大埋深高應(yīng)力煤巷幫部遞進(jìn)式卸壓技術(shù)及應(yīng)用

高久國(guó) 李振安

（1.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272055；2.濟(jì)寧市能源綜合執(zhí)法支隊(duì)，山東 濟(jì)寧 272000）

沖擊地壓是煤礦開(kāi)采的典型動(dòng)力災(zāi)害，且隨著煤炭開(kāi)采深度的延伸，其災(zāi)害頻次和強(qiáng)度逐漸增大[1]。為有效防治深部煤礦巷道沖擊地壓災(zāi)害，國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn)，影響巷道沖擊的主要因素包括圍巖本身物理特性、應(yīng)力分布及支護(hù)強(qiáng)度[2]。單純加強(qiáng)支護(hù)的方法，施工繁瑣且防沖效果難保證，而圍巖本身物理特性難以改變，因此，改善圍巖應(yīng)力分布成為防治巷道沖擊地壓的最有效途徑。其中，應(yīng)力轉(zhuǎn)移理論作為沖擊地壓防治中重要的觀點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注。目前，基于應(yīng)力轉(zhuǎn)移理論的沖擊地壓局部卸壓技術(shù)，常見(jiàn)的大直徑鉆孔卸壓技術(shù)，具有施工方便、成本低廉等優(yōu)越性，得到廣泛的應(yīng)用。Wen Y L 等[3]對(duì)沖擊地壓巷道鉆孔卸壓過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)的變化進(jìn)行對(duì)比分析，指出卸壓效果主要取決于鉆孔直徑和分布間距。Thuro K 等[4]對(duì)各向異性巖石在鉆孔和切割過(guò)程中的斷裂擴(kuò)展進(jìn)行了研究。劉紅崗等[5]分析得到了巷道圍巖在動(dòng)態(tài)載荷下?lián)p傷破壞發(fā)展的過(guò)程，對(duì)破壞過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)重新分布過(guò)程進(jìn)行了闡述。Huang B 等[6]研究了鉆孔參數(shù)對(duì)類巖石試樣基本力學(xué)參數(shù)的影響。王愛(ài)文等[7]對(duì)鉆孔煤樣破碎過(guò)程進(jìn)行了分析，研究得到了其中的能量耗散規(guī)律。朱斯陶等[8]以巨厚煤層的工作面掘進(jìn)狀態(tài)和卸壓區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，揭示了大直徑鉆孔卸壓失效機(jī)理，提出了優(yōu)化卸壓鉆孔布置方式的防治措施。Zhu S 等[9]采用應(yīng)力和微震監(jiān)測(cè)研究了鉆孔卸壓效果。由上述研究可知，巷道應(yīng)力的轉(zhuǎn)移實(shí)質(zhì)上是通過(guò)人工的方式將圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行降低或使巷幫應(yīng)力分布發(fā)生改變，達(dá)到降低支承壓力峰值并向巷幫深部轉(zhuǎn)移的目的，來(lái)維持巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定。

唐口煤業(yè)公司工作面開(kāi)采普遍處于千米以上，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，開(kāi)采范圍內(nèi)煤巖體處于高應(yīng)力環(huán)境。為了有效防控沖擊地壓災(zāi)害，提出了分段擴(kuò)孔卸壓技術(shù)、一孔多用卸壓技術(shù)、沿空順槽定向斷頂-跨面預(yù)卸壓技術(shù)等，并研究了相應(yīng)的卸壓效果，構(gòu)建了千米深井多空間遞進(jìn)式防沖技術(shù)體系。

1 概況

唐口煤業(yè)公司主采3（3上）煤層，厚度2.10～10.70 m，平均5.14 m。330 采區(qū)采用條帶回采，工作面寬度為60～90 m，相鄰工作面間留設(shè)不小于50 m 的煤柱。該工作面布置條件下，工作面沖擊的危險(xiǎn)源為以自重應(yīng)力和采動(dòng)支承壓力為主的靜載荷源、以該工作面堅(jiān)硬頂板斷裂為主的動(dòng)載荷源，載荷源具體見(jiàn)表1。

