急傾斜深埋巨厚煤層掘巷沖擊地壓前兆特征及其災害防治

來興平 ， 賈 沖 ， 胥海東 ， 崔 峰,3 ， 劉旭東 ， 王 昊 ， 陸長亮 ， 張隨林 ， 何仕鳳

(1.西安科技大學 能源學院, 陜西 西安 710054；2.西安科技大學 教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室, 陜西 西安 710054；3.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室, 陜西 西安 710021；4.國家能源集團 新疆能源有限責任公司, 新疆 烏魯木齊 830002)

隨著西部煤炭基地逐步進入深部開采，“高地應力、高溫度、高滲透壓”地質環境導致巖石的組織結構、基本力學特征和工程響應發生變化[1-4]，易于誘發沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災害。

目前諸多學者在沖擊地壓方面開展了大量研究，其中，在沖擊地壓的前兆特征及其發生機理的研究方面，袁亮[5]建立了全鏈條跨尺度多參量預警指標體系，獲得了沖擊地壓的多參量前兆信息時空演化規律。趙毅鑫等[6]討論了工作面開采誘發沖擊地壓前兆信息特征。王宏偉等[7-8]以能量場激增滯后現象為斷層失穩前兆特征，將其做為沖擊失穩的前兆信息之一。成云海等[9]通過微震破裂事件空間分布特征，揭示了部分礫巖斷裂導致的沖擊地壓發生機制。張全等[10]研究發現深部煤層采動易造成上覆多關鍵層協同斷裂運動，使得巖層中積聚的彈性應變能被瞬間釋放而誘發沖擊地壓。潘俊鋒等[11]發現上覆厚硬頂板長梁式懸臂與下沉造成巷間煤柱靜載荷高度集中，直至斷裂產生了誘發沖擊的動載荷。宮鳳強等[12]借鑒系統工程學思想提出了沖擊地壓“人-煤-環” 三要素機理。朱斯陶等[13]揭示了硬煤在軟煤破壞邊緣產生剪應力集中，進而容易誘發沖擊地壓。王高昂等[14]揭示了工作面“煤柱-關鍵層”結構失穩型沖擊地壓發生機理。魏東等[15]將相鄰采空區震動機理歸結為低位、高位亞關鍵層回轉滑移失穩與主關鍵層極限破斷失穩多種形式。

對于沖擊地壓礦井的安全性而言，保證了巷道安全就保證了整個礦井安全[16]。在巷道掘進的沖擊地壓災害綜合治理方面，康紅普等[17]研發出分段水力壓裂卸壓技術與設備，形成了巷道支護-改性-卸壓協同控制技術。高明仕等[18]構建了錨桿索主動支護+液壓抬棚減跨強力支護+卸壓防沖弱結構組成的“內支-外卸”組合技術。謝生榮等[19]提出了大斷面煤巷圍巖外錨-內卸的控制方法。付玉凱等[20]通過優化支護材料與支護參數設計，形成對巷道有效控制的協同防沖吸能作用。吳擁政等[21]分析了動、靜疊加載荷與莫爾圓間的相互作用關系，提出了深部沖擊地壓巷道協同防控原理。張俊文等[22]通過壓實限側矸石高承載作用、三角煤柱高穩定性實現承擔關鍵塊靜載，維護巷道安全掘進。

以上學者對沖擊地壓發生的前兆特征及其發生機理進行了深入研究。但相關研究基本以近水平或緩傾斜煤層為主，對急傾斜煤層研究相對較少。伴隨著礦井開采深度增大，沖擊地壓發生的頻次與強度隨之增加。鑒于急傾斜煤層開采深度較淺時，煤巖體彎曲加載的能量積蓄使其存在深部開采的力學狀態，且開采深度增加過程中的能量釋放程度逐漸增大[23-25]。為此，筆者以烏東煤礦急傾斜巨厚煤層巷道掘進為研究對象，采用現場監測與數值模擬實驗方法，對巷道掘進過程中沖擊地壓發生前兆及其發生機理進行研究。旨在形成適用于急傾斜巨厚煤層巷道安全掘進的沖擊地壓災害防治策略，為急傾斜巨厚煤層巷道安全掘進提供科學指導。

