多因素耦合下沖擊地壓巷道貫通研究與實踐

王建坤 梁東輝 李亞威

（濟寧市金橋煤礦，山東 濟寧 272200）

為加快巷道掘進速度，保證巷道按時投入使用，井工煤礦常布置兩個掘進迎頭相向掘進，然后選擇合適位置進行貫通，貫通時受多因素耦合影響，巷道圍巖應力疊加[1]，容易發生巷道失穩，若煤層本身具有沖擊傾向性，極易發生沖擊地壓。

本文針對金橋煤礦1304軌道順槽貫通實際，從最大主應力、上覆巖層等方面對巷道貫通期間圍巖穩定性進行研究，準確評估貫通期間危險性，超前采取針對性措施，確保1304軌道順槽安全順利貫通。

1 1304軌道順槽概況

金橋煤礦1304軌道順槽貫通區域標高為-400～-440m， 埋 深 為 436.5～450.2m， 平 均 埋 深 為456.9m。1304軌道順槽西側為1316上工作面采空區，兩工作面間區段煤柱寬度約為6m，1304軌道順槽位于上分層遺留36m煤柱下，巷道貫通點位于沖刷帶內。如圖1所示。

圖1 1304軌道順槽貫通位置平面圖

2 貫通區域巷道穩定性研究

2.1 地應力對貫通區域影響

根據金橋煤礦地應力測試報告，金橋煤礦原巖應力場的第一主應力為水平應力，其值大小為15.34～15.73MPa，方位角為 100.8° ～109.6°。水平應力對巷道圍巖變形與穩定性的作用如圖2所示。當巷道軸線與最大水平主應力平行，巷道受水平應力的影響最小，有利于頂底板穩定；當巷道軸線與最大水平主應力垂直，巷道受水平應力的影響最大，頂底板穩定性最差；當兩者呈一定夾角時，巷道一側會出現水平應力集中，頂底板的變形與破壞會偏向巷道的某一幫。

1304軌道順槽設計方位角為8°，軌順與第一主應力方向夾角在92.8°～101.6°之間，軌順掘進方向與最大水平應力方向近垂直，最大水平應力對巷道影響較大，容易應力集中。軌順貫通期間，圍巖體受圍巖水平應力集中疊加影響，巷間圍巖破壞自表面向其中部延伸，貫通將導致巷間圍巖承載能力近乎喪失，造成巷道圍巖承載結構失穩[2]，容易發生冒頂、底鼓等現象。如圖3所示。

圖2 水平應力方向與巷道變形

圖3 巷道掘進時應力分布情況

2.2 上覆巖層對貫通區域影響

金橋煤礦一采區3煤層埋藏深度在450m左右，煤層中的自重應力隨著開采深度的增加而增加，煤巖體中積聚的彈性能也隨之增加[3]，根據經驗公式α=γH式中，α為上覆巖層重力密度（一般取2.5MPa每100m），H為煤層的開采深度。

將金橋煤礦相關數值帶入計算得出，煤層開采深度450m，在無采動影響的情況下煤層上覆巖層的自重應力為11.25MPa。根據3#煤沖擊傾向性鑒定結果，3#煤層單軸抗壓強度范圍在4.62～11.70MPa之間，平均7.63MPa。工作面煤層上覆巖層自重應力是煤層的單項抗壓強度的1.47倍，其自重應力已接近中等沖擊危險，上覆巖層對巷道貫通有一定的影響。

2.3 上分層遺留煤柱對貫通區域影響

1304軌道順槽與1304上采空區之間煤柱為36m，掘進期間在幫部開展大直徑鉆孔預卸壓工作，卸壓孔深度為26m，卸壓孔間距根據公式（1）確定。卸壓孔間距布置原則為卸壓孔周圍的卸壓區相互貫通，形成弱化帶。

式中：

D-卸壓鉆孔間距，m；

k-卸壓鉆孔間距的危險性修正系數，與鉆孔排粉有關。排粉質量比b=m'/m，m'為單個卸壓鉆孔單位長度實際排粉質量，m為單個卸壓鉆孔單位長度計算排粉量。對于弱沖擊危險區1.5≤b＜2，k=18.84；中等沖擊危險區2≤b≤3，k=12.56；強沖擊危險區b＞3，k=6.28；

d-卸壓鉆孔施工鉆頭直徑，m，

K-變形模量指數，K=λ/E；

λ-應力應變曲線峰值后軟化模量，MPa；

E-應力應變曲線峰值前彈性模量，MPa。

根據金橋煤礦實際，結合經驗值，K取0.4，1304軌道順槽為中等沖擊危險區，k取12.56，d為0.11m，帶入公式（1），可得出D=2.58m，根據經驗類比法調整，最終確定卸壓孔間距D取3m。

掘進期間在36m遺留煤柱側按照間距3m、孔深26m布置預卸壓鉆孔，相當于36m煤柱外側26m人為形成塑性變形區，最里側5m煤柱臨近1304上采空區，已發生塑性變形，真正彈性能積聚區為27～31m段5m煤柱[4]，外側26m煤柱應力集中程度相對較低，1304軌道順槽貫通期間外側26m煤柱積聚能量較低，提高了巷道貫通期間的安全性。

3 1304軌道順槽貫通超前措施

根據上述分析，1304軌道順槽貫通期間主要受地應力、上覆巖層自重影響，通過對遺留煤柱采取預卸壓措施，大大降低了對巷道貫通的影響，在強支護、強監測的前提下，重點需做好強卸壓工作，確保貫通點位于卸壓保護帶內。

1304軌道順槽在幫部施工預卸壓孔的基礎上，結合現場實際，距貫通50m時，在兩側迎頭超前施工大直徑鉆孔，每個迎頭施工3個鉆孔，呈“三花”布置[5]，孔深為25m，將50m貫通煤柱打穿，降低彈性能積聚，從而降低沖擊危險性。如圖4所示。

4 結語

通過對1304軌道順槽貫通期間巷道圍巖穩定性研究，采取有效的幫部、迎頭預卸壓措施，確保1304軌道順槽安全貫通。通過對1304軌道順槽貫通總結，可得出如下結論：

（1）最大水平主應力方向與巷道掘進方向呈一定夾角時，容易出現應力集中現象，巷道布置應盡量做到與最大水平主應力方向一致，從源頭降低最大水平應力對巷道貫通的不利影響。

圖4 1304軌道順槽迎頭卸壓孔“三花”布置圖

（2）金橋煤礦3煤單軸抗壓強度在7.63MPa左右，遠低于上覆巖層自重應力的11.25MPa，因此上覆巖層自重應力對巷道貫通有一定的影響。

（3）通過對金橋煤礦卸壓孔間距計算，金橋煤礦卸壓孔間距為3m時，卸壓區相互貫通，可形成有效的弱化帶。

（4）在距貫通50m時，通過在兩側迎頭“三花”布置預卸壓孔，可有效降低兩迎頭間50m煤柱應力集中程度，起到較好的預卸壓效果。