表1 唐口礦典型工作面布置形式下沖擊啟動(dòng)載荷源

530 和630 采區(qū)主要采用留小煤柱沿空回采，工作面寬度為180～250 m，相鄰工作面間留設(shè)不大于8 m 的煤柱。該工作面布置條件下，工作面沖擊的危險(xiǎn)源為以自重應(yīng)力和采動(dòng)支承壓力為主的靜載荷源、以本采空區(qū)或鄰近采空區(qū)堅(jiān)硬頂板斷裂為主的動(dòng)載荷源。

2 高應(yīng)力巷幫深淺多級(jí)卸壓技術(shù)

2.1 分段擴(kuò)孔卸壓技術(shù)

高應(yīng)力煤體卸壓技術(shù)中，大直徑鉆孔卸壓技術(shù)具有施工方便、成本低廉等優(yōu)越性，得到廣泛的應(yīng)用。研究表明：卸壓鉆孔孔徑越大則卸壓效果越好，但過(guò)大孔徑的鉆孔會(huì)使煤體破碎嚴(yán)重，從而喪失承載能力，容易造成巷道大變形甚至支護(hù)失效。考慮到卸壓鉆孔長(zhǎng)度范圍一般為15～20 m，而巷道支護(hù)范圍為巷幫深度3 m 左右，為了在不影響支護(hù)體系與巷道穩(wěn)定的前提下達(dá)到良好的卸壓效果，提出了分段擴(kuò)孔卸壓方法，即選取合適的擴(kuò)孔鉆頭在巷幫淺部區(qū)間施工小直徑鉆孔，在巷幫深部區(qū)間施工大直徑鉆孔，如圖1。

圖1 分段擴(kuò)孔卸壓技術(shù)示意圖

2.2 一孔多用卸壓技術(shù)

高應(yīng)力煤體常采用大直徑鉆孔、鉆孔爆破、煤層注水等技術(shù)進(jìn)行卸壓解危。在施工過(guò)程中都會(huì)進(jìn)行鉆孔施工，對(duì)于高應(yīng)力集中區(qū)域，一般會(huì)采用多種卸壓技術(shù)相結(jié)合的手段進(jìn)行充分卸壓，導(dǎo)致煤體鉆孔密集分布、工程量大，且相鄰鉆孔間會(huì)相互影響，如注水孔可能通過(guò)卸壓孔漏水。因此，為了在保證充分卸壓的基礎(chǔ)上，提高施工效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，研發(fā)了一孔多用技術(shù)。

2.2.1 “鉆+壓+注”技術(shù)

“鉆+壓+注”一孔多用技術(shù)，為深孔卸壓技術(shù)，采用鉆孔卸壓、水力壓裂、靜壓注水的方式，如圖2 所示。具體流程：

圖2 “鉆+壓+注”鉆孔卸壓過(guò)程示意圖

1）鉆孔卸壓：在卸壓地點(diǎn)，采用鉆機(jī)鉆進(jìn)大直徑鉆孔（直徑75 mm、孔間距20 m、孔深160 m），進(jìn)行初步鉆孔卸壓；

2）封孔：注水孔封孔采用深孔高壓限位注漿封孔技術(shù)進(jìn)行封孔（封孔長(zhǎng)度20 m）；

3）高壓注水：封孔器外接高壓注水管路，進(jìn)行高壓注水作業(yè)，壓力不小于30 MPa，當(dāng)壓力出現(xiàn)明顯降低，說(shuō)明高壓水已經(jīng)進(jìn)入致裂煤層；

4）靜壓注水：長(zhǎng)時(shí)靜壓注水，注水壓力不小于2 MPa。

2.2.2 “鉆+切”技術(shù)

“鉆+切”一孔多用技術(shù)，為淺孔卸壓技術(shù)，采用鉆孔卸壓、水力切縫的方式進(jìn)行，如圖3 所示。具體流程：

圖3 “鉆+切”鉆孔卸壓過(guò)程示意圖

1）鉆孔卸壓：在卸壓地點(diǎn)，采用鉆機(jī)鉆進(jìn)大直徑鉆孔（如直徑150 mm，孔深25 m），進(jìn)行初步鉆孔卸壓；

2）水力切縫：利用特制噴嘴鉆頭的沖擊水壓力切割煤層，同時(shí)監(jiān)測(cè)控制閥上壓力表的壓力變化，當(dāng)壓力出現(xiàn)明顯降低，說(shuō)明高壓水已經(jīng)進(jìn)入煤層。

