華豐礦沖擊地壓危險性預測及區(qū)域防治技術研究*

王志強, 蘇　越,崔冬雪，蒲宇澤，李　寧

(中國礦業(yè)大學(北京)　資源與安全工程學院，北京 100083)

0　引言

我國煤礦自1933年在撫順勝利煤礦首次發(fā)生沖擊地壓以來，目前已有超過5%的大型煤礦存在沖擊地壓危險。對沖擊地壓發(fā)生的研究，文獻[1-2]表明覆巖運動造成的煤巖應力擾動具有重要作用。因此，多年來研究人員提出了多種理論模型及防治技術。

姜耀東等[3]分析了沖擊地壓、巖爆和礦震之間存在的聯(lián)系和區(qū)別,建立了煤礦沖擊地壓的3種力學模型;楊隨木等[4]認為只有同時滿足內在條件、結構條件和應力條件時才會發(fā)生沖擊地壓;齊慶新等[5]指出斷層的構造應力是導致沖擊地壓發(fā)生的主要原因。

文獻[6]認為華豐礦4#煤層上方存在的近550 m巨厚礫巖在其破斷、運動時，釋放大量的能量，對工作面造成強烈沖擊，同時發(fā)現(xiàn)破斷中心距巷道越近，越容易引發(fā)沖擊礦壓并初步提出采用覆巖離層注漿技術控制礫巖運動的方案；文獻[7-8]將關鍵層作為研究對象，依據(jù)斷裂步距計算其彈性能及對工作面沖擊地壓發(fā)生的影響。

結合上述成果分析華豐煤礦1411工作面的地質條件，認為如仍按照傳統(tǒng)方法對巨厚礫巖的斷裂步距進行計算分析，無論是采用梁還是板的理論均不再適用。另外，華豐礦防治沖擊地壓的措施包括開采解放層、留設小煤柱、微震監(jiān)測與超前卸壓等；但從效果來看，工作面上巷變形量大且沖擊地壓時有發(fā)生。本文基于華豐礦地質與回采技術條件，擬先對巨厚礫巖斷裂位置進行區(qū)域動力劃分，然后提出采用巷道布置優(yōu)化方法與覆巖離層注漿兩項區(qū)域性措施解決工作面上巷沖擊地壓頻發(fā)問題。

1　巨厚礫巖斷裂位置與沖擊地壓危險性預測

1.1　巨厚礫巖發(fā)生破斷的能量積聚與傳播

巨厚礫巖由于厚度大、強度高，當其破斷運動時，會引發(fā)強烈的沖擊地壓動力災害。礫巖發(fā)生斷裂時，內部聚積的彈性能分別為[9]：

(1)

(2)

式中:q為礫巖承載，取γh，kN/m2；J為單位斷面矩,J=h3/12，h為礫巖厚度，m；L0,Lp為礫巖的初次斷裂長度與周期斷裂長度，m；E為彈性模量，取4.92×104MPa。

由上述公式知，礫巖積聚的彎曲彈性能與本身重力的平方成正比，與其厚度、彈性模量成反比，與其斷裂步距的5次方成正比。

當?shù)[巖發(fā)生破斷時，能量會以震動、地震波的形式釋放出來。從礫巖的破斷處開始，在長度為dl的范圍內，能量的變化值為dU，其變化可以寫成：

-dU=λUdl

(3)

式中：-dU為能量的損失。

因此，礫巖破斷產(chǎn)生的能量傳遞到巷道或工作面時，其剩余能量為：

Uf=Uweλ1

(4)

式中:Uw為l=0時的震動能量，J；λ為能量的衰減系數(shù)，與巷道和工作面類型、震中釋放能量的大小有關[10]，震中釋放的能量越大，λ也越大，一般取0.012～0.039。

結合公式(1)，(2)，(4)發(fā)現(xiàn)，4#煤層回采工作面回風巷受巨厚礫巖能量傳播的主要影響因素包括：斷裂步距、巷道布置方式。

1.2　巨厚礫巖斷裂位置劃分與能量計算

由于開采礦區(qū)深度的急劇增長，回采技術與自然因素造成的沖擊地壓次數(shù)逐漸增多，因此，采礦工業(yè)面臨如何揭示設計、建設和管理有沖擊地壓危險礦井時的自然場問題。