1 工程背景

烏東煤礦位于準噶爾盆地南部邊緣，地處準南煤田東南段，其地勢南高北低，地表標高位于+739.2～+934.0 m。其急傾斜巨厚煤層水平分段綜放開采賦存環境特征如圖1 所示，煤巖體平均傾角為87°，現主采的B1+2 煤層與B3+6 煤層結構簡單，平均厚度分別為28.00 m 與40.51 m。根據礦井地質資料、巖層分布及其物理力學參數，繪制出烏東煤礦南采區的急傾斜煤巖綜合柱狀圖及其基本物理力學參數如圖2 所示。除煤層外礦井巖性主要為灰質泥巖、細粒砂巖、粉砂巖及炭質泥巖。

圖1 急傾斜巨厚煤層水平分段綜放開采賦存環境特征Fig.1 Characteristics of occurrence environment of horizontal sublevel fully mechanized caving mining in steeply inclined extra-thick coal seam

圖2 急傾斜煤巖綜合柱狀及其基本物理力學參數Fig.2 Comprehensive histogram of steep coal and rock and its basic physical and mechanical parameters

2 層煤中間的巖柱自西向東逐漸變窄，厚度在50～110 m。礦井同一水平先采B3+6 煤層后采B1+2煤層，現階段進行+425 m 水平的工作面開采與+400 m水平的巷道掘進。綜放工作面采煤高度3 m，放煤高度22 m，回采后采空區內用黃土回填。其+400 m 水平B3 巷與B6 巷的掘進范圍上部為B3+6 煤層+425 m水平綜放工作面采后形成的采空區，下部為實體煤層，北側為煤層頂板，南側為中間巖柱。

2 急傾斜巨厚煤層巷道掘進的沖擊地壓時空前兆特征分析

考慮到微震作為一種動載擾動是沖擊地壓直接誘因，為此，筆者通過監測煤巖體破裂產生的微震能量定位，為沖擊地壓發生的時間空間前兆特征進行捕捉，并由巷道掘進歷史監測數據，進行沖擊地壓發生的前兆特征分析。

2.1 急傾斜巨厚煤層巷道掘進時間前兆特征

烏東煤礦特殊賦存與構造特征不同于常規傾角較小的煤巖層，其急傾斜巨厚煤層巷道以往掘進過程中，存在單個能量1×104J、單日累計能量不及1×105J便發生沖擊災害的情況。為此筆者以巷道歷史掘進過程中，單日累計能量達到1×105J 以上典型沖擊地壓發生信息加以統計，匯總出B3、B6 巷道歷史掘進過程中典型沖擊地壓，結果分別見表1、2，據此進行沖擊地壓發生前兆特征分析。

表1 B3 巷道歷史掘進過程中典型沖擊地壓統計Table 1 Statistics of typical rock burst during historical excavation of B3 roadway

表2 B6 巷道歷史掘進過程中典型沖擊地壓統計Table 2 Statistical table of typical rock burst during historical excavation of B6 roadway

沖擊地壓發生是動靜載共同作用的結果，歷次沖擊前都伴著1×103J 以上的微震發生[26]。為此本次借助微震的監測結果，通過單日微震事件總能量、總頻次、1×103J 以上微震事件數量、單日最大能量占比(占總能量的比例)統計，以沖擊地壓發生前10 d 以上的微震監測結果，繪制出B3、B6 巷道掘進沖擊地壓時間前兆特征分別如圖3、4 所示。

圖3 B3 巷道掘進沖擊地壓時間前兆特征Fig.3 Precursory characteristics of rock burst time in B3 roadway excavation

