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摘 要 星村煤矿深部冲击矿压危险问题突出，掘进巷道有明显的矿压显现，甚至影响回采期间的使用。通过分析掘进期间矿压显现的各表现形式及影响矿压显现的突出因素，对防冲工作提出治理意见，充分释放围岩弹性能，形成稳定支护体系，防止过大有害变形。工程实践表明，该技术得到成功应用，保证了巷道的稳定。
关键词 千米深井；掘进；防冲
中图分类号：V355.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）17-0061-02
星村煤矿位于曲阜市陵城镇境内，井田范围：东起峄山断层，西至曲阜井田的31勘探线，北以F40断层为界，南以滋阳断层与兴隆庄井田和东滩井田相邻，面积约32.6 km2。星村煤矿自2003年建矿，2006年投产，同年10月达产，设计生产能力45万t/a，2009年核定生产能力90万t/a。
星村煤矿采用立井开拓，有主、副井和西风井3个井筒，副井进风兼辅助提升，主井回风兼箕斗提升，西风井为进风井，混合式通风，开拓及准备巷道均为三条，采用一进两回通风，其中轨道巷进风，回风巷及运输巷回风。矿井主采3煤层，煤层埋藏在-600～-1800 m，目前掘进巷道埋深均在1200 m以上。
1 矿压显现原因及治理
1.1 矿压显现的现象
千米深井掘进巷道在施工过程中受到原岩应力、构造应力及采掘活动的影响，会出现不同程度的矿压显现。掘进巷道的矿压显现包括巷道变形和煤、岩层的震动及其对支护体系的破坏。其中巷道变形包括两帮移近量、顶板下沉量及底板鼓起量。
1.2 影响矿压显现的因素
1.2.1 断层、褶曲、陷落带及其他地质构造
通过对3303、3308、3302工作面各综掘巷道和炮掘巷道的观测，巷道在施工至地质构造前后40 m范围内时，应力显现明显，震动能量及次数明显增加，震动造成的断锚杆（索）现象也随之频繁，较大断层的活动会导致煤岩层应力的重新分布，说明构造应力是影响矿压显现的重要因素之一。
1.2.2 煤质硬度及整体性
通过对东、西翼巷道掘进过程中的比较，东翼巷道两帮移近量一般在450 mm～500 mm后趋于稳定，顶板下沉量一般在300 mm～400 mm后趋于稳定；西翼巷道两帮移近量一般在250 mm～300 mm后趋于稳定，顶板下沉量一般在200 mm～250 mm后趋于稳定。西翼巷道变形明显较小，通过微震监测，西翼巷道在掘进过程中煤炮较少，震动能量较小，说明煤质硬度越小，整体性越差，矿压显现越明显，顶板控制难度越大，越容易造成片帮漏顶，但同时，煤质硬度越小，在使用大直径钻孔进行卸压时，塌孔现象越明显，卸压效果越好。
1.2.3 掘进方法
当使用炮掘方法进行掘进时，放炮能够释放部分弹性能，特别是在巷道拓宽及贯通期间，放炮能够使顶板因变形积聚的弹性能释放，不容易发生大面积顶板垮落事件；而综掘掘进时，割煤期间震动能量较大，次数较多，但在巷道扩宽及贯通期间，顶板垮落不彻底，从而造成煤、岩层变形积聚大量弹性势能，容易造成大面积顶板垮落事件及大面积破坏巷道整体支护现象。
1.2.4 掘进进尺及截割进度
通过对3303面运输顺槽、3302面轨道顺槽的监测分析，循环进尺越大，震动能量及次数越多。综掘掘进时，截割深度越大，震动能量及次数越多；在截割过程中，炮头活动频率越大，震动能量及次数越多。
1.2.5 巷道断面
3302轨道顺槽巷道高度由3.5 m变更为3.0 m，巷道宽度及支护体系保持不变，通过对3302轨道顺槽矿压观测结果分析，巷高3.5 m比巷高3.0 m段的顶沉量明显变小，而对其它巷道的观测结果显示，矿压显现的程度与巷道断面并不呈比例或相关关系，说明巷道断面对矿压显现有一定影响。
