陳國(guó)華，王顏亮，王朝引，韓 剛，呂玉磊，周 林，王 海

（1.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100083；3.中煤西北能源化工集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307；4.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

0 引言

對(duì)于沖擊地壓礦井而言，沿空巷道一直是重點(diǎn)防治區(qū)域[1-3]，這一區(qū)域的防治工作對(duì)于保障礦井的安全穩(wěn)定至關(guān)重要。近年來(lái)，在采掘期間，發(fā)生在沿空巷道內(nèi)的沖擊事故層出不窮，造成了巨大的人員損失和財(cái)產(chǎn)損失。而在沿空巷道掘進(jìn)期間，尤其是巷道貫通階段，沖擊地壓?jiǎn)栴}愈發(fā)凸顯。巷道貫通是一個(gè)關(guān)鍵的階段，需要采取一系列的措施來(lái)應(yīng)對(duì)沖擊地壓帶來(lái)的威脅[4-6]。為有效應(yīng)對(duì)沿空巷道掘進(jìn)貫通階段的沖擊地壓?jiǎn)栴}，眾多學(xué)者在巷道沖擊地壓發(fā)生機(jī)理、監(jiān)測(cè)及防治措施等方面開(kāi)展研究。在巷道沖擊地壓發(fā)生機(jī)理方面，潘俊鋒等[7]提出沖擊啟動(dòng)理論，認(rèn)為沖擊的載荷源分為內(nèi)因與外因，近場(chǎng)系統(tǒng)內(nèi)集中靜載荷的積聚是沖擊啟動(dòng)的內(nèi)因，遠(yuǎn)場(chǎng)系統(tǒng)動(dòng)載荷對(duì)靜載荷的擾動(dòng)、加載是沖擊啟動(dòng)的外因；翁明月等[8]以門(mén)克慶煤礦11-3106 工作面窄煤柱沿空巷道為工程背景，分析得到上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向固定支承壓力、本工作面移動(dòng)支承壓力及關(guān)鍵層破斷導(dǎo)致的“動(dòng)靜”加載是誘發(fā)窄煤柱臨空巷道沖擊顯現(xiàn)的關(guān)鍵因素；李康等[9]依托寬溝煤礦10203 工作面臨空巷道，分析得到臨空巷道發(fā)生沖擊的臨界條件，即采動(dòng)與構(gòu)造應(yīng)力疊加后形成的高靜載為沖擊致災(zāi)提供易滿(mǎn)足的應(yīng)力條件。在巷道沖擊地壓監(jiān)測(cè)及防治措施方面，朱斯陶等[10]以新疆硫磺溝煤礦復(fù)合厚煤層巷道掘進(jìn)為工程背景，開(kāi)發(fā)了適合復(fù)合厚煤層巷道了的基于“地音大事件”概念的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法；王澤東等[11]基于地音、錨索錨固力和鉆孔應(yīng)力的敏感性分析，分析了深部掘進(jìn)工作面沖擊地壓監(jiān)測(cè)多參量間的關(guān)聯(lián)性；董敬源等[12]結(jié)合7313 材料道地質(zhì)賦存條件、掘進(jìn)技術(shù)條件，針對(duì)性制定巷道迎頭頂板深孔爆破、巷幫加密鉆孔卸壓及控制掘進(jìn)速度的掘進(jìn)工作面沖擊地壓綜合性防治措施；蘇士杰[13]研究了21103 工作面過(guò)B4 背斜期間回風(fēng)巷圍巖變形破壞特點(diǎn)，對(duì)21103 回風(fēng)巷設(shè)計(jì)采用由上至下分階段四級(jí)高強(qiáng)卸壓方法，確保了過(guò)B4 背斜期間21103 工作面的安全回采。

具有沖擊地壓危險(xiǎn)的沿空掘巷工作面，由于其復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，導(dǎo)致巷道貫通階段防沖工作的難度增大，如何確保工作面安全科學(xué)貫通成為關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題?；诖?，對(duì)納林河二號(hào)礦井31120 沿空掘進(jìn)工作面貫通階段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及防治措施展開(kāi)研究，為保證類(lèi)似條件下沿空掘進(jìn)工作面貫通階段的安全施工具有重要意義。

1 工程概況

納林河二號(hào)礦井31120 工作面位于31 盤(pán)區(qū)北翼，西臨31121 工作面采空區(qū)，東臨31119 工作面實(shí)體煤，工作面傾向長(zhǎng)300 m，走向長(zhǎng)度2 614 m。31120 工作面回風(fēng)巷沿煤層底板掘進(jìn)且留設(shè)6 m 窄煤柱，煤層平均厚度6.3 m，煤層傾角1°～3°，煤層層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