+450 m 水平B3 巷道掘進895.0 m 的沖擊地壓發生前1 d 出現連續4 d 微震總能量較低值；前1 d 出現連續5 d 微震總頻次較低值；前5 d 的1×103J 以上微震事件數量較低，均不超過2 個；沖擊地壓發生前5 d微震事件僅為單日最大能量，即前5 d 的微震事件僅為1 個。+425 m 水平B3 巷道掘進的沖擊地壓發生前第2～5 天出現微震總能量的極低值；同時發生前第2～3 天存在微震頻次峰值，或沖擊地壓發生前5 d 存在連續4 d 的微震頻次遞增趨勢；沖擊地壓發生前6 d 出現連續3～5 d、1×103J 以上微震事件數量的遞增趨勢；前4～5 d 存在單日最大微震事件能量值占比發生明顯波動，其中至少存在3 d 的占比波動變化量大于0.11。

+450 m 水平B6 巷道掘進620.0、629.0 m 的沖擊地壓發生，分別在發生前第4 天、第2 天出現微震總能量的極低值；前第3 天、第4 天出現微震事件的頻次峰值以及1×103J 以上微震事件數量峰值；該2 次沖擊地壓發生前5 d 單日最大能量值占比發生明顯波動，且前5 d 占比變化量均大于0.15。+425 m 水平B6 巷道掘進的沖擊地壓發生前第2～4 天出現微震總能量的極低值；前第2～3 天存在微震頻次峰值，或前4 d 存在至少3 d 的微震頻次遞增趨勢，或前1 d 出現連續6 d 的微震低頻次；沖擊地壓發生前4 d 出現1×103J 以上微震事件數量的遞增趨勢，或前第3 天存在明顯的1×103J 以上微震事件峰值，或出現連續5 d 1×103J 以上微震事件數量較低值；沖擊地壓發生前4～5 d 存在單日最大微震事件能量占比發生明顯波動，其中至少3 d 的占比波動變化量大于0.10。其+400 m水平B6 巷道掘進535.4 m 的沖擊地壓發生前兆特征同樣符合+425 m 水平B6 巷道掘進時的前兆異常規律。

通過以上分析，得到急傾斜巨厚煤層巷道掘進的沖擊地壓發生時間前兆特征統計見表3。其沖擊地壓發生前第2～5 天出現微震總能量的極低值，或前1天出現連續4 d 微震總能量較低值。沖擊地壓發生前7 d 存在3～5 d 的微震事件明顯遞增趨勢，或前3～4 d 存在事件數量峰值，或前1 天出現連續5 d 的微震總頻次較低值。1×103J 以上微震事件數量在大能量發生的前1～3 d 存在連續3～5 d 遞增趨勢，或前1 天出現連續5 d 的微震總頻次較低值，或前3～4 d 存在明顯的峰值。沖擊地壓發生前5 d 的單日微震事件數量或僅有1 個，或沖擊地壓發生前微震最大能量占總能量比值波動明顯，其前5 d 至少存在3 d的占比變化量大于0.10。

表3 急傾斜巨厚煤層巷道掘進的沖擊地壓發生時間前兆特征統計Table 3 Statistical table of precursor characteristics of rock burst occurrence time in roadway excavation in steeply inclined extra-thick coal seam

2.2 急傾斜巨厚煤層巷道掘進空間前兆特征

在工作面發生微震能量達到105J 時，常進入嚴重危險狀態。本次以巷道掘進過程中，+425 m 水平B3 煤層開采至286.2 m、+400 m 水平B6 煤層開采至535.4 m 的單個微震能量達到1×105J 時為例，進行急傾斜巨厚煤層巷道掘進過程中沖擊地壓發生的空間前兆特征分析。

急傾斜巨厚煤層巷道掘進微震空間分布特征如圖5 所示，B3 巷道微震事件明顯分布于中間巖柱一側，而B6 巷道掘進的微震事件較均勻分布于巷道兩側。+425 m 水平B3 巷道掘進至286.2 m 過程中，1×103J 以上能量占比明顯大于+400 m 水平B6 巷道掘進，且其微震事件數量較少，由此表明急傾斜中間巖柱影響下，靠近巖柱的B3 巷道伴隨的煤巖破斷及其裂隙擴展更為劇烈。在+425 m 水平B3 巷道掘進至286.2 m 的沖擊地壓發生前存在明顯缺震現象，其5.1×105J 大能量位置集中分布在其低密度區間靠近巷道臨空面的邊緣。B6 巷道掘進于沖擊地壓發生前的工作面兩側均存在明顯低密度區域，其5.5×105J 大能量事件發生在低密度區域中間位置。

