永久硐室防沖安全性論證的探討

詹 平，高 陽，郭 鵬

(潞安集團 綜合辦公室，山西 長治 046204)

近年來，由于綜采液壓支架的廣泛使用，采煤工作面支護強度的提高，沖擊地壓主要發生位置由工作面轉向巷道。據統計，煤礦沖擊地壓災害70%以上發生在巷道。永久硐室是一種特殊的巷道，它服務年限長，且一般布置有大型設備，若將永久硐室布置在嚴重沖擊地壓煤層中，且不采取有效監測及卸壓措施，一旦發生沖擊地壓將造成較大損失。

根據《防治煤礦沖擊地壓細則》第二十八條規定，“永久硐室布置在沖擊地壓煤層中的，不具備重新布置的條件的，需進行安全性論證。在采取加強防沖綜合措施，確認沖擊危險監測指標小于臨界值后方可繼續使用，且必須加強監測。”規定中明確要求了不具備重新布置的條件的永久硐室應該進行安全性論證，并提出了防治措施和監測的要求，但并未針對具體內容展開描述。

目前，沖擊地壓的監測措施主要包括微震監測、應力監測、常規礦壓監測(巷道表面位移監測、錨桿錨索受力監測等)等，沖擊地壓的治理措施主要包括大直徑卸壓鉆孔、水力壓裂、爆破卸壓等。

本文以某礦井不具備重新布置條件的永久硐室為基礎，對永久硐室防沖安全性論證的內容、永久硐室的防沖綜合措施、永久硐室的防沖監測三個方面進行探討。

1 礦井概況

井田總體為單斜構造，傾角約1～6°，局部有波狀起伏。井田先期開采地段斷層有7條。其中1條小斷層位于井底車場附近，但落差較小，為0～2 m，對巷道及硐室布置影響較小。井田內，無巖漿巖侵入體。巷道掘進時，發現3處小型沖刷帶。總體而言，井田地質構造簡單。

礦井主采煤層為3-1煤層，煤厚3.40～7.63 m，平均4.97 m，結構簡單，屬全區可采的穩定煤層。3-1煤試樣單軸抗壓強度最大值為40.80 MPa，最小值為30.44 MPa，平均值為35.37 MPa。3-1煤試樣彈性能量指數最大值為11.72，最小值為6.01，平均值為8.45。

3-1煤直接頂板主要為粉砂質泥巖。老頂為粗粒砂巖，頂板抗壓強度39.0～58.76 MPa，屬中等穩定頂板。底板為粉砂質泥巖，抗壓強度19.8～67.1 MPa，為不堅固-堅固底板。

永久硐室大部分位于井底車場附近，小部分位于西翼大巷附近，因此，將永久硐室劃分為井底車場區域(井下主排水泵房、井下消防材料庫、調度室、急救室、等候硐室、井下主變電所、井下強排水泵房及配水巷、3-1煤帶式輸送機機頭硐室及通道、副井井筒與井底車場連接處、主井井筒與井底車場連接處、井下換裝硐室、井下蓄電池電機車修理間、變流室及充電室、井下膠輪車庫、管子道、3-1煤永久避難硐室、盤區變電所、3-1盤區西翼泵房)和西翼大巷區域(盤區變電所、3-1煤永久避難硐室、盤區泵房)。

由于永久硐室較多，本文選取井底車場區域鋼筋混凝土砌碹支護的井下主排水泵房為例進行相關研究。井下主排水泵房位于井底車場排水系統內。巷道標高約+637 m，采深取平均值646 m，硐室設計長度約67 m，煤巖比為30∶70。

2 永久硐室沖擊危險性評價

2.1 綜合指數法評價

根據各永久硐室地質條件進行計算，結果如下：

井下主排水泵房地質因素影響下的沖擊地壓危險性指數Wt1=0.67，具有中等沖擊地壓危險。其主要影響因素為煤體能量指數、煤體單軸抗壓強度和堅硬頂板巖層等。

井下主排水泵房開采技術因素影響下的沖擊地壓危險性指數Wt2=0.25，為無沖擊地壓危險。主要影響因素為底煤。

通過綜合比較分析，認為井下主排水泵房沖擊地壓危險等級評定為中等沖擊地壓危險，沖擊危險指數Wt=0.67。其中，地質因素為主要影響因素，上覆厚硬巖層、煤體單軸抗壓強度、煤的彈性能量指數等起主要影響作用。

2.2 可能性指數法評價

采用可能性指數法的結果：應力對“發生沖擊地壓”事件的隸屬度為0.41。沖擊傾向性對“發生沖擊地壓”事件的隸屬度為1。井下主排水泵房沖擊地壓發生可能性指數為0.71，即具備“可能”發生沖擊地壓等級的應力條件。