根據(jù)礦方采掘接續(xù)計(jì)劃，31120 掘進(jìn)工作面選擇在回風(fēng)順槽貫通，掘進(jìn)順序?yàn)樽阅舷虮本蜻M(jìn)膠運(yùn)順槽→31121 采空區(qū)方向掘進(jìn)開(kāi)切眼→31120 主回撤方向掘進(jìn)回風(fēng)順槽，反掘至1 101 m 位置處停止掘進(jìn)，另一施工隊(duì)伍開(kāi)始沿31121 采空區(qū)留窄煤柱掘進(jìn)，掘進(jìn)方向?yàn)橹骰爻废蚯醒鄯较颍?022 年7 月18 日早班貫通，貫通點(diǎn)位于主回撤開(kāi)口向工作切眼方向1 513 m處，31120 工作面概況如圖1 所示。由圖1 可知，工作面上覆巖層分布，以工作面附近的NL15 鉆孔為例，工作面頂板巖層特征見(jiàn)表1。31120 工作面直接頂為4.30 m 厚的砂質(zhì)泥巖，基本頂為上覆10.94 m 粉砂巖和25.28 m 細(xì)粒砂巖。

表1 工作面頂板巖層特性表Table 1 Characteristics of the top rock layer of the working face

圖1 31120 工作面概況Fig.1 Overview of the 31120 working face

2 厚煤層掘進(jìn)工作面迎頭區(qū)沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理

2.1 迎頭區(qū)沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理研究

以掘進(jìn)工作面順槽圍巖塑性區(qū)演化特征為依據(jù)，將掘進(jìn)工作面分為迎頭區(qū)、塑性圈動(dòng)態(tài)演化區(qū)和塑性圈穩(wěn)定區(qū)[14]。掘進(jìn)工作面迎頭區(qū)前方超前支承壓力在局部煤體區(qū)域高度集中，當(dāng)集中應(yīng)力大于煤巖體強(qiáng)度，迎頭區(qū)前方煤體破壞，當(dāng)煤體破壞產(chǎn)生的沖擊力大于迎頭區(qū)煤體的阻抗力時(shí)，煤體沖出（此時(shí)，沖出煤體重力相對(duì)很小，可以忽略）。根據(jù)上述分析建立厚煤層掘進(jìn)迎頭區(qū)沖擊力學(xué)模型，如圖2 所示。圖2 中 σy為掘進(jìn)迎頭區(qū)前方煤體垂直應(yīng)力；τ1為順槽頂板對(duì)迎頭區(qū)前方煤體的阻力；τ2為順槽底板對(duì)迎頭區(qū)前方煤體的阻力；x為破壞煤體距迎頭區(qū)距離；khσy為破壞煤體上的沖擊力，其中，k為側(cè)壓系數(shù)，h為順槽高度。

圖2 厚煤層掘進(jìn)工作面迎頭區(qū)沖擊力學(xué)模型Fig.2 Impact mechanics model of the heading area of the tunneling working face of thick coal seam

根據(jù)厚煤層掘進(jìn)迎頭區(qū)的沖擊力學(xué)模型，其迎頭區(qū)沖擊力學(xué)條件見(jiàn)式（1）。

式中，Rc為迎頭區(qū)煤巖體強(qiáng)度，MPa。

順槽頂?shù)装鍖?duì)迎頭區(qū)前方煤體的阻力，按式（2）計(jì)算。

式中：c1為迎頭區(qū)煤體與頂板接觸面的黏聚力，MPa；φ1為迎頭區(qū)煤體與頂板接觸面的摩擦角，（°）；c2為迎頭區(qū)煤體與底板接觸面的黏聚力，MPa；φ2為迎頭區(qū)煤體與底板接觸面的摩擦角，（°）；x為破壞煤體距迎頭區(qū)距離，m。

對(duì)厚煤層掘進(jìn)工作面而言，其順槽頂板與底板大多數(shù)為煤體，故式（2）中區(qū)順槽頂?shù)装宓酿ぞ哿湍Σ两蔷∶后w參數(shù)，將式（2）優(yōu)化可得厚煤層順槽掘進(jìn)迎頭區(qū)沖擊力學(xué)條件，見(jiàn)式（3）。

由此可知，厚煤層掘進(jìn)工作面迎頭區(qū)發(fā)生沖擊地壓的機(jī)理主要為迎頭區(qū)前方煤體垂直應(yīng)力大于其煤體強(qiáng)度而產(chǎn)生破壞。當(dāng)破壞產(chǎn)生的沖擊力大于迎頭區(qū)煤體的阻抗力時(shí)，厚煤層順槽迎頭區(qū)發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。掘進(jìn)迎頭區(qū)前方煤體垂直應(yīng)力越大，迎頭區(qū)煤體阻抗力越小，迎頭區(qū)越容易發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。

