工程缺陷法防治回采巷道沖擊地壓技術(shù)研究

張旭東

【摘 要】 針對深部礦井巷道受沖擊地壓影響危險性高的問題，本文以1315工作面為研究對象，提出了通過人為制造缺陷，降低甚至消除巷道沖擊地壓發(fā)生的能量源，達到防沖目的。根據(jù)工作面地質(zhì)條件，將兩順槽掘進和回采期間分別劃分4個和6個危險區(qū)域。提出采用煤層爆破和注水的工程缺陷防治沖擊地壓，通過鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測卸壓后壓力值可知，工程缺陷法卸壓取得了良好效果，為類似條件沖擊地壓防治提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】 沖擊地壓;工程缺陷;危險區(qū)域;煤層注水

【中圖分類號】 TD324 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）01-0004-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

沖擊地壓是一種常見的礦山動力災(zāi)害，特別是隨著我國煤礦逐步進入深部開采，地質(zhì)條件、開采條件等越發(fā)復(fù)雜，面臨的沖擊地壓問題日趨嚴重。近年來，由于國內(nèi)外學(xué)者對于沖擊地壓的研究取得較大的進展，如一體化震動監(jiān)測系統(tǒng)、高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)和缺陷法沖擊地壓防治技術(shù)等，對沖擊地壓的監(jiān)測和防控具有重要意義。但是由于開采深度的增加和地質(zhì)條件的復(fù)雜，導(dǎo)致工作面回采后煤巖體積聚的能量高，造成沖擊地壓的防治仍然是一項難題。本文提出通過采用缺陷法防治沖擊地壓，降低甚至消除巷道沖擊地壓發(fā)生的能量源，達到防沖目的，提高巷道的穩(wěn)定性。

1 工作面概況

1315工作面位于某礦東翼深部采區(qū)，埋深約750m～1035m。主采3下煤層，厚度為2.2～4.5m，平均傾角12°。直接頂為厚0～2m砂質(zhì)泥巖，基本頂為厚10m中砂巖，直接底為厚2m砂質(zhì)泥巖，基本底為厚16m細砂巖，柱狀圖如圖1所示。根據(jù)實驗測得3下煤層具有弱沖擊傾向性。

2 工程缺陷法防治沖擊地壓機理

工程缺陷法防治沖擊地壓是通過人為制造缺陷，改變煤巖層的變形破壞形態(tài)、應(yīng)力集中程度、沖擊能量積聚和釋放特征，進而使沖擊能量在有效的時間和空間范圍內(nèi)得以連續(xù)、均衡、緩慢地釋放和耗散，防止了沖擊地壓的發(fā)生。

對于沖擊煤層特別是深部條件下開采過程中出現(xiàn)了沖擊顯現(xiàn)的區(qū)域存在應(yīng)力集中和能量積聚，具備了發(fā)生沖擊地壓的條件，在該區(qū)域進行巷道的掘進面臨著沖擊地壓的威脅，需要預(yù)先進行卸壓，但卸壓的實施又不能造成巷道掘進、支護的困難和非連續(xù)性，因此采用制造工程內(nèi)缺陷的方法，達到既能保障巷道的正常掘進與支護，又能控制巷道掘進和支護期間沖擊地壓的發(fā)生。這種從外形上看沒有明顯人工缺陷，但在煤巖體內(nèi)部形成工程缺陷的施工技術(shù)稱為工程內(nèi)缺陷技術(shù)，其中最為典型的內(nèi)缺陷技術(shù)措施為煤層注水擴隙和爆破增裂。

煤層注水可以改變沖擊煤巖體的物性場：促使原有裂隙的擴脹及貫通，增大裂隙密度，用水充填了原有裂隙空間，破壞了煤體內(nèi)基質(zhì)顆粒之間的膠結(jié)物的結(jié)構(gòu)和完整性，減小了膠結(jié)物之間的摩擦系數(shù)，提高了煤體黏性趨勢、降低了煤體的脆性特征。

煤巖層爆破措施可以促使原有裂隙的擴脹及貫通，增加新裂隙，提高裂隙密度。

注水擴隙和爆破增裂能夠降低服務(wù)巷道高應(yīng)力區(qū)域煤巖體的強度、改變其變形破壞特征、提高其裂隙密度，促使高應(yīng)力的轉(zhuǎn)移，降低甚至消除了巷道沖擊地壓發(fā)生的力源。