2.3 多因素耦合評價

通過對永久硐室沖擊地壓影響因素進行排查，對各個影響因素下的應力進行疊加。

井下主排水泵房采深取平均值646 m，自重應力為γh=16.15 MPa。井下主排水泵房周邊存在巷道或硐室群，取1.5γh。圍巖綜合應力為1.5γh=24.23 MPa。煤層單軸抗壓強度約為35.37 MPa，應力比為0.69。Ic/σc<1.5，無沖擊地壓危險。

3 永久硐室的防沖綜合措施

3.1 區域防沖措施

對于永久硐室而言，井底車場西翼大巷均屬于開拓方式范疇，區域防沖措施中，主要針對開拓巷道及硐室布置進行排查。對大巷及永久硐室而言，最有利的情況為大巷走向及硐室軸向方向與主應力方向相同，最不利的情況為大巷走向及硐室軸向方向與主應力方向垂直。從實際布置來看，盤區大巷軸線方向與最佳角度相差約32°。夾角的存在給西翼大巷區域永久硐室維護帶來困難，但32°夾角并不大，可以通過加強支護等措施解決。

3.2 局部防沖措施

對于該礦井永久硐室而言，由于部分永久硐室留有底煤，因此，局部防沖措施主要針對底煤進行爆破或鉆孔卸壓，可根據實際情況選擇其中至少一種底煤防沖措施，對于混凝土砌碹支護的硐室，為了減少爆破對硐室支護強度的影響，優先選擇鉆孔卸壓的方式。

建議的底煤鉆孔布置方式為：在巷道底角以一定角度施工兩排鉆孔，間距根據實際情況采取0.8～1.0 m，孔徑根據施工機具采用D80～100 mm，施工深度以鉆進至巖層為準，鉆孔施工完成后建議再輔以注水軟化的方式，進一步降低底煤沖擊的可能性，見圖1。

圖1 大直徑鉆孔底煤處理方式

4 永久硐室的防沖監測

4.1 區域監測

井底車場區域及西翼大巷區域永久硐室建議采用微震監測系統進行區域性監測，以預測強礦壓危險區及危險程度，及時采取措施解除危險。根據現場情況，在井底車場區域、西翼大巷區布置若干拾振器，對于大巷區域而言，一般拾振器間距不宜大于1 000 mm，井底車場區域覆蓋點數不少于4個；井底車場區域與大巷拾振器相互配合，覆蓋永久硐室范圍。

4.2 局部監測

井底車場區域及西翼大巷區域永久硐室局部監測建議采用煤層應力監測，實時監測和預警動力災害，并能根據設置值進行實時預警，為礦井管理人員提供井下測區實時動力災害信息。

原則上，無沖擊地壓危險的永久硐室，基本為混凝土砌碹硐室，或巖石在圍巖內占比較大，不在硐室內單獨設置應力監測測點，在弱沖擊地壓危險的永久硐室，錨網噴支護條件下的半煤巖或煤層硐室，建議每隔30～50 m設置1組應力監測測點。

因永久硐室及附近安裝了鉆孔應力監測測點，且微震系統覆蓋了整個永久硐室區域，鉆屑法不作為常規監測手段，僅在微地震監測或應力監測到具有沖擊危險的區域進行檢驗。

5 結 語

根據《防治煤礦沖擊地壓細則》規定，對永久硐室沖擊危險性進行了評價，制定了永久硐室的防沖綜合措施，并對安全性進行了分析論證，得到的主要結論如下：

1) 分別采用綜合指數法、可能性指數診斷法和多因素耦合評價法，對永久硐室進行了沖擊危險性評價，得到了各硐室評價結論。采用綜合指數法判定危險為中等；采用可能性指數診斷法，判定結果為“可能”；采用多因素耦合評價法，得到永久硐室為無沖擊地壓危險。

上述三種方法得出的危險性等級結果差距較大，應綜合考慮永久硐室的支護、煤巖比、采動影響進行分析，對評價結果進行修正。

2) 提出了永久硐室沖擊地壓區域監測方案和局部監測方案，可以實現永久硐室沖擊地壓長期、實時在線監測預警。區域監測采用微地震監測法；局部監測采用應力監測法。

3) 提出了永久硐室區域防沖措施和局部防沖措施。區域防沖措施主要針對開拓巷道及硐室布置；部分永久硐室底煤卸壓處理方案，需根據底煤厚度選擇大直徑鉆孔卸壓或爆破卸壓。

4) 通過一系列措施，永久硐室實現了沖擊地壓長期監測。沖擊地壓危險監測指標小于預警臨界值時，永久硐室可繼續使用；大于預警臨近值時，應停止使用，并針對監測得到的危險區域采取切實可行的卸壓治理方式，直至監測指標低于臨界值后恢復正常使用。