圖5 急傾斜巨厚煤層巷道掘進微震空間分布特征Fig.5 Spatial distribution characteristics of microseisms in roadway excavation in steeply inclined extra-thick coal seam

為進一步掌握沖擊地壓發生的空間前兆變化特征，以10 m 為單位區間，B1 巷道巷口為原點，由微震震源及其能量-頻次監測結果，繪制出沖擊地壓發生的微震能量-頻次分布特征如圖6 所示，其中圖6(a)、(c)分別為2016-09-11 B3 巷道沖擊地壓發生前走向、傾向方向的微震能量-頻次特征，其沖擊地壓分別發生于9 月11 日與9 月17 日。

圖6 沖擊地壓發生的微震能量-頻次分布特征Fig.6 Characteristics of microseismic energy-frequency distribution of rock burst

B3 巷道掘進沖擊地壓發生前走向方向能量變化存在明顯的“M 型”變化特征，巷道掘進存在3 處明顯的微震能量極值區間，掘進工作面繼續開挖的沖擊顯現位置(129.5、161.6 m)分別位于微震能量極小值區間及其邊緣區域，其161.6 m 處沖擊地壓發生前160～170 m 內微震頻次為5 個，存在微震頻次極小值；傾向方向沖擊地壓發生在100.3、144.5 m 位置處，位于2處微震能量極小值區間內。B6 巷道掘進的“M 型”變化趨勢中部位置存在明顯的微震能量極小值區間，其位置為610～620 m 內，該區域的微震能量為5 046.4 J，掘進工作面繼續開挖的沖擊地壓發生位置(617.4 m)位于該微震能量極小值區間。傾向方向存在2 處明顯的微震能量極小值區間，其中160～170 m 的微震能量為4 799.9 J，明顯小于210～220 m 內24 635.4 J的微震能量，沖擊地壓發生在傾向方向169.7 m 處，位于能量值較小的160～170 m 內。

本次引入沖擊變形能指數計算方法，對+425 m 水平B3 巷道走向方向20～288 m、+400 m 水平B6 巷道走向方向511～783 m 內的沖擊變形能指數加以計算，繪制出急傾斜巨厚煤層巷道掘進沖擊變形能指數的空間分布特征如圖7 所示。B3 巷道掘進至286.2 m的沖擊地壓發生在129.5 m 且靠近巷道的位置，該處沖擊顯現位置的沖擊變形能指數相對較高，分布區域內的沖擊變形能指數約為-1.5。B6 巷道掘進至535.4 m的沖擊地壓發生在617.4 m 且處于B3+6 煤層中部，該處較高的沖擊變形能指數約為-1.6。因而，急傾斜巨厚煤層巷道掘進產生的沖擊顯現位置位于沖擊變形能指數較高的危險區域。

圖7 巷道掘進沖擊變形能指數的空間分布特征Fig.7 Spatial distribution characteristics of impact deformation energy index in roadway excavation

沖擊地壓發生前存在明顯缺震現象，其發生位置集中分布在距離掘進工作面較近的微震能量極小值區間范圍內，或位于微震能量極值區間附近的微震頻次極小值區間范圍內，其走向方向10 m 區間范圍內能量極小值區間的微震能量普遍小于3.5×104J，且急傾斜巨厚煤層巷道掘進所產生的沖擊顯現位置位于沖擊變形能指數較高區域。

