煤礦巷道掘進期間沖擊危害的防治措施研究

楊 永 王 浩 張傳寧

（山東能源集團鮑店煤礦，山東 鄒城 273513）

1 工作面簡介

鮑店煤礦5312 工作面位于3#煤層，煤層平均厚度8.65 m，煤層屬半暗型煤，具條帶狀結構，層狀構造，厚度穩定，結構簡單，f=2.9。工作面煤層總體趨勢為一單斜構造，西北高東南低，煤層走向150°～162°，傾向60°～72°，煤層平均傾角9°。工作面中部V-F208 斷層附近煤層傾角較大，預計最大15°。頂底板賦存條件如下：直接頂巖性為粉砂巖，厚度3.56 m，節理較發育，易破碎；老頂巖性為粉細砂巖，厚度8.47 m，堅硬致密，以細砂巖為主；直接底不發育；老底巖性為粉細砂巖互層，夾雜粉砂巖條帶，厚度18.43 m，巖石呈中厚層狀。鮑店煤礦已鑒定煤層具有強沖擊傾向性，采用多種方法對5312 工作面的沖擊危險性進行評價，劃定可能存在沖擊危險的區域。鮑店煤5312 綜放工作面自北向南正向推進，工作面共開3 個切眼、1 條膠運順槽和3 條輔運順槽，工作面順槽、切眼均沿煤層底板布置。

2 巷道掘進期間沖擊危險分析

（1）膠運順槽多因素耦合沖擊危險性評價及危險區劃分

5312 工作面膠運順槽沿5311 采空區布置，由南向北沿3 煤底板掘進，掘進過程中會受到工作面采動應力、側向應力、斷層、硐室等因素疊加影響，膠運順槽5311 工作面停采線附近50 m 范圍存在弱沖擊危險，膠運順槽V-F208 斷層區域附近50 m 范圍存在弱沖擊危險，膠運順槽V-F209 斷層區域附加30 m 范圍內存在弱沖擊危險。

（2）輔運順槽多因素耦合沖擊危險性評價及危險區劃分

5312 工作面輔運順槽①沿3 煤底板掘進，靠近切眼③位置臨近鋪子斷層，近切眼③位置前后30 m范圍存在弱沖擊危險。5312 工作面輔運順槽②和輔運順槽③沿3 煤底板掘進，北部端頭臨近鋪子斷層，輔運順槽②和輔運順槽③掘進時會受到斷層構造應力影響，靠近斷層的區域（輔運順槽折線部位）存在弱沖擊危險。

（3）開切眼多因素耦合沖擊危險性評價

切眼①、切眼②和切眼③靠近鋪子斷層的區域受斷層及牽引褶皺影響，切眼①掘進60 m 范圍內受斷層和相鄰工作面回采擾動影響存在弱沖擊危險，切眼②和切眼③接近斷層30 m 范圍存在弱沖擊危險。

3 巷道支護措施

3.1 順槽支護參數

輔運順槽與膠運順槽斷面為5.4 m×3.7 m，采用相同的支護措施，如圖1 所示。錨桿托盤均采用335#鋼材預加工，面積0.15 m×0.15 m，厚度10 mm，其承載力不小于桿體屈服載荷。

圖1 膠運順槽斷面支護圖（mm）

順槽頂部采用桿體型號為MSGLW-500 規格為ML Ⅳ22/2400 Q/YZK 031 型錨桿、延伸率為18%的錨桿進行錨固。頂部和幫部錨桿螺母預緊力≥300 N·m，頂部和幫部錨桿錨固力≥150 kN。膠運順槽頂部錨桿支護網度0.9 m×0.9 m，共布置6根錨桿，采用2 卷樹脂錨固劑全長錨固方式。另外，頂部預埋SK 22/7-1860 Q/YZK 078 型長錨索3 條，直徑22 mm，錨索長7 m，網度為2.1 m×2.7 m。