1.2.6 其他
支护体系也是决定矿压显现的一个重要因素，合理的支护要保证巷道存在一定弹性形变的前提下采用刚性支护。锚杆、锚索打设角度要合理，否则容易导致锚杆、锚索受较大剪切力而破断。
巷道布置与主应力方向一致，有利于巷道的维护，防治过大有害变形，但同时不利于弹性能的释放；掘进施工工艺的变化会导致在原来的巷道掘进中形成的较稳定体系遭到破坏，从而影响矿压显现。
掘进工作面受周围采掘活动的影响，开采条件越来越复杂，发生冲击地压的可能性也会增加；瓦斯含量也会影响冲击地压事故的发生，瓦斯膨胀能会对围岩的能量状态造成极大扰动，瓦斯的参与将更容易导致能量失稳。
采场的合理布置是防止冲击地压事故的有效方法之一，巷道密集区是发生冲击地压的高发地段，且巷道的掘进会导致原岩应力的重新分布，从而影响周围巷道掘进迎头的应力显现，所以应尽量避免距离较近的两条巷道同向掘进。
冲击地压是以突然、急剧、猛烈的形式释放煤岩体变性能，抛出煤岩体，造成支架损坏、片帮冒顶、巷道堵塞、伤及人员，并产生巨大的响声和岩体震动的现象，冲击地压已成为岩石地下工程和岩石力学领域的世界性难题。为避免冲击地压事故的发生，现煤巷掘进头采取的主要防冲措施有：落实监测手段及管理措施，采用锚网带+锚索+钢棚支护，采取多种卸压方式。
1.3 掘进期间监测措施
1.3.1 钻屑法
每天在掘进迎头使用钻屑法进行监测，钻屑孔深13 m，采用体积法和重量法两个指标进行比对，监测结果牌板公示。监测结果不超标方可掘进，超标时采用爆破卸压解危方式，解危后使用电磁辐射法及钻屑法进行监测，直至危险解除。
由于冲击地压事故一般发生在迎头后方，故对全巷道使用钻屑法进行抽检，迎头后300 m范围内一周抽检2次，迎头后300 m以外的范围每旬抽检一次，有效防止迎头后方出现冲击危险。 1.3.2 电磁辐射法
每天安排专人对掘进迎头及迎头后300 m范围进行电磁辐射法监测，监测结果牌板公示，监测结果不超标方可掘进，超标时采用爆破卸压解危方式，解危后使用电磁辐射法及钻屑法进行监测，直至危险解除。迎头后300 m范围外的巷道每周监测一次，监测异常区域使用钻屑法进行复检，以确定是否采取卸压措施。
1.3.3 矿压观测
矿压观测包括锚杆（索）承载力监测、顶板离层仪及布点观测巷道变形情况。掘进巷道每隔100 m布置一处锚杆（索）承载力监测点，每隔60 m安设一组顶板离层仪，每隔40 m布置一组巷道变形观测点。巷道变形观测包括顶板下沉量、底板鼓起量及两帮移近量，定期对观测点进行观测，观测结果集中分析，有异常及时采取有效措施进行处理。
1.3.4 应力在线监测
在每条煤巷掘进巷道安装超前应力在线监测预警系统，监测范围为巷道两帮，深度分别为12 m、17 m，两帮应力计交错布置，以实时监测巷道压力情况，压力有明显变化时，采用钻屑法进行复检，复检异常及时采取卸压措施。
1.3.5 微震监测
在每个掘进迎头至少安设一台拾震仪，采用波兰SOS微震监测系统对井下各掘进迎头进行微震监测，记录各掘进迎头震动发生情况，出现较大震动时，进行专门分析，分析内容包括震源位置、震动发生时的施工情况，震动发生原因及对支护的破坏情况等。
1.4 掘进期间预防措施
1.4.1 预防性卸压大孔
每次掘进前，对施工迎头打设直径110 mm的预防性卸压大孔，大孔深度不小于20 m，始终保持至少3.5倍巷高的卸压保护带；对巷道两帮打设110 mm的预防性卸压大孔，大孔深度不小于20 m，预防性卸压大孔外端使用黄泥封孔；经过一定周期后对巷道两帮采取二次卸压，二次卸压采用爆破方式，建立吸能区，