2.2 巷道貫通階段迎頭區(qū)應(yīng)力狀態(tài)分析

兩相向掘進(jìn)的工作面迎頭區(qū)煤體應(yīng)力演化過(guò)程，如圖3 所示。由圖3 可知，工作面掘進(jìn)過(guò)程中，迎頭區(qū)煤體存在明顯的應(yīng)力集中。隨著相向掘進(jìn)的兩迎頭區(qū)之間距離的縮短，兩迎頭區(qū)超前支承壓力彼此疊加，造成迎頭區(qū)煤體應(yīng)力演化發(fā)生了顯著變化。

圖3 相向掘進(jìn)工作面迎頭區(qū)應(yīng)力演化Fig.3 Evolution of stress in the heading area of the opposite tunneling working face

在巷道貫通階段，隨掘進(jìn)工作面推進(jìn)，迎頭區(qū)前方煤體尺寸減?。╨1＞l2＞l3），煤體受疊加應(yīng)力擾動(dòng)影響加劇，煤體內(nèi)部應(yīng)力分布形態(tài)由“馬鞍”形向“單峰”形演化，應(yīng)力集中程度顯著升高（k3＞k2＞k1）。當(dāng)迎頭區(qū)前方煤體垂直應(yīng)力大于其煤體強(qiáng)度時(shí)，迎頭區(qū)一定深度區(qū)域內(nèi)的煤體產(chǎn)生破壞；當(dāng)破壞產(chǎn)生的沖擊力大于迎頭區(qū)煤體的阻抗力時(shí)，迎頭區(qū)前方煤體發(fā)生沖擊。

3 貫通階段迎頭滯后區(qū)域礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

隨著掘進(jìn)工作面推進(jìn)，相向掘進(jìn)的兩個(gè)工作面迎頭區(qū)煤體依次經(jīng)歷“未受疊加應(yīng)力擾動(dòng)階段”“疊加應(yīng)力擾動(dòng)初始階段”和“疊加應(yīng)力擾動(dòng)顯著階段”，掘進(jìn)迎頭區(qū)沖擊危險(xiǎn)程度隨之升高。因此，在巷道貫通階段，需加強(qiáng)對(duì)沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警工作，以合理確定兩迎頭區(qū)疊加應(yīng)力擾動(dòng)的影響范圍，即“掘進(jìn)貫通擾動(dòng)影響范圍”，并進(jìn)一步確定有效的迎頭區(qū)的防沖技術(shù)措施，以確保巷道的安全貫通。

地音信號(hào)是一種高頻、低能量的微弱震動(dòng)信號(hào)，對(duì)空間有限、擾動(dòng)小、應(yīng)力調(diào)整不明顯的掘進(jìn)工作面具有良好的適應(yīng)性，能夠有效反映掘進(jìn)工作面煤體的受力過(guò)程及圍巖的活躍程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)工作面沖擊危險(xiǎn)性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。因此，提出采用地音監(jiān)測(cè)的方法，分析了掘進(jìn)貫通階段迎頭滯后區(qū)域地音事件突增的范圍，進(jìn)而確定該范圍為掘進(jìn)貫通擾動(dòng)影響范圍。

3.1 地音監(jiān)測(cè)方案

為研究掘進(jìn)貫通擾動(dòng)影響范圍，選取三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面為研究對(duì)象，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面安裝三個(gè)地音檢波器，分別安裝在巷道實(shí)體煤側(cè)、窄煤柱側(cè)與頂板側(cè)，其中，第一監(jiān)測(cè)斷面與第二監(jiān)測(cè)斷面為常規(guī)掘進(jìn)區(qū)域，第三監(jiān)測(cè)斷面為貫通期間的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)第三監(jiān)測(cè)斷面與前兩個(gè)斷面的數(shù)據(jù)分析對(duì)比，研究掘進(jìn)貫通擾動(dòng)的影響范圍。三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面安裝位置如圖4所示。

圖4 地音監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝布置Fig.4 Installation layout of aconstic emission equipment

3.2 貫通擾動(dòng)影響范圍分析

對(duì)31120 工作面沿空掘巷滯后迎頭區(qū)范圍以40 m 進(jìn)行分區(qū)，不同區(qū)域范圍內(nèi)地音頻次與地音能量分布如圖5 所示。通過(guò)對(duì)正常掘進(jìn)期間與貫通期間對(duì)比分析可知，在正常掘進(jìn)期間滯后迎頭區(qū)0～160 m 后地音頻次與地音能量逐漸降低，而掘進(jìn)貫通期間滯后0～40 m 區(qū)域地音頻次和地音能量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，尤其在40～120 m 范圍內(nèi)開(kāi)始發(fā)生突增。據(jù)此規(guī)律分析得出：掘進(jìn)貫通期間距迎頭區(qū)60 m 時(shí)巷道掘進(jìn)進(jìn)入貫通影響區(qū)域，貫通擾動(dòng)影響范圍為距貫通點(diǎn)120 m。