2.3 沿空順槽跨面超前預(yù)卸壓技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)沿空順槽的提前卸壓，提出了沿空順槽定向斷頂-跨面預(yù)卸壓技術(shù)，在該工作面順槽定向斷頂，減小該工作面及鄰近工作面來(lái)壓強(qiáng)度。該工作面順槽向下一工作面施工加長(zhǎng)版大直徑鉆孔，提前進(jìn)行預(yù)卸壓，如圖4 所示。工程試驗(yàn)表明，跨面預(yù)卸壓技術(shù)有效減少了下一工作面順槽的卸壓孔數(shù)量，鉆孔間距由1 m 優(yōu)化為3 m，達(dá)到鄰近兩工作面頂板來(lái)壓、下一工作面順槽掘進(jìn)支承壓力一次性削弱的目的，有效保證了工作面接續(xù)及正常生產(chǎn)。

圖4 沿空順槽定向斷頂-跨面預(yù)卸壓技術(shù)（m）

3 多空間遞進(jìn)式防沖技術(shù)體系

唐口礦沖擊地壓防治堅(jiān)持“宏觀調(diào)控、根源治理、主動(dòng)防治、雙控雙贏”的防沖理念，宏觀上合理采場(chǎng)布置，優(yōu)化開(kāi)拓布局，避免孤立煤柱等區(qū)域性高應(yīng)力集中條件形成。采取區(qū)域性治理措施消除沖擊地壓產(chǎn)生條件，以區(qū)域防范為先導(dǎo)，采取局部跟進(jìn)的治理模式，深入落實(shí)個(gè)體防護(hù)措施，形成“宏觀→區(qū)域→局部→個(gè)體防護(hù)”的四級(jí)治理體系，建立了千米深井沖擊地壓多空間遞進(jìn)式防沖技術(shù)體系，如圖5。

圖5 沖擊危險(xiǎn)分源監(jiān)測(cè)預(yù)警-遞進(jìn)式卸壓解危技術(shù)體系

4 應(yīng)用效果對(duì)比

4.1 分段擴(kuò)孔卸壓技術(shù)應(yīng)用效果

為了研究分段擴(kuò)孔卸壓與常規(guī)大直徑鉆孔卸壓效果對(duì)比，在工作面進(jìn)行了兩種方法的對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。與原大直徑鉆孔卸壓技術(shù)進(jìn)行工程應(yīng)用對(duì)比，在施工效率方面每米巷道分段擴(kuò)孔卸壓的卸壓孔排粉量提高0.03 t，鉆孔數(shù)量減少一半，施工效率提高至1.4 倍。通過(guò)卸壓效果的對(duì)比，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)孔卸壓技術(shù)卸壓效果更優(yōu)，雖然在理論上分段擴(kuò)孔卸壓排粉量?jī)H是原大直徑鉆孔卸壓技術(shù)的2倍，但實(shí)際工程應(yīng)用中，擴(kuò)孔施工后，分段擴(kuò)孔卸壓的鉆孔效應(yīng)更加明顯，煤體塌孔排粉量遠(yuǎn)超理論值，產(chǎn)生更好的卸壓效果。支護(hù)體系影響上，新擴(kuò)孔卸壓技術(shù)只需考慮避免煤體自燃，因此僅用炮泥封口即可，不需要對(duì)封孔進(jìn)行加固處理，避免了封孔質(zhì)量對(duì)巷道支護(hù)效果的影響。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，與大直徑鉆孔卸壓技術(shù)相比，擴(kuò)孔卸壓對(duì)維護(hù)巷道支護(hù)和控制圍巖變形具有良好的效果。

表2 鉆孔卸壓技術(shù)對(duì)比

4.2 一孔多用卸壓技術(shù)對(duì)比

“一孔多用”技術(shù)與常規(guī)卸壓技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。采用常規(guī)卸壓技術(shù)時(shí)，每百米巷道需要施工大直徑鉆孔62.5 個(gè)，施工注水孔2.5 個(gè)。采用“一孔多用”技術(shù)時(shí)，每百米巷道需要施工“鉆+壓+注”鉆孔8.3 個(gè)，施工“鉆+壓+注”鉆孔25 個(gè)，每百米鉆孔總數(shù)為常規(guī)卸壓技術(shù)的51%。假設(shè)以每個(gè)鉆孔的鉆進(jìn)體積近似代表鉆孔施工工作量，則采用“一孔多用”卸壓技術(shù)時(shí)，每百米總鉆進(jìn)量為常規(guī)卸壓技術(shù)的66%，提高了卸壓施工效率。