1.4.2 煤层短壁注水
使用钻屑法孔或卸压孔作为注水孔，外端使用封孔器，静压注水压力为3 MPa～6 MPa，注水标准为煤体全面湿润，封孔器使用膨胀式封孔器，封孔深度不小于0.5 m。
1.4.3 煤体爆破卸压
当迎头电磁辐射监测强度达到临危值的60%以上并且钻屑法监测接近或超过临危值，或当对两帮或迎头进行解危性大孔卸压效果不明显，结合微震监测情况，采用电磁辐射法或钻屑法复测仍然超标时，要采取爆破卸压解危。采用单孔深孔爆破卸压，每次建立超前不低于13 m的卸压保护带，允许掘进3排。爆破卸压解危参数如下：1）布孔高度：距巷道底板以上0.8 m～1.2 m；2）炮眼直径：φ42 mm；3）眼深：13 m；4）炮眼角度：与煤层坡度一致，垂直煤壁；5）每孔装药量：正常情况下每孔装φ27×400mm×300g×6卷煤矿许用二级水胶炸药（含炮头）。爆破孔装药量可根据现场煤体情况适当调整；6）装药结构：采用正向装药。联线方式：孔内并联、孔间串联；7）雷管：使用毫秒延期同段电雷管2发/孔，脚线长为13 m以上。8）药卷包裹：使用内径30 mm、壁厚为1 mm的pvc管包裹水胶炸药；9）炮眼要用黄泥封满，炮眼口用黄泥封好封实。
实施解危措施后，要及时进行电磁辐射法或钻屑法检测，检验卸压效果。经检测，电磁辐射法和钻屑法均小于临危值，并结合微震监测情况，卸压效果显著，没有冲击危险时，方可掘进。循环进度要求，可掘进一个循环或3排锚杆间距。迎头可恢复正常的超前大孔卸压。
爆破卸压装药结构示意图，如下所示。
1.4.4 底板爆破卸压
对于危险继续存在的区域，对巷道底板进行爆破卸压处理，使能量得到释放，降低底板的应力水平。在冲击危险区域内及前后50 m范围内，垂直巷道底板打直径42 mm，垂直深6 m的钻孔，全长封孔，孔间距5 m，每孔装药量8卷进行卸压爆破。
1.5 掘进期间管理措施
始终坚持“安全第一，预防为主，综合治理”的方针，坚持先卸后掘，先卸后采的原则，业务主管科室提前编制巷道防冲设计报上级主管部门组织专家论证，提出切实可行的意见，再由施工区队技术员编制掘进巷道专项防冲措施，全员贯彻考核合格后，方准井下作业。
另一方面对井下现场采取有效的预防措施：控制现场作业人数，线缆采取蛇形布置，防止冲击时破坏线缆而切断迎头人员的“生命线”；现场设置应急食品箱，保证受困人员有充足的水源及食物；巷道人行道侧挂设防冲网，防止锚杆、锚索破断伤人；现场所有物料采用一紧一松两道固定，防止冲击时物料弹出伤人。
通过以上措施，能够尽可能的为现场生产创造有利条件，保障现场人员的作业环境，尽量做到有震无灾。
2 结论
通过以上方面的分析，影响矿压显现的因素较多，为保证回采巷道的正常使用，在施工至地质构造时提前采取卸压措施，选取合理的掘进方法、巷道断面及支护体系，控制好掘进进尺及截割深度，执行好各项监测及预防措施，防止掘进巷道出现过大有害变形，进一步提高煤巷施工效率，保证煤矿的安全生产。
参考文献
[1]章梦涛.我国冲击地压预测与防治[J].辽宁工程技术大学学报，2001（4）.
[2]蓝航，潘俊锋，彭永伟.煤岩动力灾害能量机理的数值模拟[J].煤炭学报，2010，35（S1）.
[3]钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.
[4]窦林名，何学秋，王恩元，冲击矿压预测的电磁辐射技术及应用[J].煤炭学报，2004，29（4）.
[5]冀贞文，孙春江，姜福星.波兰煤矿冲击地压防治技术现状及分析[J].煤炭科学技术，2008，36（1）.