3 急傾斜巨厚煤層巷道掘進的沖擊地壓孕育機理分析

鑒于有限元模擬軟件具有較好的應力與應變能密度漸變特征，本次采用FLAC3D 數值計算模擬分析方法，對巷道掘進進行模擬計算，從巷道掘進過程中的圍巖與采場的應力及其能量分布情況，揭示急傾斜巨厚煤層巷道掘進的沖擊地壓孕育機理。

3.1 急傾斜巨厚煤層巷道掘進模型構建

由現場地質資料與巖層柱狀圖進行模型構建，并采用圖2 所示基本物理力學參數。本次數值模型頂部未模擬至地表，上表面施加10.0 MPa 邊界初始垂直應力，初始重力加速度為9.8 m/s2，水平方向施加初始梯度應力，上表面未進行邊界限定，其余邊界表面均設置允許變形量為0.2 m，用以限制模型位移。急傾斜巨厚煤層巷道掘進模型如圖8 所示，模型外形尺寸(長×寬×高)為180 m×500 m×75 m。

圖8 急傾斜巨厚煤層巷道掘進模型構建Fig.8 Construction of roadway driving model in steeply inclined extra-thick coal seam

模型構建按照礦井實際情況進行巷道布置，其中B3、B6 巷道布置在B3+6 煤層兩側的+425 m 與+400 m水平?？紤]到現場采掘接續情況，模擬計算依次進行+425 m 水平B6 巷道、B3 巷道、B2 巷道以及B1 巷道的掘進，并在+425 m 水平B3+6 煤層工作面開挖計算并充填后，進行+400 m 水平的B6 巷道、B3 巷道掘進以及+425 m 水平B1+2 煤層工作面開挖。通過數值模擬計算，進行急傾斜巨厚煤層巷道掘進的應力集中與能量積聚特征分析。

3.2 急傾斜煤層巷道掘進的應力特征分析

模擬運算過程中，以+425 m 水平B3 巷道與B6巷道掘進以及+400 水平巷道位于+425 m 水平B3+6煤層及其采空區下方掘進為例，繪制出急傾斜巨厚煤層巷道掘進應力云圖分布特征如圖9 所示。

圖9 急傾斜巨厚煤層巷道掘進應力云圖分布特征Fig.9 Distribution characteristics of stress nephogram in roadway excavation in steeply inclined extra-thick coal seam

+425 m 水平B3 與B6 巷道掘進后，巷道兩幫存在明顯的應力集中，其B3+6 煤層的兩巷道中間區域應力明顯疊加，B6 巷道因頂部巖層的擠壓作用，使得巷道巖幫一側應力較大。在+400 m 水平B3 與B6 巷道掘進時，中間巖柱與B3+6 煤層頂板大面積懸空，使得+425 m 水平B3+6 煤層開采形成明顯的“雙翼形”集中應力分布區，同時其中間巖柱集中作用下的+400 m水平B3 巷道底板存在明顯的應力集中。+425 m 水平B1+2 與B3+6 煤層采空區下的巷道掘進過程中，B3 巷道靠近B1+2 煤層底板與中間巖柱的兩側均存在一定應力集中現象，伴隨著中間巖柱撬動影響，其B3+6 煤層巖柱側的應力集中明顯增加，最大垂直應力達到15.22 MPa，其+400 m 水平B3 巷道的底部集中應力向巖柱側偏移。

+425 m 水平B3 與B6 巷道掘進后的水平應力集中分布在巷道頂部與底部區域。+400 m 水平B3 與B6 巷道掘進時，因上部煤層采后，中間巖柱影響下的作用力向下傳導，使得+400 m 水平B3 巷道與B6 巷道的底部水平應力集中分布，且靠近中間巖柱的B3巷道下方集中應力更為明顯、范圍更大，其最大水平應力達到28.3 MPa；在位于+425 m 水平B1+2 與B3+6 煤層采空區下的巷道掘進過程中，+425 m 水平B1+2 煤層開采后，+400 m 水平B3 巷道上部水平應力得到有效釋放，使得B3 巷道底部集中應力峰值大小及其集中分布范圍明顯減小。