圖5 不同區(qū)域地音事件頻次與能量分布Fig.5 Frequency and energy distribution of aconstic emission events in different regions

4 掘進(jìn)貫通階段卸壓措施及有效性分析

4.1 貫通階段卸壓措施方案設(shè)計(jì)

根據(jù)掘進(jìn)貫通階段迎頭滯后區(qū)域地音事件變化規(guī)律可知：巷道貫通期間出現(xiàn)相對(duì)較高的礦壓顯現(xiàn)情況。因此，設(shè)計(jì)對(duì)掘進(jìn)迎頭區(qū)采取多輪循環(huán)大直徑鉆孔卸壓的防沖措施。結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在掘進(jìn)貫通期間，共計(jì)采取5 輪鉆孔卸壓措施，卸壓鉆孔分布于沿空巷道掘進(jìn)迎頭區(qū)及實(shí)體煤幫，鉆孔施工孔徑為89 mm 和200 mm，窄煤柱側(cè)不予施工。貫通階段共計(jì)施工7 輪循環(huán)卸壓鉆孔，累計(jì)施工180個(gè)鉆孔，累計(jì)卸壓進(jìn)尺4 954 m。各循環(huán)貫通剩余距離及卸壓工程量，見(jiàn)表2。

表2 各循環(huán)貫通距離及卸壓工程量Table 2 The distance between each cycle and the amount of pressure relief work

4.2 卸壓措施有效性分析

貫通期間施工卸壓鉆孔總長(zhǎng)度對(duì)于總頻次和振幅影響如圖6 所示。由圖6 可知，通過(guò)對(duì)掘進(jìn)迎頭區(qū)的多輪卸壓措施，使得整體地音頻次與地音能量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，為巷道貫通提供了有力保障。

圖6 卸壓期間總頻次和總能量分布Fig.6 Total frequency and total energy distribution during pressure relief

分別對(duì)不同班次的地音頻次與地音能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在7 月2 日中班、7 月5 日早班和7 月8 日夜班進(jìn)行大直徑卸壓措施，在卸壓過(guò)程中煤體應(yīng)力得到釋放，出現(xiàn)能量與頻次升高的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)后續(xù)的幾輪卸壓措施中，掘進(jìn)貫通區(qū)域煤體應(yīng)力釋放能量較小，隨后貫通期間與常規(guī)掘進(jìn)期間穩(wěn)定區(qū)間基本相同，為沿空窄煤柱掘進(jìn)順利貫通、人員安全提供有效保障。具體大直徑卸壓循環(huán)施工時(shí)間段內(nèi)，第三監(jiān)測(cè)斷面每日各班次地音頻次與地音能量分布如圖7 和圖8所示。

圖7 第三監(jiān)測(cè)斷面卸壓期間每日各班次地音頻次Fig.7 Local acoustic frequency of each shift per day during pressure relief of the third section

圖8 第三監(jiān)測(cè)斷面卸壓期間每日各班次地音能量Fig.8 Local acoustic energy of each shift per day during pressure relief of the third section

5 結(jié)論

1）根據(jù)掘進(jìn)工作面順槽圍巖塑性區(qū)演化特征，分析厚煤層掘進(jìn)工作面迎頭區(qū)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，即在迎頭超前支承壓力作用下，迎頭區(qū)煤體發(fā)生破壞，且產(chǎn)生的沖擊力大于迎頭區(qū)煤體的阻抗力時(shí)，迎頭區(qū)發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。巷道貫通階段，相向掘進(jìn)的兩迎頭區(qū)超前支承壓力彼此疊加，導(dǎo)致迎頭區(qū)應(yīng)力集中程度顯著升高，從而使得迎頭區(qū)煤體沖擊危險(xiǎn)程度顯著升高。

2）分析掘進(jìn)貫通階段的迎頭區(qū)應(yīng)力演化過(guò)程，提出“掘進(jìn)貫通擾動(dòng)影響范圍”的概念。采用地音監(jiān)測(cè)的方法，分析掘進(jìn)貫通階段迎頭滯后區(qū)域地音事件突增的范圍，確定該范圍為掘進(jìn)貫通擾動(dòng)影響范圍。

3）針對(duì)貫通階段迎頭滯后區(qū)域地音事件突增的情況，制定了貫通階段掘進(jìn)迎頭區(qū)采取多輪循環(huán)卸壓的防沖措施。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)多輪卸壓措施，掘進(jìn)貫通區(qū)域煤體應(yīng)力釋放能量與常規(guī)掘進(jìn)期間穩(wěn)定區(qū)間基本相同，為沿空窄煤柱掘進(jìn)順利貫通、人員安全提供有效保障。