孟村煤礦強沖擊地壓條件下巷道維護方案

馬 濤，聶書遙

(陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西 咸陽 713602)

0 引言

陜西彬長集團孟村煤礦位于咸陽市長武縣東部，東西長10.5 km，南北寬6.5 km，井田面積61.2 km2。可采面積約58.77 km2，地質儲量8.6億t，可采儲量6.4億t，礦井設計規模600萬t/年，服務年限71.5年。礦井采用中央并列式通風方式，抽出式通風方法，立井單水平開拓，全部垮落法管理頂板。礦井主采4號煤層，平均厚度16.25 m，煤塵具有爆炸危險性，水文地質類型為“復雜”型，Ⅰ類易自燃煤層，礦井為高瓦斯礦井、強沖擊地壓礦井。

1 工程概況

1.1 頂底板概況

開采煤層為侏羅紀延安組4號煤層，傾角平緩，一般小于7°，構造簡單，埋深430～690 m，厚度3.70～26.02 m，平均厚度16.25 m。4號煤層偽頂為黑色炭質泥巖，厚度一般小于1.0 m，與采煤同時垮落，強沖擊傾向性煤層。直接頂板為砂質泥巖，先期開采地段厚度為10～14 m，屬半堅硬不穩定頂板；基本頂為易冒落半堅硬中、細粒砂巖，厚度7.75～20.5 m，為中等穩定巖體。底板為灰褐色含鮞狀結構的鋁土質泥巖，鋁質泥巖厚度1.83～7.77 m，屬軟弱巖層，遇水膨脹，產生底鼓現象，屬不穩定底板。

1.2 礦井沖擊地壓顯現情況

根據孟村煤礦防沖管理部微震監測系統統計，自礦井建井期間5條主要系統大巷掘進以來，發生的較大能量(1×105J以上)沖擊顯現情況共6次。

第1次：2015年8月31日凌晨4∶31，能量為1.22×106J；中央一號輔運大巷掘進工作面迎頭向后0～30 m，總里程1 486 m，過4號聯絡巷97 m；沖擊造成煤柱幫(右幫)最大幫鼓量0.7 m，肩部變形量相對較大；10余處大塊漿皮被崩落，局部開裂，最大裂縫寬度50 mm；2處錨網被撕裂，均位于搭接處。

第2次：2018年7月6日9：12，中央一號輔運大巷迎頭區域發生沖擊地壓事件，能量為1.01×107J，沖擊造成工作面掘進前方1 m×1.5 m(長×高)煤體向巷道內拋出，迎頭退后5 m范圍內右幫向巷中偏移0.8～1 m，頂部有大量小塊煤體脫落，右幫肩部10余塊木托板被打翻或破裂。

第3次：2019年3月7日零點班1：18，能量1.21×105J，中央一號輔運大巷里程1 600～1 635 m(DF29斷層處，距迎頭約300 m)，沖擊造成巷道35 m范圍內普遍底鼓約0.5 m，最大1.5 m，頂板大量漿皮脫落，巷道內皮帶運輸系統癱瘓。

第4次：2019年5月9日8點班8∶05，能量2.7×105J，里程1 490 m，沖擊造成中央二號輔運大巷自4號聯絡巷口以西75～135 m，噴漿層局部脫落，地坪部分開裂，底鼓最大0.5 m，水溝蓋板彈出，3根電纜落地，1 m運輸皮帶架側翻；中央膠帶大巷自中央二號輔運大巷4號聯絡巷口以西40～147 m，噴漿層局部脫落；其中87～107 m，噴漿層脫落嚴重，87 m處頂板網片撕裂1.5 m2，深0.5 m，煤層垮落，巷道局部底鼓0.5～1.0 m。

第5次：2019年8月5日零點班6∶13，能量2.26×105J，沖擊造成中央膠帶大巷里程1 010～1 050 m段40 m范圍內(最外一架棚起向外)底鼓均0.5 m，最大0.8 m，局部漿皮脫落；中央一號輔運大巷DF29斷層附近局部底鼓0.2 m，漿皮脫落。

第6次：2019年12月24日4點班22∶57∶24，能量3.36×105J，沖擊造成中央膠帶大巷4號聯巷以里40～60 m段底鼓約0.9 m，少量漿皮脫落；中央一號輔運大巷1 350～1 750 m右幫電纜落地；1 650～1 750 m段底鼓0.1～1.5 m，皮帶機局部側翻；1 750 m處冒頂約1 m3，少量片幫。

1.3 沖擊顯現規律

5條主要系統大巷沖擊顯現：①中央一號輔運大巷掘進期間，在DF29斷層(H=18 m，∠65°～70°)附近已有強烈的沖擊顯現；待巷道掘進過去后，后巷及其他4條中央大巷受401101綜采工作面接近和通過DF29斷層影響，集中發生4次較大沖擊顯現。②5條大巷主要沖擊顯現嚴重區域集中在與DF29斷層交匯點前后200 m范圍內，尤以DF29斷層揭露點附近沖擊顯現最為強烈。