通過在+400 m 水平巷道下方2 m、+425 m 水平巷道上方2 m 處進行應力監測，繪制出+400 m 水平B3 巷道掘進后應力分布情況如圖10 所示。+400 m水平B3 巷道掘進時，因中間巖柱撬動影響，B3 巷道底部水平應力峰值達到28.22 MPa，較B6 巷道高約5.21 MPa；同時B3 巷道下方垂直應力峰值達到14.10 MPa，較B6 巷道高約4.19 MPa；+400 m 水平B3 巷道掘進時，+425 m 水平巷道上方2 m 位置處，因B3+6 煤層工作面開采形成中間巖柱與煤層頂板明顯的懸空現象，其采空區左右兩側垂直峰值應力分別達到12.94、13.54 MPa。

圖10 +400 m 水平B3 巷道掘進后應力分布情況Fig.10 Stress distribution of +400 m horizontal B3 roadway after excavation

3.3 急傾斜煤層巷道掘進的能量特征分析

在+400 m 水平B3 巷道掘進時，輸出其能量分布云圖，結合其應變能密度監測結果，繪制出+400 m 水平B3 巷道掘進能量演化趨勢如圖11 所示，其中圖11 分別為傾向、走向方向能量演化趨勢。+400 m水平巷道掘進時，傾向方向B3 巷道、B6 巷道底部均存在明顯的能量積聚現象，其傾向124 m 位置處B3巷道下方彈性能密度達到96.7 kJ/m3，較B6 巷道下方高約30.5 kJ/m3。

圖11 +400 m 水平B3 巷道掘進能量演化趨勢Fig.11 Trend diagram of excavation energy evolution of +400 m horizontal B3 roadway

+400 m 水平B3 巷道走向方向除巷道底部外，其掘進面前方也存在明顯的能量積聚現象，以模型y方向的126 m 處作剖面，其掘進工作面前方4 m 處的彈性能密度達到89.2 kJ/m3，較巷道下方高約11.9 kJ/m3。受上水平工作面采后大面積懸空的中間巖柱集中影響作用，B3 巷道底部能量積聚效應明顯大于相鄰B6巷道底部，同時B3 巷道掘進工作面前方因超前應力影響，其B3 巷道的掘進工作面前方能量積聚效應明顯大于巷道底部。

3.4 急傾斜煤層巷道掘進沖擊地壓發生機理

綜合以上急傾斜巨厚煤層巷道掘進的應力與能量變化情況分析，構建出急傾斜巨厚煤層巷道掘進沖擊地壓發生機理示意如圖12 所示。

圖12 急傾斜巨厚煤層巷道掘進沖擊地壓發生機理示意Fig.12 Schematic diagram of the mechanism of rock burst in roadway excavation in steeply inclined extra-thick coal seam

急傾斜巨厚煤層沖擊地壓礦井開采的頂底板巖層較為堅硬，其工作面采后急傾斜堅硬巖層的覆巖結構不易破斷，繼而形成堅硬巖層的長距離大范圍懸空結構。在煤層巷道掘進時，因上水平工作面開采形成的特殊煤巖層賦存結構，使得上水平采空區兩側垂直應力明顯集中。同時巷道掘進工作面前方超前應力與巷道底部應力亦存在明顯的應力集中現象，在頂板偏轉與中間巖柱撬動綜合影響作用下，急傾斜頂底板巖層相互擠壓，使得巷道掘進工作面前方及其巷道底部均存在明顯的水平應力集中。因急傾斜巨厚煤層巷道掘進存在上水平采空區兩側“雙翼型”應力集中，掘進工作面前方與巷道底部能量積聚顯著?，F場微震監測結果顯示，沖擊地壓發生前巷道掘進過程中的能量分布存在明顯的分區差異，微震能量的不均衡分布容易引起缺震區域內部或其周邊的大能量發生。隨著急傾斜巨厚煤層的持續開采，巷道掘進的深度不斷增加其應力集中進一步增強，使得急傾斜巨厚煤層巷道掘進的能量積聚更為突出。當局部能量集中超過沖擊顯現的能量臨界值，容易引起沖擊地壓等的動力災害事故。

