凌志强，赵 森，顿长健

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.陕西煤矿安全监察局咸阳监察分局，陕西 西安 710054；3.陕西彬长大佛寺矿业有限公司，陕西 咸阳 713500；4.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013)

冲击地压已经成为彬长矿区主要的地质灾害，区段煤柱区域是冲击地压显现的主要地点。对于冲击地压矿井，受采掘影响，煤柱区域往往受到多个高应力的叠加作用，导致煤柱附近易发生冲击地压，而冲击危险性分析与评价是冲击地压预防的基础。根据冲击地压启动理论，微震、地音系统能够连续监测煤岩体破裂而为冲击地压提供的动载荷[1-2]，锚杆索轴力能反映出巷道支护质量[3]，并可进一步分析区段煤柱所受静载荷的大小。根据区段煤柱宽度的不同，从冲击地压启动能量来源方面研究冲击地压相关参量的变化，进而确定冲击危险性并提出合理的冲击地压防治措施[4-8]。

1 工程背景

40103回风巷为大佛寺煤矿40103工作面回采巷道，其北侧为40103运输巷，南侧为40104灌浆巷及40104采空区。40104灌浆巷高3.5 m、宽4.0 m，采用向工作面埋管注黄泥浆的方法对40104采空区预防性灭火，当前已经封闭。40103回风巷与40104灌浆巷之间煤柱由20.0 m调整为8.0 m，与40104采空区区段煤柱由44.5 m调整为32.5 m。工作面煤层埋深平均408 m，平均煤厚15 m，直接顶为泥岩，老顶为粉砂岩，底板为铝质泥岩。40103工作面回风巷布置如图1所示，40103回风巷区段煤柱宽度变化后剖面如图2所示。

图1 40103回风巷平面布置示意图

图2 40103回风巷区段煤柱宽度变化后剖面图

2 煤柱宽度变化区冲击地压监测数据分析

ARAMIS M/E微震监测系统采用微震台网进行实时监测，通过提供震源位置和发生时间来确定微震事件及其释放的能量[9-10]，并结合微震事件分布的位置判断潜在的矿山动力灾害(冲击地压)活动规律，通过识别矿山动力灾害活动规律进行危险性分析和预警[11-14]。ARES-5/E地音监测系统监测小范围低位煤岩体破裂所产生的动载荷，能够对监测区域内的地音事件进行实时监测。

2.1 微震监测数据基本规律分析

对40103回风巷掘进期间调向前后微震监测数据进行统计分析，结果如表1所示。可以看出，40103回风巷调向后相较于调向前微震平均日频次和日能量均大幅度升高。

表1 40103回风巷调向前后微震事件统计

40103回风巷微震事件平面分布如图3所示，可见微震事件主要集中在40103回风巷掘进扰动区域。巷道调向前主要为1次方微震事件，占比达71%；调向后主要为2次方微震事件且多次出现3次方微震事件，占比达76%，并且巷道在掘进过程中，现场煤炮现象频繁，顶板较破碎。

图3 40103回风巷微震事件平面分布图

通过上述分析可知，40103回风巷区段煤柱变化后，40103回风巷与40104采空区之间区段煤柱为32.5 m，40103回风巷与40104灌浆巷之间巷间煤柱宽度为8.0 m，微震事件频发，能量大幅度增加，冲击危险性增大，且8.0 m的巷间煤柱造成巷道围岩稳定性较差，削弱了煤柱的承载能力及稳定性。

2.2 微震活动揭示冲击危险区域

40103回风巷区段煤柱宽度变化区域微震能量分布云图如图4所示，图中红色区域微震能量较高，蓝色区域微震能量较低。红色区域主要分布在煤柱宽度变化后位置，区段煤柱宽度变化后微震能量E升高，冲击危险性增强。

图4 40103回风巷微震能量分布云图

2.3 地音监测数据基本规律分析

在40103回风巷掘进过程中使用地音探头监测围岩微小破裂事件，探头距工作面30 m，随着巷道掘进，当工作面距探头110 m时，将探头移至工作面30 m位置，以此方式循环移动。地音偏差值曲线如图5所示，由图5可知，根据相对应的地音预警规则，2020-12-08至2020-12-13期间地音频次和能量偏差值均明显上升且呈波动状态，地音预警危险等级升高。从时间分布上来看，40103回风巷区段煤柱由44.5 m调整为32.5 m期间地音频次和能量偏差值显著升高。

图5 40103回风巷地音偏差值曲线

通过上述分析可知，区段煤柱调整后40103回风巷区段煤柱应力升高，在高应力区内掘进时，应力集中所积聚的弹性能在40103回风巷与40104采空区相互扰动条件下释放，巷道的冲击危险性增高。

3 煤柱宽度变化区锚杆索轴力数据分析

利用锚杆索无损检测仪对40103回风巷煤柱宽度变化区内的锚杆索进行无损检测，检测仪可以在没有损伤的情况下较为便捷地对锚杆索的工作轴力进行检测。

根据40103回风巷工程地质、开采条件和巷道支护等基础资料及井下施工条件，在巷道掘进稳定一段时间后，对3个不同区域开展现场锚杆索无损检测，40103回风巷锚杆索轴力无损检测位置图如图6 所示。为确保锚杆索施工质量，锚杆索机械化施工，质量监督员全程监督。