兩幫采用MG500 20×2200 型錨桿進行錨固。幫部支護網度1.0 m×0.9 m，兩幫各布置4 根錨桿，安設1 卷樹脂錨固劑端部進行錨固。

3.2 開切眼支護參數

開切眼采用錨網索聯合支護，頂板錨索型號為Φ21.8 mm×6.0 m 高強度低松弛預應力鋼絞線，錨索托盤面積為0.3 m×0.3 m，厚度為20 mm，錨索預緊力≥100 kN，錨固力≥180 kN，頂錨索布置網度為2.7 m×2.2 m。

頂部錨桿選用Φ22 mm×2.4 m KMG500 左旋全螺紋鋼型，錨固力≥150 kN，錨桿螺母扭矩≥120 N·m，設計網度為0.8 m×0.9 m；幫部錨桿選用Φ20 mm×1.8 m 全螺紋鋼型，錨固力≥100 kN，錨桿螺母扭矩≥60 N·m，沿空側幫錨桿網度0.95 m×0.9 m，回采側幫網度1.2 m×0.9 m。

4 巷道掘進期間防沖措施

工作面順槽和切眼掘進期間，根據沖擊危險分析采取礦壓監測為主、鉆屑法檢驗為輔的檢測手段。局部沖擊危險升高時，需采取防沖解危措施[1-5]，主要包括以下幾種方式。

4.1 煤體大直徑鉆孔卸壓

巷道施工過程中，若檢測出沖擊危險或巷道掘進過程中出現圍巖活動明顯加劇現象，巖煤壁施工一排大直徑卸壓鉆孔，卸壓鉆孔須與煤層方向平行，鉆孔直徑≥110 mm，孔間距4 m，孔口高度1.5 m左右，鉆孔深度超前卸壓保護帶20 m 以上。

4.2 斷層底煤斷底卸壓防沖技術

工作面巷道掘進一般沿底板掘進，不留底煤，但在巷道過斷層區域時，會存在部分留底煤區域。為防止斷層預留底煤發生沖擊地壓，采取的防沖方式包括：①采用底板大直徑鉆孔斷底法進行卸壓；②如果大直徑施工不能有效解決底煤松動問題或者底煤厚度＞1 m 時，可以采用爆破斷底卸壓方式進行防沖。

（1）底板大直徑鉆孔斷底卸壓法

與煤體大直徑鉆孔卸壓工藝相似，通過施工大直徑卸壓鉆孔，達到破壞周圍煤體、釋放煤層礦壓應力、降低或消除沖擊地壓危險的目的。斷底鉆孔參數：在巷道兩幫與底板的交界位置施工向下孔，角度45°，孔徑110 mm，間距1～1.5 m，深度達到底板巖石，如表1 所示。斷底鉆孔使用需注意：如發現斷底效果不理想，則適當加密鉆孔，但是不能破壞順槽原有的支護措施。

表1 斷底孔技術參數

（2）爆破斷底卸壓技術

如果大直徑施工不能有效解決底煤松動問題或者底煤厚度＞1 m 時，常常伴有巷道底鼓現象，此時可以采用爆破斷底卸壓防沖措施。施工小直徑鉆孔小藥量爆破，擴大底部煤層結構松散性質，降低煤層沖擊危險。

爆破斷底參數：在巷道底板布置單排小直徑炮孔，炮孔參數如表2 所示，間距3 m，孔深2.3～2.5 m，角度30°斜向下。每個炮孔安裝1～2 支煤礦許用炸藥爆破，通常形成壓碎圈為炮孔直徑的7 倍、裂隙圈為孔徑的120 倍，孔距3 m 可以實現底煤的徹底斷底。

表2 斷底爆破技術參數

4.3 掘進速度的控制

根據礦區相鄰工作面防沖經驗，正常生產條件下，工作面每天掘進進尺不得超過20 m。在弱沖擊危險區域掘進時，每天掘進進尺不得超過15 m，如果出現監測異常時，應根據情況采取措施，掘進速度應放慢，可調整至每天10 m，直至監測無異常。