應(yīng)力的轉(zhuǎn)移帶動能量的傳遞，同時裂隙的擴展、貫通和增加釋放了部分能量，顯著降低了巷道圍巖的能量梯度，降低甚至消除了巷道沖擊地壓發(fā)生的能量源。

注水擴隙和爆破增裂擴展和貫通了原有裂隙的同時增加了新的裂隙，增加了巷道圍巖破碎區(qū)域和塑性破壞區(qū)的長度，提供了裂隙密度，大大增大了巷道阻抗沖擊地壓發(fā)生的能力。

3回采巷道沖擊地壓危險區(qū)域

3.1掘進期間危險區(qū)域

1315工作面頂板巖層主要為f>5.5的細砂巖、粉砂巖，工作面回采后易形成懸頂，積聚能量，當基本頂斷裂釋放巨大的能力時，會誘發(fā)沖擊地壓。

1315工作面掘進期間共劃分了4個沖擊危險區(qū)域。其中，弱沖擊危險區(qū)域3個;中等沖擊危險區(qū)域1個，如表1所示。

3.2回采期間危險區(qū)域

1315工作面回采期間共劃分了6個沖擊危險區(qū)域。其中，弱沖擊危險區(qū)域4個;中等沖擊危險區(qū)域2個，如表2所示。

4工程實踐

根據(jù)工程缺陷防治機理和方法的分析，采用高壓注水擴隙和密集爆破增裂耦合的內(nèi)缺陷技術(shù)進行該區(qū)域沖擊地壓的防治。1315工作面采用密集爆破卸壓，增加新的裂隙，進行高壓注水，增大原有裂隙的擴展和發(fā)育，防治沖擊地壓。

4.1煤層爆破

1315工作面兩順槽掘進后采用鉆屑法監(jiān)測到煤粉量超標后，立即進行“巷道掘進端頭扇面循環(huán)爆破”，鉆孔爆破示意圖如圖2所示。

工作面順槽迎頭安排3個爆破孔，孔深度8.0m，孔間距1.0m，孔徑Φ42mm，鉆孔距離底板1.2m。

4.2煤層注水

1315工作面回采前，在兩順槽施工鉆孔進行高壓注水，超前采面注水距離不小于200m，在軌道布置6個注水鉆場;膠帶順槽布置10個注水鉆場，注水壓力8～10MPa，注水參數(shù)如表3、表4所示。

5效果檢驗

1315工作面采用工程缺陷防治沖擊地壓后，沖擊能量大幅度降低，高能級已被人工缺陷耗散并轉(zhuǎn)化為低能級沖擊地壓，能量被控制并緩慢消除。為檢驗防治效果，通過安裝應(yīng)立計在線監(jiān)測，觀測該區(qū)域回采時靜態(tài)和在動壓影響下的應(yīng)力變化情況，? 在工作面軌道順槽距離沖擊危險區(qū)域外50m處布置第一個鉆孔應(yīng)力計，向回采方向每隔30m布置一臺，監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

由圖2可知，軌道順槽靠煤壁側(cè)壓力值隨著工作面的開采，逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)，且壓力值始終小于4.5MPa，位于安全范圍值之內(nèi)，可見工程缺陷防治沖擊地壓取得了良好效果。

6結(jié)論

本文以1315工作面為研究對象，提出了通過人為制造缺陷，采用煤層注水擴隙和爆破增裂的方式，改變煤巖層的變形破壞形態(tài)、應(yīng)力集中程度、沖擊能量積聚和釋放特征，降低甚至消除了巷道沖擊地壓發(fā)生的能量源，達到防治沖擊地壓的目的。

根據(jù)1315工作地質(zhì)條件，受端側(cè)、初壓、見方等影響，兩順槽掘進和回采期間分別劃分了4個和6個危險區(qū)域。根據(jù)劃分的危險區(qū)域，提出采用工程缺陷煤層爆破和注水的方法防治沖擊地壓，并設(shè)計了施工參數(shù)。

兩順槽采用爆破和注水卸壓后，采用鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測應(yīng)力狀況驗證卸壓效果，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，壓力值始終小于4.5MPa，工程缺陷法卸壓在1315工作面取得良好效果。

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