图6 40103回风巷锚杆索轴力无损检测位置图

区域1：巷道调向前区域，在巷道煤柱帮50 m范围内分别抽检20根锚杆和20根锚索。

区域2：巷道调向后区域，在巷道煤柱帮50 m范围内分别抽检20根锚杆和20根锚索。

区域3：采取防冲措施区域，在巷道煤柱帮50 m范围内抽检20根锚索。

上述3个区域地质条件基本相同，此次共对 2个区域40根锚杆和3个区域60根锚索的轴力进行检测，根据各个区域的轴力检测结果进行统计分析，去除偏差较大数据。40103回风巷锚杆索平均轴力统计如表2所示。

表2 40103回风巷锚杆索平均轴力统计

通过上述分析可知，区段煤柱调整后煤柱帮锚杆索轴力均有不同程度的增加，巷道调向前巷道支护质量最佳，巷道调向后巷道支护质量最差，32.5 m区段煤柱相比44.5 m区段煤柱承受更高的侧向支承压力，导致巷道应力集中，锚杆索长时间高负荷承载，会造成巷道支护受损，冲击危险性增大。

4 煤柱变化区冲击危险性升高的原因分析

煤柱宽度变化后，微震、地音监测到的事件能量和频次明显升高，40103回风巷煤柱宽度变化后冲击危险性增大。44.5 m和32.5 m不同宽度区段煤柱侧向支承压力分布情况如图7所示。

L—巷道与采空区的距离；σ—煤体应力；σ1—44.5 m煤柱区应力峰值；σ2—32.5 m煤柱区应力峰值。

由图7可知，44.5 m区段煤柱应力峰值σ1小于32.5 m区段煤柱应力峰值σ2;巷道调向后，煤柱两侧的应力进一步叠加，煤柱应力集中程度升高。由于44.5 m区段煤柱由44.5 m调整为32.5 m导致煤柱应力集中程度增加是40103回风巷冲击危险性升高的主要原因，并且由于20.0 m的巷间煤柱变为8.0 m，在近场围岩扰动的情况下，围岩体更加易破碎，进而导致围岩支护质量下降。

5 冲击地压防治实践

根据煤柱宽度变化后冲击地压相关参量变化情况，采取了巷道局部分源防治的技术措施，使巷道四周形成卸压区[15-20]，转移巷道四周的高静载荷，并有效防止动载荷诱发冲击地压，从而保证巷道围岩的稳定性。

1)弱化静载荷源

为了消除40103回风巷围岩掘进过程中积聚的静载荷源，在工作面、回采帮和底板采取卸压措施，卸压参数如图8所示。

图8 大直径钻孔参数设计

采用ø32 mm×200 g型炸药对工作面和回采帮爆破卸压，采用ø153 mm钻孔对底板卸压，转移和释放围岩静载荷源。

2)增强煤柱稳定性

40103回风巷煤柱帮采用注浆锚索，将锚索锚固段固定在深部围岩中，为张拉锚索产生预紧力提供可靠的锚根。注浆能封闭锚索孔，挤出孔内空气和水，防治锚索腐蚀，增强锚索的耐久性；浆液通过裂隙渗透到围岩体内部，固结围岩以增强围岩稳定性。

3)提高支护强度

将40103回风巷的两帮螺纹钢锚杆(长2.5 m、ø22 mm)更换成锚索(长3.5 m、ø21.8 mm)，通过锚索施加的预紧力可抵抗深部围岩变形和破坏，提高巷帮的支护强度。

6 防冲效果检验

采取上述冲击地压防治措施后，采用ARAMIS M/E微震监测系统和煤柱帮锚杆索轴力无损检测仪对40103回风巷冲击危险性进行效果检验。

对调向后的40103回风巷采取防冲措施前后的微震监测数据进行统计分析，结果如表3所示。

表3 40103回风巷采取防冲措施前后微震事件统计

相比两个时间段微震平均日频次和平均日能量，采取防冲措施后微震频次和能量均明显降低。

40103回风巷调向后，采取防冲措施后锚索轴力统计见表4，可以看出，巷道采取防冲措施后相比巷道调向后平均锚索轴力降低了30%，且处于合理区间。

表4 40103回风巷调向后、采取防冲措施后锚索轴力统计

通过上述分析可知，卸压措施有效降低了围岩内的静载荷，降低了巷道支护体的受力水平。通过采取针对性的防冲措施，实现了巷道的安全掘进。

7 结论

以大佛寺煤矿40103回风巷为例，根据冲击地压相关参量的变化情况，分析了冲击危险性的变化原因，并提出针对性的防冲措施。

1)采用微震、地音监测系统对特厚煤层区段煤柱宽度变化区进行了冲击危险性分析，并指出煤柱的变化是造成冲击危险性增大的主要原因。

2)以实测锚杆索轴力为参数，对40103回风巷支护质量进行了评价，巷道调向后支护质量最差。

3)经过分析，区段煤柱由44.5 m调整为32.5 m，导致采空区侧支承压力集中程度增加，20.0 m巷间煤柱变为8.0 m巷间煤柱导致2条巷道的侧向支承压力叠加且围岩体破碎，进而导致冲击危险性增强。

4)实施弱化静载荷源、增强煤柱稳定性和提高支护强度等防治措施，并通过微震事件相关参量的变化趋势和实测锚索轴力进行对比分析，对冲击地压防治措施效果加以验证，实现了40103回风巷安全掘进。