作者简介
王生超（1980-），男，汉族，工程师，学士学位，毕业于山东科技大学，采矿工程专业，山东省天安（大统）矿业有限公司星村煤矿总工程师。
关键词 千米深井；掘进；防冲
中图分类号：V355.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）17-0061-02
星村煤矿位于曲阜市陵城镇境内，井田范围：东起峄山断层，西至曲阜井田的31勘探线，北以F40断层为界，南以滋阳断层与兴隆庄井田和东滩井田相邻，面积约32.6 km2。星村煤矿自2003年建矿，2006年投产，同年10月达产，设计生产能力45万t/a，2009年核定生产能力90万t/a。
星村煤矿采用立井开拓，有主、副井和西风井3个井筒，副井进风兼辅助提升，主井回风兼箕斗提升，西风井为进风井，混合式通风，开拓及准备巷道均为三条，采用一进两回通风，其中轨道巷进风，回风巷及运输巷回风。矿井主采3煤层，煤层埋藏在-600～-1800 m，目前掘进巷道埋深均在1200 m以上。
1 矿压显现原因及治理
1.1 矿压显现的现象
千米深井掘进巷道在施工过程中受到原岩应力、构造应力及采掘活动的影响，会出现不同程度的矿压显现。掘进巷道的矿压显现包括巷道变形和煤、岩层的震动及其对支护体系的破坏。其中巷道变形包括两帮移近量、顶板下沉量及底板鼓起量。
1.2 影响矿压显现的因素
1.2.1 断层、褶曲、陷落带及其他地质构造
通过对3303、3308、3302工作面各综掘巷道和炮掘巷道的观测，巷道在施工至地质构造前后40 m范围内时，应力显现明显，震动能量及次数明显增加，震动造成的断锚杆（索）现象也随之频繁，较大断层的活动会导致煤岩层应力的重新分布，说明构造应力是影响矿压显现的重要因素之一。
1.2.2 煤质硬度及整体性
通过对东、西翼巷道掘进过程中的比较，东翼巷道两帮移近量一般在450 mm～500 mm后趋于稳定，顶板下沉量一般在300 mm～400 mm后趋于稳定；西翼巷道两帮移近量一般在250 mm～300 mm后趋于稳定，顶板下沉量一般在200 mm～250 mm后趋于稳定。西翼巷道变形明显较小，通过微震监测，西翼巷道在掘进过程中煤炮较少，震动能量较小，说明煤质硬度越小，整体性越差，矿压显现越明显，顶板控制难度越大，越容易造成片帮漏顶，但同时，煤质硬度越小，在使用大直径钻孔进行卸压时，塌孔现象越明显，卸压效果越好。
1.2.3 掘进方法
当使用炮掘方法进行掘进时，放炮能够释放部分弹性能，特别是在巷道拓宽及贯通期间，放炮能够使顶板因变形积聚的弹性能释放，不容易发生大面积顶板垮落事件；而综掘掘进时，割煤期间震动能量较大，次数较多，但在巷道扩宽及贯通期间，顶板垮落不彻底，从而造成煤、岩层变形积聚大量弹性势能，容易造成大面积顶板垮落事件及大面积破坏巷道整体支护现象。
1.2.4 掘进进尺及截割进度
通过对3303面运输顺槽、3302面轨道顺槽的监测分析，循环进尺越大，震动能量及次数越多。综掘掘进时，截割深度越大，震动能量及次数越多；在截割过程中，炮头活动频率越大，震动能量及次数越多。
1.2.5 巷道断面
3302轨道顺槽巷道高度由3.5 m变更为3.0 m，巷道宽度及支护体系保持不变，通过对3302轨道顺槽矿压观测结果分析，巷高3.5 m比巷高3.0 m段的顶沉量明显变小，而对其它巷道的观测结果显示，矿压显现的程度与巷道断面并不呈比例或相关关系，说明巷道断面对矿压显现有一定影响。
1.2.6 其他