表3 “一孔多用”技術(shù)對(duì)比

4.3 沿空順槽跨面超前預(yù)卸壓技術(shù)效果分析

通過(guò)在5306 皮帶順槽向5307 工作面沿空順槽方向超前施工卸壓鉆孔，并采取爆破斷頂措施，降低了5307 軌道順槽掘進(jìn)期間的采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響，同時(shí)削弱5306 工作面及5307 工作面回采期間初次來(lái)壓及“見(jiàn)方”影響區(qū)域的來(lái)壓強(qiáng)度，減少5307 軌道順槽沿空段大直徑卸壓孔工程量，有效避免沿空順槽掘進(jìn)期間的停頭卸壓影響，達(dá)到削弱兩個(gè)工作面三個(gè)階段沖擊危險(xiǎn)程度的目的，保證了工作面接續(xù)及正常生產(chǎn)。

5307 軌道順槽進(jìn)入沿空前完成了預(yù)卸壓，為5307 軌道順槽里段掘進(jìn)留出14 m 的卸壓保護(hù)帶，避免了5307 軌道順槽在掘進(jìn)過(guò)程中停頭卸壓，在確保安全的前提下保證掘進(jìn)效率。在此基礎(chǔ)上可優(yōu)化5307 軌道順槽里段生產(chǎn)幫大直徑卸壓孔的參數(shù)，減少大直徑鉆孔施工個(gè)數(shù)，在保證安全生產(chǎn)的前提下減少了工程量，節(jié)省了資金。

4.4 多空間遞進(jìn)式防沖技術(shù)體系應(yīng)用

依據(jù)沖擊地壓模型確定沖擊啟動(dòng)集中靜載荷源與動(dòng)載荷源，建立分源監(jiān)測(cè)及綜合預(yù)警系統(tǒng)，利用兩中心、一平臺(tái)開(kāi)展防沖大數(shù)據(jù)研究，形成可靠的多參量耦合預(yù)警系統(tǒng)。以綜合預(yù)警平臺(tái)四級(jí)預(yù)警為基礎(chǔ)，有針對(duì)性采取限產(chǎn)、停產(chǎn)、卸壓解危措施，及時(shí)消除沖擊地壓隱患。根據(jù)危險(xiǎn)等級(jí)實(shí)施高靜載煤體深淺多級(jí)卸壓、一孔多用卸壓技術(shù)、堅(jiān)硬頂板定向斷頂及跨面預(yù)卸壓、底板卸固耦合等解危技術(shù)，并采用鉆屑法或微震監(jiān)測(cè)法對(duì)卸壓效果進(jìn)行檢驗(yàn),確認(rèn)鉆屑法檢驗(yàn)煤粉量不超標(biāo)或微震事件釋放能量降低后，方進(jìn)行采掘作業(yè)。

5 結(jié)語(yǔ)

1）研發(fā)了分段擴(kuò)孔卸壓技術(shù)。在巷幫淺部區(qū)域采用常規(guī)鉆頭鉆進(jìn)小孔徑鉆孔，在深部區(qū)域更換擴(kuò)孔鉆頭鉆進(jìn)大直徑鉆孔；施工效率提高至1.4 倍。

2）研發(fā)了淺孔“鉆+切”和深孔“鉆+壓+注”一孔多用技術(shù)，每百米鉆孔總數(shù)為常規(guī)卸壓技術(shù)的51%，每百米總鉆進(jìn)量為常規(guī)卸壓技術(shù)的66%，大幅度較少了鉆孔工作量，提高了卸壓施工效率。

3）為實(shí)現(xiàn)沿空順槽的提前卸壓，提出了沿空順槽定向斷頂-跨面預(yù)卸壓技術(shù)，即：在該工作面順槽定向斷頂，減小該工作面及鄰近工作面來(lái)壓強(qiáng)度；該工作面順槽向下一工作面施工加長(zhǎng)版大直徑鉆孔技術(shù)，提前進(jìn)行預(yù)卸壓；跨面預(yù)卸壓技術(shù)達(dá)到了削弱兩個(gè)工作面三個(gè)階段沖擊危險(xiǎn)程度的目的。

4）構(gòu)建了千米深井沖擊地壓多空間遞進(jìn)式預(yù)卸壓技術(shù)體系。