為了查明危險的構造應力帶，在礦山的設計和施工階段需要查明原始應力場的形成機制，而原始應力場的評估工作用區(qū)域動力規(guī)劃方法來進行，即依據(jù)“從一般到個別”的原則劃分斷塊構造，對各級斷塊進行分類并注意高一級斷塊對低一級斷塊的主導作用。

在地形上表現(xiàn)不明顯的活斷裂是板塊邊界。根據(jù)從一般到個別的原則，使用適當比例尺的地圖，按照地形解碼特點和標高對這些活斷裂進行譯解。板塊等級的劃分與地形圖比例尺之間的關系見表1。

表1　板塊級別

研究中確定區(qū)域動力規(guī)劃的最終目標是在1∶5 000比例尺的地形圖中劃分出VI級斷裂塊體，同時需要繪制采掘工程活動，并做出危險性預測，結果如圖1所示。

區(qū)域1～6 為 沿1411工作面推進方向的6條斷裂帶圖1　區(qū)域動力劃分斷裂示意Fig.1　The schematic of regional dynamic planning to differentiate fracture

在圖1中標有劃分出的斷裂結果及正在向東開采的1411工作面。1411工作面向東推進中要經(jīng)歷6個斷裂影響區(qū)域，從以往發(fā)生沖擊地壓的情況看，所有的沖擊地壓均受到斷裂的影響，因此，本文將劃分出的6條斷裂帶作為研究的重點。

從圖1中可以看出，距離1411工作面開切眼232，377，551，899，1 189，1 566 m時，礫巖會發(fā)生6次斷裂，按照公式(1)和(2)確定礫巖發(fā)生斷裂時聚積的彈性能分別為1.78×105，1.22×106，1.46×106，2.93×106，2.44×106，3.17×106J。由于礫巖與煤層之間的平均距離為150 m，工作面前方的斷裂角為67°，結合公式(4)確定礫巖斷裂時到達工作面的能量分別為(1.4～8.3)×104，(1～5.7)×105，(1.2～6.8)×105，(2.4～13.7)×105，(2～11.4)×105，(2.6～14.8)×105J。從能量級別來看，礫巖發(fā)生斷裂對采場影響的震級在1.5～2.5級之間，處于沖擊地壓發(fā)生的危險級別之內。

2　華豐礦接續(xù)工作面回采巷道布置優(yōu)化設計

華豐煤礦所采4#煤層，煤層厚度平均6.2 m，平均傾角32°，目前回采的1411工作面埋深在-920～-1000 m，考慮到地表標高超過+100 m，因此開采深度已經(jīng)超過千米。4#煤層直接頂為粉砂巖，厚度2.7 m，性脆、層理發(fā)育、易碎，極易冒落；基本頂為中砂巖，厚度9.2 m，厚層狀，層理不發(fā)育。開采主要應用綜合機械化放頂煤，機采高度2.3 m，放煤高度3.9 m。

從1410工作面開始，華豐礦采用錯層位外錯式巷道布置形式[11]。1410工作面回采后形成如圖2所示的結構。由于1410工作面進風巷受垮落矸石下滑充填密實作用，理論上避免了發(fā)生沖擊地壓。但是開采過程中，沖擊地壓仍在1411工作面的巷道2中發(fā)生，故仍需對接續(xù)工作面的巷道布置形式進行優(yōu)化，以期避免下區(qū)段上巷受巨厚礫巖運動影響而造成沖擊地壓頻發(fā)的現(xiàn)象。

1. 1410工作面進風巷；2. 1411工作面回風巷。圖2　傳統(tǒng)接續(xù)面巷道布置形式示意Fig.2　The roadway layout diagram of traditional connecting face