支护体系也是决定矿压显现的一个重要因素，合理的支护要保证巷道存在一定弹性形变的前提下采用刚性支护。锚杆、锚索打设角度要合理，否则容易导致锚杆、锚索受较大剪切力而破断。
巷道布置与主应力方向一致，有利于巷道的维护，防治过大有害变形，但同时不利于弹性能的释放；掘进施工工艺的变化会导致在原来的巷道掘进中形成的较稳定体系遭到破坏，从而影响矿压显现。
掘进工作面受周围采掘活动的影响，开采条件越来越复杂，发生冲击地压的可能性也会增加；瓦斯含量也会影响冲击地压事故的发生，瓦斯膨胀能会对围岩的能量状态造成极大扰动，瓦斯的参与将更容易导致能量失稳。
采场的合理布置是防止冲击地压事故的有效方法之一，巷道密集区是发生冲击地压的高发地段，且巷道的掘进会导致原岩应力的重新分布，从而影响周围巷道掘进迎头的应力显现，所以应尽量避免距离较近的两条巷道同向掘进。
冲击地压是以突然、急剧、猛烈的形式释放煤岩体变性能，抛出煤岩体，造成支架损坏、片帮冒顶、巷道堵塞、伤及人员，并产生巨大的响声和岩体震动的现象，冲击地压已成为岩石地下工程和岩石力学领域的世界性难题。为避免冲击地压事故的发生，现煤巷掘进头采取的主要防冲措施有：落实监测手段及管理措施，采用锚网带+锚索+钢棚支护，采取多种卸压方式。
1.3 掘进期间监测措施
1.3.1 钻屑法
每天在掘进迎头使用钻屑法进行监测，钻屑孔深13 m，采用体积法和重量法两个指标进行比对，监测结果牌板公示。监测结果不超标方可掘进，超标时采用爆破卸压解危方式，解危后使用电磁辐射法及钻屑法进行监测，直至危险解除。
由于冲击地压事故一般发生在迎头后方，故对全巷道使用钻屑法进行抽检，迎头后300 m范围内一周抽检2次，迎头后300 m以外的范围每旬抽检一次，有效防止迎头后方出现冲击危险。 1.3.2 电磁辐射法
每天安排专人对掘进迎头及迎头后300 m范围进行电磁辐射法监测，监测结果牌板公示，监测结果不超标方可掘进，超标时采用爆破卸压解危方式，解危后使用电磁辐射法及钻屑法进行监测，直至危险解除。迎头后300 m范围外的巷道每周监测一次，监测异常区域使用钻屑法进行复检，以确定是否采取卸压措施。
1.3.3 矿压观测
矿压观测包括锚杆（索）承载力监测、顶板离层仪及布点观测巷道变形情况。掘进巷道每隔100 m布置一处锚杆（索）承载力监测点，每隔60 m安设一组顶板离层仪，每隔40 m布置一组巷道变形观测点。巷道变形观测包括顶板下沉量、底板鼓起量及两帮移近量，定期对观测点进行观测，观测结果集中分析，有异常及时采取有效措施进行处理。
1.3.4 应力在线监测
在每条煤巷掘进巷道安装超前应力在线监测预警系统，监测范围为巷道两帮，深度分别为12 m、17 m，两帮应力计交错布置，以实时监测巷道压力情况，压力有明显变化时，采用钻屑法进行复检，复检异常及时采取卸压措施。
1.3.5 微震监测
在每个掘进迎头至少安设一台拾震仪，采用波兰SOS微震监测系统对井下各掘进迎头进行微震监测，记录各掘进迎头震动发生情况，出现较大震动时，进行专门分析，分析内容包括震源位置、震动发生时的施工情况，震动发生原因及对支护的破坏情况等。
1.4 掘进期间预防措施
1.4.1 预防性卸压大孔
每次掘进前，对施工迎头打设直径110 mm的预防性卸压大孔，大孔深度不小于20 m，始终保持至少3.5倍巷高的卸压保护带；对巷道两帮打设110 mm的预防性卸压大孔，大孔深度不小于20 m，预防性卸压大孔外端使用黄泥封孔；经过一定周期后对巷道两帮采取二次卸压，二次卸压采用爆破方式，建立吸能区，
1.4.2 煤层短壁注水
使用钻屑法孔或卸压孔作为注水孔，外端使用封孔器，静压注水压力为3 MPa～6 MPa，注水标准为煤体全面湿润，封孔器使用膨胀式封孔器，封孔深度不小于0.5 m。