現象認定：①5條大巷掘進期間通過斷層位置附近時即出現強烈沖擊顯現；②401101綜采工作面由謝家咀背斜經過DF29斷層至塬口子向斜期間，5條大巷沖擊顯現較頻繁。此現象可認定為隨著401101綜采工作面采動影響而形成的能量積累，DF29斷層充當了沖擊能量釋放通道，5條系統大巷形成了不同程度的沖擊破壞。

2 巷道維護方案

2.1 總體思路

在孟村煤礦強沖擊地壓條件下，大巷巷道維護總體思路分為“遠攻”和“近交”兩部分。“遠攻”即指選定頂板關鍵層、臨近煤柱、巷道底板實施連續深孔精準爆破作業，利用爆破產生松散煤巖體，從而阻止能量積累，并打亂既有能量釋放通道[1-3]。“近交”則指利用施工注漿錨索，采用錨注技術形成巷道穩固的圍巖帷幕[4-6]，同時進行全斷面架棚、噴漿加固，底板采用設置緩沖層(鋪設鵝卵石)、架設反底拱、施工高標水泥方法預防和處理底板沖擊。施工順序為先“遠攻”，再“近交”。

2.2 “遠攻”實施遠端精準爆破

頂板關鍵層位置：和煤與瓦斯突出的能量機理和釋放方式不同，沖擊地壓能量積累來源于頂板的能量積累[7-9]。由于采掘活動影響，偽頂在快速垮落后，位于直接頂位置的沉積巖層便產生采動應力下的能量積累效應，由于沉積巖層本身具有一定強度，因而形成一種類似于“三合板”式的斷裂方式。它在積累后的斷裂情況就是一次較大的沖擊地壓顯現。因而選定頂板關鍵層的爆破位置應當放在直接頂的中上部，即煤層頂板向上10～15 m處。

爆破位置：中央二號回風大巷由于與401101綜采工作面留有200 m煤柱，且為5條大巷中最靠近采面的，因此可采用頂板關鍵層、臨近煤柱、巷道底板3個方向實施連續深孔精準爆破作業。其余4條大巷只可實施頂板關鍵層、巷道底板爆破。爆破孔間隔不應超過20 m，巷道爆破位置斷面如圖1、圖2所示。

圖1 中央二號回風大巷爆破位置示意

圖2 其他大巷爆破位置布置示意

2.3 “近交”形成巷道加固體系

沖擊地壓破壞程度劇烈的另一方面原因是巷道初始支護強度不足[10-12]。由于前期對礦井沖擊地壓嚴重性認識不足，巷道成型后，僅采用錨索、錨桿及噴漿進行巷道支護，極大降低了巷道抗沖擊能力。“近交”加固體系是指在“遠攻”精準爆破完成后，巷道外圍形成能量阻擋圈后，通過施工注漿錨索，采用錨注技術進行加固，在原巷道外圈基礎上形成一個1.2～2倍的穩固圍巖，同時進行全斷面架棚、噴漿加固，并采用設置緩沖層、架設反底拱、施工高標水泥方法預防和處理底板沖擊，圖3為巷道加固斷面示意。

圖3 大巷巷道加固斷面

2.4 其他防沖擊方法

順槽巷道加固建議：①受回采后的采動應力疊加沖擊地壓影響，順槽巷道也應選用“遠攻”方案，即選定合理深孔爆破范圍，阻止采空區頂板的能量積累和釋放；②在DF29斷層影響區域，應適當提升巷道在煤層中的層位，防止上部綜放煤層體量過大，巷道近乎沿煤層底板掘進產生的強沖擊顯現，最好將放頂煤層控制在5 m內，使錨索保留1 m以上進入直接頂，從而增加巷道的抗沖擊性；③開展科研攻關，盡快科學確定相鄰工作面掘進時，煤柱留設寬度，確保巷道布置安全、提升資源合理利用。

其他防沖擊輔助生產方式：下一個接替回采工作面為401102綜采工作面，考慮到工作面排水問題(泄水巷共用401101泄水巷)，回采方向與401101綜采工作面一致，即回采方向由西向東，經謝家咀背斜經過DF29斷層至塬口子向斜。根據沖擊顯現統計，導致5條大巷沖擊顯現時間、頻率上較為集中、多發。依據文獻[12]的研究結果，褶皺區具有開采后局部地應力場變化的方向性，褶皺向斜部分是水平應力集中區，采掘時沖擊危險性較高，而翼部、背斜處的沖擊地壓危險性次之，褶皺區工作面最有利的推進方向應是自向斜起往背斜方向推進。因此，確定回采方向時，建議將沖擊危險作為首要考慮要素，采取自東向西回采，即由塬口子向斜經過DF29斷層至謝家咀背斜進行回采為宜。

3 結論

(1)通過遠端爆破關鍵層，近端加固巷道圍巖及支護強度的巷道維護方案，主采4號厚煤層巷道變形難以控制的問題得以解決。

(2)在強沖擊地壓條件下，大巷巷道維護時“遠攻”的重點在選定頂板關鍵層和實施連續深孔精準爆破作業，“近交”的難點在于形成巷道穩固圍巖帷幕的同時進行加固。此外，順槽巷道的加固和回采方向的合理確定也是維護方案的重要補充。