4 急傾斜巨厚煤層巷道掘進沖擊地壓防治措施及其效果分析

4.1 急傾斜煤層巷道掘進沖擊地壓防治策略

通過沖擊地壓發生的前兆特征與發生機理分析，明確了巷道掘進多源防治對象，據此提出針對性的防治思路與防治方法，形成適用于急傾斜巨厚煤層巷道掘進的沖擊地壓防治策略如圖13 所示。

圖13 急傾斜巨厚煤層巷道掘進的沖擊地壓防治策略Fig.13 Prevention and control strategy of rock burst in roadway driving in steeply inclined extra-thick coal seam

急傾斜巨厚煤層巷道掘進前的上一水平工作面開采過程中，應通過爆破卸壓降低煤層兩側懸空巖體應力集中效應。在巷道掘進時，對巷道底部與迎頭位置進行大直徑鉆孔卸壓，使能量積聚區向遠離巷道的外圍轉移。并通過支護優化，加強巷道及其兩幫的支護強度。同時，在巷道斷面增加、淋水增大等區域，增加支護強調，并通過巷道架篷進行復雜區域重點防護，形成急傾斜巨厚煤層綜合防治措施。此外，在巷道掘進存在沖擊地壓發生的時空前兆特征時，及時停止巷道掘進并加強卸壓力度。

4.2 急傾斜煤層巷道掘進沖擊地壓防治措施

由B3+6 煤層開采的頂底板應力集中分布特征，對巖體卸壓方案優化完善，形成+425 m 水平B3+6 煤層開采爆破卸壓方案示意如圖14 所示。

圖14 +425 m 水平B3+6 煤層開采爆破卸壓方案示意Fig.14 Schematic diagram of blasting pressure relief scheme for B3+6 coal seam mining at +425 m level

通過巖深淺孔交替爆破后增大應力集中范圍、弱化應力集中程度。其炮孔排距布置的孔排距為10 m。對于掘進過程中巷道底部與掘進工作面前方的能量積聚現象，每日掘進期間在掘進工作面施工2 個卸壓孔，掘進工作面迎頭卸壓鉆孔位置距離巷道左右兩幫均為1.5～1.8 m 內，卸壓孔高度為巷道高度1.8～2.0 m內。同時，巷道底部每隔3 m 布置1 個大直徑卸壓鉆孔，鉆孔直徑150 mm，深度設計為12 m。

+400 m 水平B3 巷道優化調整支護方案如圖15所示。巷道原設計采用?22 mm×2 500 mm 的右旋螺紋鋼錨桿，變更為強度更高的?22 mm×2 800 mm 的左旋無縱筋CRMG700 螺紋鋼錨桿。巷道頂部?21.6 mm的錨索調整為?28.6 mm 加強錨索。同時在上水平B1+2 煤層工作面開采過程中，B3 巷道底部應力集中區域明顯偏向巖柱側巷幫，因而在巖柱側巷幫增加短錨索。

圖15 +400 m 水平B3 巷道優化調整支護方案示意Fig.15 Schematic diagram of optimal adjustment and support scheme of + 400 m horizontal B3 roadway

4.3 急傾斜巷道掘進沖擊地壓防治效果

在應用本次提出的急傾斜煤層巷道掘進沖擊地壓防治策略及其針對性的卸壓調控方案后，進行巷道支護優化方案現場應用。其防治措施應用前后現場巷道情況如圖16 所示。+400 m 水平B3 巷道卸壓調控后的原始支護階段存在巷幫不平整與局部擴幫的情況，在支護方案優化調整初期，急傾斜巨厚煤層巷幫趨于平整，在支護優化方案長時間應用后，巷幫及其巷道頂部整體平整。此外，在巷道淋水增大位置進行架篷，其巷道變形量均在20 cm 范圍內。

圖16 防治措施應用前后現場巷道情況Fig.16 On-site roadway situation before and after application of prevention measures

