大埋深高應力煤巷幫部遞進式卸壓技術及應用

高久國 李振安

（1.山東唐口煤業有限公司，山東 濟寧 272055；2.濟寧市能源綜合執法支隊，山東 濟寧 272000）

沖擊地壓是煤礦開采的典型動力災害，且隨著煤炭開采深度的延伸，其災害頻次和強度逐漸增大[1]。為有效防治深部煤礦巷道沖擊地壓災害，國內外學者經過大量研究發現，影響巷道沖擊的主要因素包括圍巖本身物理特性、應力分布及支護強度[2]。單純加強支護的方法，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，改善圍巖應力分布成為防治巷道沖擊地壓的最有效途徑。其中，應力轉移理論作為沖擊地壓防治中重要的觀點得到了廣泛的關注。目前，基于應力轉移理論的沖擊地壓局部卸壓技術，常見的大直徑鉆孔卸壓技術，具有施工方便、成本低廉等優越性，得到廣泛的應用。Wen Y L 等[3]對沖擊地壓巷道鉆孔卸壓過程應力場的變化進行對比分析，指出卸壓效果主要取決于鉆孔直徑和分布間距。Thuro K 等[4]對各向異性巖石在鉆孔和切割過程中的斷裂擴展進行了研究。劉紅崗等[5]分析得到了巷道圍巖在動態載荷下損傷破壞發展的過程，對破壞過程中應力場重新分布過程進行了闡述。Huang B 等[6]研究了鉆孔參數對類巖石試樣基本力學參數的影響。王愛文等[7]對鉆孔煤樣破碎過程進行了分析，研究得到了其中的能量耗散規律。朱斯陶等[8]以巨厚煤層的工作面掘進狀態和卸壓區域為研究對象，揭示了大直徑鉆孔卸壓失效機理，提出了優化卸壓鉆孔布置方式的防治措施。Zhu S 等[9]采用應力和微震監測研究了鉆孔卸壓效果。由上述研究可知，巷道應力的轉移實質上是通過人工的方式將圍巖所處的應力環境進行降低或使巷幫應力分布發生改變，達到降低支承壓力峰值并向巷幫深部轉移的目的，來維持巷道長期穩定。

唐口煤業公司工作面開采普遍處于千米以上，地質構造復雜，開采范圍內煤巖體處于高應力環境。為了有效防控沖擊地壓災害，提出了分段擴孔卸壓技術、一孔多用卸壓技術、沿空順槽定向斷頂-跨面預卸壓技術等，并研究了相應的卸壓效果，構建了千米深井多空間遞進式防沖技術體系。

1 概況

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

表1 唐口礦典型工作面布置形式下沖擊啟動載荷源

530 和630 采區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，工作面沖擊的危險源為以自重應力和采動支承壓力為主的靜載荷源、以本采空區或鄰近采空區堅硬頂板斷裂為主的動載荷源。

2 高應力巷幫深淺多級卸壓技術

2.1 分段擴孔卸壓技術

高應力煤體卸壓技術中，大直徑鉆孔卸壓技術具有施工方便、成本低廉等優越性，得到廣泛的應用。研究表明：卸壓鉆孔孔徑越大則卸壓效果越好，但過大孔徑的鉆孔會使煤體破碎嚴重，從而喪失承載能力，容易造成巷道大變形甚至支護失效?？紤]到卸壓鉆孔長度范圍一般為15～20 m，而巷道支護范圍為巷幫深度3 m 左右，為了在不影響支護體系與巷道穩定的前提下達到良好的卸壓效果，提出了分段擴孔卸壓方法，即選取合適的擴孔鉆頭在巷幫淺部區間施工小直徑鉆孔，在巷幫深部區間施工大直徑鉆孔，如圖1。

圖1 分段擴孔卸壓技術示意圖

2.2 一孔多用卸壓技術

高應力煤體常采用大直徑鉆孔、鉆孔爆破、煤層注水等技術進行卸壓解危。在施工過程中都會進行鉆孔施工，對于高應力集中區域，一般會采用多種卸壓技術相結合的手段進行充分卸壓，導致煤體鉆孔密集分布、工程量大，且相鄰鉆孔間會相互影響，如注水孔可能通過卸壓孔漏水。因此，為了在保證充分卸壓的基礎上，提高施工效率，降低勞動強度，研發了一孔多用技術。

2.2.1 “鉆+壓+注”技術

“鉆+壓+注”一孔多用技術，為深孔卸壓技術，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”鉆孔卸壓過程示意圖

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

2）封孔：注水孔封孔采用深孔高壓限位注漿封孔技術進行封孔（封孔長度20 m）；

3）高壓注水：封孔器外接高壓注水管路，進行高壓注水作業，壓力不小于30 MPa，當壓力出現明顯降低，說明高壓水已經進入致裂煤層；

4）靜壓注水：長時靜壓注水，注水壓力不小于2 MPa。

2.2.2 “鉆+切”技術

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

圖3 “鉆+切”鉆孔卸壓過程示意圖

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

2）水力切縫：利用特制噴嘴鉆頭的沖擊水壓力切割煤層，同時監測控制閥上壓力表的壓力變化，當壓力出現明顯降低，說明高壓水已經進入煤層。

2.3 沿空順槽跨面超前預卸壓技術

為實現沿空順槽的提前卸壓，提出了沿空順槽定向斷頂-跨面預卸壓技術，在該工作面順槽定向斷頂，減小該工作面及鄰近工作面來壓強度。該工作面順槽向下一工作面施工加長版大直徑鉆孔，提前進行預卸壓，如圖4 所示。工程試驗表明，跨面預卸壓技術有效減少了下一工作面順槽的卸壓孔數量，鉆孔間距由1 m 優化為3 m，達到鄰近兩工作面頂板來壓、下一工作面順槽掘進支承壓力一次性削弱的目的，有效保證了工作面接續及正常生產。