1.4.3 煤体爆破卸压
当迎头电磁辐射监测强度达到临危值的60%以上并且钻屑法监测接近或超过临危值，或当对两帮或迎头进行解危性大孔卸压效果不明显，结合微震监测情况，采用电磁辐射法或钻屑法复测仍然超标时，要采取爆破卸压解危。采用单孔深孔爆破卸压，每次建立超前不低于13 m的卸压保护带，允许掘进3排。爆破卸压解危参数如下：1）布孔高度：距巷道底板以上0.8 m～1.2 m；2）炮眼直径：φ42 mm；3）眼深：13 m；4）炮眼角度：与煤层坡度一致，垂直煤壁；5）每孔装药量：正常情况下每孔装φ27×400mm×300g×6卷煤矿许用二级水胶炸药（含炮头）。爆破孔装药量可根据现场煤体情况适当调整；6）装药结构：采用正向装药。联线方式：孔内并联、孔间串联；7）雷管：使用毫秒延期同段电雷管2发/孔，脚线长为13 m以上。8）药卷包裹：使用内径30 mm、壁厚为1 mm的pvc管包裹水胶炸药；9）炮眼要用黄泥封满，炮眼口用黄泥封好封实。
实施解危措施后，要及时进行电磁辐射法或钻屑法检测，检验卸压效果。经检测，电磁辐射法和钻屑法均小于临危值，并结合微震监测情况，卸压效果显著，没有冲击危险时，方可掘进。循环进度要求，可掘进一个循环或3排锚杆间距。迎头可恢复正常的超前大孔卸压。
爆破卸压装药结构示意图，如下所示。
1.4.4 底板爆破卸压
对于危险继续存在的区域，对巷道底板进行爆破卸压处理，使能量得到释放，降低底板的应力水平。在冲击危险区域内及前后50 m范围内，垂直巷道底板打直径42 mm，垂直深6 m的钻孔，全长封孔，孔间距5 m，每孔装药量8卷进行卸压爆破。
1.5 掘进期间管理措施
始终坚持“安全第一，预防为主，综合治理”的方针，坚持先卸后掘，先卸后采的原则，业务主管科室提前编制巷道防冲设计报上级主管部门组织专家论证，提出切实可行的意见，再由施工区队技术员编制掘进巷道专项防冲措施，全员贯彻考核合格后，方准井下作业。
另一方面对井下现场采取有效的预防措施：控制现场作业人数，线缆采取蛇形布置，防止冲击时破坏线缆而切断迎头人员的“生命线”；现场设置应急食品箱，保证受困人员有充足的水源及食物；巷道人行道侧挂设防冲网，防止锚杆、锚索破断伤人；现场所有物料采用一紧一松两道固定，防止冲击时物料弹出伤人。
通过以上措施，能够尽可能的为现场生产创造有利条件，保障现场人员的作业环境，尽量做到有震无灾。
2 结论
通过以上方面的分析，影响矿压显现的因素较多，为保证回采巷道的正常使用，在施工至地质构造时提前采取卸压措施，选取合理的掘进方法、巷道断面及支护体系，控制好掘进进尺及截割深度，执行好各项监测及预防措施，防止掘进巷道出现过大有害变形，进一步提高煤巷施工效率，保证煤矿的安全生产。
参考文献
[1]章梦涛.我国冲击地压预测与防治[J].辽宁工程技术大学学报，2001（4）.
[2]蓝航，潘俊锋，彭永伟.煤岩动力灾害能量机理的数值模拟[J].煤炭学报，2010，35（S1）.
[3]钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.
[4]窦林名，何学秋，王恩元，冲击矿压预测的电磁辐射技术及应用[J].煤炭学报，2004，29（4）.
[5]冀贞文，孙春江，姜福星.波兰煤矿冲击地压防治技术现状及分析[J].煤炭科学技术，2008，36（1）.
作者简介
王生超（1980-），男，汉族，工程师，学士学位，毕业于山东科技大学，采矿工程专业，山东省天安（大统）矿业有限公司星村煤矿总工程师。