区域地音频次和地音能量呈现增大趋势，尤其在40～120 m 范围内开始发生突增。据此规律分析得出：掘进贯通期间距迎头区60 m 时巷道掘进进入贯通影响区域，贯通扰动影响范围为距贯通点120 m。

图5 不同区域地音事件频次与能量分布Fig.5 Frequency and energy distribution of aconstic emission events in different regions

4 掘进贯通阶段卸压措施及有效性分析

4.1 贯通阶段卸压措施方案设计

根据掘进贯通阶段迎头滞后区域地音事件变化规律可知：巷道贯通期间出现相对较高的矿压显现情况。因此，设计对掘进迎头区采取多轮循环大直径钻孔卸压的防冲措施。结合工程现场实际情况，在掘进贯通期间，共计采取5 轮钻孔卸压措施，卸压钻孔分布于沿空巷道掘进迎头区及实体煤帮，钻孔施工孔径为89 mm 和200 mm，窄煤柱侧不予施工。贯通阶段共计施工7 轮循环卸压钻孔，累计施工180个钻孔，累计卸压进尺4 954 m。各循环贯通剩余距离及卸压工程量，见表2。

表2 各循环贯通距离及卸压工程量Table 2 The distance between each cycle and the amount of pressure relief work

4.2 卸压措施有效性分析

贯通期间施工卸压钻孔总长度对于总频次和振幅影响如图6 所示。由图6 可知，通过对掘进迎头区的多轮卸压措施，使得整体地音频次与地音能量呈现下降的趋势，为巷道贯通提供了有力保障。

图6 卸压期间总频次和总能量分布Fig.6 Total frequency and total energy distribution during pressure relief

分别对不同班次的地音频次与地音能量进行统计，在7 月2 日中班、7 月5 日早班和7 月8 日夜班进行大直径卸压措施，在卸压过程中煤体应力得到释放，出现能量与频次升高的现象，经过后续的几轮卸压措施中，掘进贯通区域煤体应力释放能量较小，随后贯通期间与常规掘进期间稳定区间基本相同，为沿空窄煤柱掘进顺利贯通、人员安全提供有效保障。具体大直径卸压循环施工时间段内，第三监测断面每日各班次地音频次与地音能量分布如图7 和图8所示。

图7 第三监测断面卸压期间每日各班次地音频次Fig.7 Local acoustic frequency of each shift per day during pressure relief of the third section

图8 第三监测断面卸压期间每日各班次地音能量Fig.8 Local acoustic energy of each shift per day during pressure relief of the third section

5 结论

1）根据掘进工作面顺槽围岩塑性区演化特征，分析厚煤层掘进工作面迎头区冲击地压发生机理，即在迎头超前支承压力作用下，迎头区煤体发生破坏，且产生的冲击力大于迎头区煤体的阻抗力时，迎头区发生冲击地压灾害。巷道贯通阶段，相向掘进的两迎头区超前支承压力彼此叠加，导致迎头区应力集中程度显著升高，从而使得迎头区煤体冲击危险程度显著升高。

2）分析掘进贯通阶段的迎头区应力演化过程，提出“掘进贯通扰动影响范围”的概念。采用地音监测的方法，分析掘进贯通阶段迎头滞后区域地音事件突增的范围，确定该范围为掘进贯通扰动影响范围。

3）针对贯通阶段迎头滞后区域地音事件突增的情况，制定了贯通阶段掘进迎头区采取多轮循环卸压的防冲措施。实测结果表明，经过多轮卸压措施，掘进贯通区域煤体应力释放能量与常规掘进期间稳定区间基本相同，为沿空窄煤柱掘进顺利贯通、人员安全提供有效保障。