通過現場微震監測結果，繪制出+400 m 水平B3巷道掘進期間的微震能量頻次分布特征如圖17 所示。在+425 m 水平B3+6 煤層工作面開采進行爆破卸壓與原始支護方案結合大直徑鉆孔卸壓的巷道掘進過程中，單日最大能量降低至3.3×104J，+400 m 水平B3 巷道掘進過程中未發生105J 以上大能量，表明+400 m 水平B3 巷道掘進在原始支護方案進行卸壓調控后，未發生單日累計105J 以上的能量事件，卸壓調控下巷道掘進的大能量事件值明顯降低。

圖17 +400 m 水平B3 巷道掘進期間的微震能量-頻次分布特征Fig.17 Energy-frequency distribution characteristics of microearthquakes during driving of + 400 m horizontal B3 roadway

在2023 年3 月后的巷道支護方案優化調整應用后，巷道掘進過程中的平均單日累計微震能量2.2×103J、平均單日累計微震頻次4.9 個，較支護優化前平均單日累計微震能量4.8×103J、平均單日累計微震頻次9.4 個分別降低54.17%、47.87%，其103J 以上微震能量事件占比8.7%，較支護優化前下降1.0%，由此表明+400 m 水平巷道支護方案優化后的掘進過程中，單日累計微震能量與頻次較支護優化前均明顯降低，且使其103J 以上能量事件占比減小。

在急傾斜煤層巷道掘進深度持續增加后，通過現場頂底板爆破卸壓、巷道掘進工作面前方及底部大直徑鉆孔卸壓，在巷道掘進采用原始支護方案掘進時，未發生單日累計能量在105J 以上大能量事件，結合巷道支護方案優化調整，使得巷道掘進單日累計微震能量與頻次明顯降低，且103J 以上微震能量事件占比下降，巷道斷面整體平整，結合現場復雜區域的重點防護與前兆特征異常時及時停止巷道掘進并增加現場卸壓力度的防治措施綜合應用，實現了急傾斜巨厚煤層采掘深度增加后的巷道安全掘進。

5 結 論

(1)基于急傾斜巨厚煤層巷道掘進的微震監測分析，掌握了沖擊地壓發生多參量指標異常的時空前兆特征。急傾斜煤層巷道掘進沖擊地壓發生前第2～5天出現微震總能量極低值，或存在至少4 d 的能量潛伏期；前5 d 普遍存在3 d 以上最大能量占比高頻波動期。沖擊地壓發生前存在明顯缺震現象，其發生位置集中分布在距離掘進工作面較近的微震能量極小值區間范圍內，或位于微震能量極值區間附近的微震頻次極小值區間范圍內，且沖擊顯現發生位置的沖擊變形能指數相對較高。

(2)急傾斜巨厚煤層開采堅硬覆巖不易破斷，繼而形成懸空結構。巷道掘進前上水平的采空區兩側存在“雙翼型”垂直應力集中現象，受頂底板巖層相互擠壓，巷道掘進時掘進面前方與巷道底部應力明顯集中。在頂板偏轉與中間巖柱撬動綜合影響作用下，掘進工作面前方及其巷道底部均存在明顯的能量積聚現象。隨著巷道掘進深度增加其應力集中與能量積聚進一步增強，當局部能量集中超過沖擊顯現臨界值，容易引起沖擊地壓等的動力災害事故。

(3)由急傾斜巨厚煤層巷道掘進的沖擊地壓發生機理，形成急傾斜巨厚煤層巷道掘進的工作面爆破卸壓、巷道鉆孔卸壓與補強支護、復雜區域架蓬的沖擊地壓防治策略與措施。結合沖擊地壓時空前兆異常，為及時停止巷道掘進并增加現場卸壓力度提供時機。通過工作面與巷道卸壓使得掘進期間未發生單日累計105J 以上微震能量，在對支護優化調整與復雜區域重點防護后，巷道掘進日均微震能量降至2.2×103J，其103J 以上微震事件占比下降且巷道斷面整體平整。