分析圖2中形成的巷道與圍巖體系，基本頂為厚而堅硬的中砂巖，且其回轉變形為給定變形，可視基本頂巖層為剛性體，是巷道圍巖體系的上部邊界。因此，巷道與圍巖體系可視為由具有一定剛度的直接頂、支撐體和底板組成的，對圖3所示接續(xù)工作面回風巷圍巖建立剛度模型[12]，見公式(5)：

(5)

式中：Ks為支撐體的剛度，kN/m；Kr為直接頂?shù)膭偠?，Kr=E/M，E為直接頂?shù)膹椥阅Ａ?，GPa，M為直接頂?shù)母叨龋琺。直接頂不同，其剛度也不同，對巷道圍巖體系產(chǎn)生的影響也不同。底板剛度Kf可通過分析底板抗壓的特性來獲得，通過對底板比壓的調整，可忽略其影響，故公式(5)可簡化為：

(6)

1. 1410工作面進風巷；2. 1411工作面回風巷。圖3　1411工作面回風巷的優(yōu)化布置Fig.3　The optimization layout of the return airflow roadway in 1411 working face

圖2破碎頂板的剛度按照公式(7)確定：

K=E/Σh

(7)

式中：E為彈性模量，GPa；Σh為頂板垮落帶高度，m。

關于文獻[13]給出相同高度破壞后的圍巖剛度為破碎前的24.6%，如果進一步考慮垮落帶高度的增加，整個系統(tǒng)的剛度會進一步降低，在此取衰減系數(shù)η，公式(6)調整為：

(8)

由于采用錯層位內錯式巷道布置時垮落帶高度比采用外錯式巷道布置時跨落高度大。故對比公式(6)和(8)發(fā)現(xiàn)，采用錯層位內錯式巷道布置顯著降低了圍巖的剛度，進一步對巷道圍巖系統(tǒng)的剛度、應變與應力進行分析，見公式(9)所示：

σ=K×s=K′×s′

(9)

式中：σ為巨厚礫巖斷裂對下伏巷道及圍巖系統(tǒng)的施載；s為留煤柱系統(tǒng)巷道及圍巖系統(tǒng)的變形；s′為內錯式巷道布置系統(tǒng)變形。

對公式(9)進行分析，巨厚礫巖在向巷道傳遞能量過程中，圖2與圖3系統(tǒng)體現(xiàn)出不同的情況，圖2中巷道頂板為完整的煤體與頂板，圍巖變形量很小，故公式(9)中s基本為巷道變形。同時為了減小巷道變形，需要增加巷道支護強度，這樣能在巷道及圍巖系統(tǒng)與巨厚礫巖之間實現(xiàn)能量的平衡。但是高強支護巷道也積聚巨大的能量，這是沖擊地壓發(fā)生的主要原因。

如圖3所示，巷道上方為采空區(qū)垮落的矸石，按照華豐礦開采厚度6.2 m并考慮煤層傾角計算，垮落帶厚度為24.3 m。在巨厚礫巖作用下，主要是垮落碎漲矸石的壓實作用，碎漲系數(shù)取1.3，殘余碎漲系數(shù)取1.1，那么巷道頂部垮落矸石從初始碎漲到殘余碎漲的變形達到4.86 m，不利于短時積聚能量，對預防沖擊地壓發(fā)生有利。故提出了在工作面采用前進式開采時將超前掘進的上巷拐至1410工作面采空區(qū)下方的巷道布置方案。

2.1　錯層位內錯式巷道布置數(shù)值模擬

為了進一步驗證錯層位內錯式巷道布置的效果，對該巷道布置形式進行數(shù)值模擬研究。

內錯式巷道布置垂直應力分布如圖4所示，1410工作面開采完之后，工作面頂?shù)装逋耆秹?，應力向深部轉移。采用錯層位內錯式巷道布置下去段回風巷，即把接續(xù)工作面的進風巷道布置在圖中的矩形方框的位置，此處位于卸壓區(qū)，應力已經(jīng)被釋放不會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。應力值變得很小，且大小比較均勻。

圖5為接續(xù)面巷道開挖之后圍巖應力分布圖，由圖中可以看出，1411工作面開挖后并不會出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，有效防止沖擊地壓的發(fā)生對巷道和工作面造成危害。內錯式巷道布置對支架承載要求不高，并且煤柱的留設，大大減少了煤炭損失，提高經(jīng)濟效益。