5 掘進期間沖擊危險監測方案

5.1 監測方案概述

5312 工作面巷道多個位置具有弱沖擊危險，應以微震監測和鉆屑法檢測為主要手段，實時掌握沖擊危險動態。在工作面巷道掘進期間，采用礦壓觀測法進行沖擊危險觀測，采用微地震監測系統實時監測高位頂板巖層隨掘進活動的進行是否會發生失穩運動，以評價煤層上方堅硬巖層發生礦震的可能性。如發現煤炮頻繁、壓力突增或出現沖擊氣流等異常動力現象必須及時進行鉆屑法檢測。

5.2 微震監測

5312 工作面使用的微震監測系統為SOS 微震監測系統。監測分析范圍：距巷道迎頭半徑200 m，單個震動能量超過1.0×104J，采用微震監測指標超過臨界值時，最終判定是否具有沖擊危險。

微震事件監測結果：本工作面采用5 個微震器對工作面震動信號進行采集，通過SOS 微震監測系統對沖擊危險性進行評估分析。工作面自2020 年12 月開始回采，2021 年5 月17 日工作面回采結束。工作面回采結束后依舊監測到微震事件，事件頻次及能量均比生產期間低，進入6 月后，微震事件基本消除。工作面開采以來共監測到震動事件2920次，平均日震動18.6 次，累計震動總能量5.72 ×106J，最大震動事件能量為4.56×104J，103J 以下事件2824 次，104J 以上事件96 次。

通過微震事件分布分析，工作面震動事件主要集中在1.0×103J 以下，以小震動事件為主，震動事件相對較分散，較大能量事件主要集中在工作面回采后期，工作面回采前期微震事件頻次及能量均比后期少。分析原因主要為工作面開采范圍進一步擴大，與鋪子斷層接觸的范圍增大，鋪子斷層因工作面采掘活動可能造成局部應力集中。總體評價如下：微震事件相對較多，但總體能量較小，工作面回采期間無異常壓力顯現。

5.3 鉆屑法

（1）監測位置

監測范圍為巷道掘進迎頭、掘進迎頭后方60 m以內的區域巷道幫。

（2）監測孔布置

分別在距離迎頭10 m、20 m、30 m 處布置3個鉆孔，鉆孔直徑42 mm，沿煤壁方向單排布置，布置高度1.2 m左右，孔深14 m，鉆孔煤層傾向平行。

（3）監測頻率

對于5312 工作面，切眼、順槽每40 m 實施一次鉆屑檢測。

（4）檢測判定依據

一般將鉆粉率指數1.5 定為該地點是否具有沖擊危險的閾值。鮑店煤礦5312 工作面采取相應的防沖措施之后的鉆粉率指數如表3 所示。

表3 5312 工作面臨界煤粉量指標

（5）鉆屑法的實際應用情況

工作面嚴格按防沖措施要求采用鉆屑法進行沖擊地壓危險性監測，弱沖擊危險區域每3 d 監測一次，無沖擊危險區域監測頻率為5 d 一次。煤粉鉆孔施工記錄表明鉆孔過程中無卡鉆、吸鉆等問題，煤粉無超標現象，最大煤粉量2.38 kg/m。數據表明采取相應的防沖措施之后，該礦實際生產條件的鉆粉率指數未超過閾值，防沖措施有效地控制了煤層應力集中現象，有效避免了地壓沖擊危險。

6 結論

鮑店煤礦5312 工作面掘進期間采取微震監測和鉆屑法檢測為主要手段，實時掌握沖擊危險動態，如發現煤炮頻繁、壓力突增或出現沖擊氣流等異常動力現象必須及時進行鉆屑法檢測。巷道掘進過程中，采取煤體大直徑鉆孔卸壓技術、斷層底煤斷底卸壓防沖技術，工作面于2021 年5 月實現安全順利回采。防沖措施的實際數據及監測效果表明：各項防沖措施落實到位之后，實現了工作面基本頂周期性破斷，未形成較大的懸頂；通過對危險區的預卸壓，有效降低了煤體應力集中程度，降低了工作面范圍內礦震的發生頻次和能量，有效避免了地壓沖擊危險。