圖4 沿空順槽定向斷頂-跨面預卸壓技術（m）

3 多空間遞進式防沖技術體系

唐口礦沖擊地壓防治堅持“宏觀調控、根源治理、主動防治、雙控雙贏”的防沖理念，宏觀上合理采場布置，優化開拓布局，避免孤立煤柱等區域性高應力集中條件形成。采取區域性治理措施消除沖擊地壓產生條件，以區域防范為先導，采取局部跟進的治理模式，深入落實個體防護措施，形成“宏觀→區域→局部→個體防護”的四級治理體系，建立了千米深井沖擊地壓多空間遞進式防沖技術體系，如圖5。

圖5 沖擊危險分源監測預警-遞進式卸壓解危技術體系

4 應用效果對比

4.1 分段擴孔卸壓技術應用效果

為了研究分段擴孔卸壓與常規大直徑鉆孔卸壓效果對比，在工作面進行了兩種方法的對比測試，測試結果見表2。與原大直徑鉆孔卸壓技術進行工程應用對比，在施工效率方面每米巷道分段擴孔卸壓的卸壓孔排粉量提高0.03 t，鉆孔數量減少一半，施工效率提高至1.4 倍。通過卸壓效果的對比，結合現場應力監測發現，擴孔卸壓技術卸壓效果更優，雖然在理論上分段擴孔卸壓排粉量僅是原大直徑鉆孔卸壓技術的2倍，但實際工程應用中，擴孔施工后，分段擴孔卸壓的鉆孔效應更加明顯，煤體塌孔排粉量遠超理論值，產生更好的卸壓效果。支護體系影響上，新擴孔卸壓技術只需考慮避免煤體自燃，因此僅用炮泥封口即可，不需要對封孔進行加固處理，避免了封孔質量對巷道支護效果的影響。經過現場觀測，與大直徑鉆孔卸壓技術相比，擴孔卸壓對維護巷道支護和控制圍巖變形具有良好的效果。

表2 鉆孔卸壓技術對比

4.2 一孔多用卸壓技術對比

“一孔多用”技術與常規卸壓技術對比見表3。采用常規卸壓技術時，每百米巷道需要施工大直徑鉆孔62.5 個，施工注水孔2.5 個。采用“一孔多用”技術時，每百米巷道需要施工“鉆+壓+注”鉆孔8.3 個，施工“鉆+壓+注”鉆孔25 個，每百米鉆孔總數為常規卸壓技術的51%。假設以每個鉆孔的鉆進體積近似代表鉆孔施工工作量，則采用“一孔多用”卸壓技術時，每百米總鉆進量為常規卸壓技術的66%，提高了卸壓施工效率。

表3 “一孔多用”技術對比

4.3 沿空順槽跨面超前預卸壓技術效果分析

通過在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 軌道順槽掘進期間的采空區側向支承壓力影響，同時削弱5306 工作面及5307 工作面回采期間初次來壓及“見方”影響區域的來壓強度，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期間的停頭卸壓影響，達到削弱兩個工作面三個階段沖擊危險程度的目的，保證了工作面接續及正常生產。

5307 軌道順槽進入沿空前完成了預卸壓，為5307 軌道順槽里段掘進留出14 m 的卸壓保護帶，避免了5307 軌道順槽在掘進過程中停頭卸壓，在確保安全的前提下保證掘進效率。在此基礎上可優化5307 軌道順槽里段生產幫大直徑卸壓孔的參數，減少大直徑鉆孔施工個數，在保證安全生產的前提下減少了工程量，節省了資金。

4.4 多空間遞進式防沖技術體系應用

依據沖擊地壓模型確定沖擊啟動集中靜載荷源與動載荷源，建立分源監測及綜合預警系統，利用兩中心、一平臺開展防沖大數據研究，形成可靠的多參量耦合預警系統。以綜合預警平臺四級預警為基礎，有針對性采取限產、停產、卸壓解危措施，及時消除沖擊地壓隱患。根據危險等級實施高靜載煤體深淺多級卸壓、一孔多用卸壓技術、堅硬頂板定向斷頂及跨面預卸壓、底板卸固耦合等解危技術，并采用鉆屑法或微震監測法對卸壓效果進行檢驗,確認鉆屑法檢驗煤粉量不超標或微震事件釋放能量降低后，方進行采掘作業。

5 結語

1）研發了分段擴孔卸壓技術。在巷幫淺部區域采用常規鉆頭鉆進小孔徑鉆孔，在深部區域更換擴孔鉆頭鉆進大直徑鉆孔；施工效率提高至1.4 倍。

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

3）為實現沿空順槽的提前卸壓，提出了沿空順槽定向斷頂-跨面預卸壓技術，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壓強度；該工作面順槽向下一工作面施工加長版大直徑鉆孔技術，提前進行預卸壓；跨面預卸壓技術達到了削弱兩個工作面三個階段沖擊危險程度的目的。

4）構建了千米深井沖擊地壓多空間遞進式預卸壓技術體系。