圖5　內錯式接續(xù)面巷道開挖垂直應力分布Fig.5　Vertical internal stress distribution diagram of internal staggered type roadway excavation

3　覆巖離層注漿控制巨厚礫巖運動的技術研究

4#煤層開采中造成導水裂隙帶發(fā)育至巨厚礫巖下方，受采動影響，巨厚礫巖下方形成離層并不斷擴大，這為注漿創(chuàng)造了條件，也為漿體順著采動裂隙流向4#煤層采空區(qū)創(chuàng)造了條件，而固體材料留在離層區(qū)支撐上覆巨厚礫巖，控制礫巖的穩(wěn)定。華豐礦為了綜合防治沖擊地壓并控制地表斑裂，曾在1406工作面采用覆巖離層注漿充填減沉法，沿走向布置了3個地面注漿減沉鉆孔，注漿層位選擇在巨厚礫巖層下，按照理論計算得到的巨厚礫巖斷裂步距，沿走向布置的3個鉆孔距開切眼的距離分別為400，780，980 m。

通過布置在地面的觀測站實測表明，注漿充填減沉效果并不理想。結合華豐礦地質與開采技術條件，原有覆巖離層注漿技術在控制地表下沉與上巷沖擊地壓預防中的應用存在幾個問題，包括：工作面傾斜長度短，沿傾斜方向的覆巖采動程度不充分，離層充填體對上覆礫巖的支撐效果有限；通過華豐礦鉆孔揭露資料來看，礫巖隨著開采范圍的增加，其厚度增加，不能按照常規(guī)的方法確定其斷裂步距；為了實現(xiàn)離層分區(qū)注漿，按照實測覆巖移動角65°和70°計算，工作面之間需留設近170 m寬的永久煤柱，華豐礦資源儲量的現(xiàn)狀無法滿足要求。

3.1　覆巖傾向離層注漿鉆孔的布置

針對覆巖離層注漿充填的研究現(xiàn)狀，結合巷道布置的優(yōu)化，提出如圖6所示的技術優(yōu)化方案。

圖6　覆巖傾向離層連續(xù)注漿技術示意Fig.6　The schematic of overburden tendency separation continuous grouting technology

如圖6所示，首采工作面開采時，受覆巖運動影響而產(chǎn)生離層區(qū)，沿傾向會逐漸形成覆巖離層區(qū)A，通過預先布置的注漿鉆孔向離層區(qū)A進行注漿，始終控制離層區(qū)A沿傾向的尺寸小于礫巖的傾斜方向的斷裂步距，保證其穩(wěn)定性。當工作面采用內錯式巷道布置時，相鄰工作面上覆巖層的運動形成一個整體，體現(xiàn)出單一工作面的開采特點。因此，接續(xù)工作面開采期間，隨著離層區(qū)B出現(xiàn)即仍通過圖中的鉆孔繼續(xù)進行注漿，始終保證礫巖傾斜方向的懸露步距小于其極限斷裂步距。圖6中所示覆巖離層區(qū)域進行注漿充填減沉具有如下特點:傾斜方向的采動更充分，充填效果更好；采動影響與注漿工作的銜接更合理；注漿量大；鉆孔工程量小。

3.2　覆巖走向離層注漿鉆孔布置

區(qū)域動力規(guī)劃結果及注漿鉆孔走向布置如圖7所示，劃分板塊邊界后，在沿工作面推進方向上布置注漿鉆孔，考慮到礫巖距離煤層150 m以及上覆巖層移動角55°的影響，在工作面上巷外側80 m處沿走向在劃分出的斷裂邊界布置6個注漿鉆孔。在1411工作面推進過程中，當圖7中所劃出的斷裂下方出現(xiàn)離層即進行注漿，從而保證礫巖的穩(wěn)定性，預防沖擊地壓的發(fā)生。

區(qū)域1～6 為 1411工作面推進方向上的6個斷裂影響區(qū)域圖7　區(qū)域動力規(guī)劃結果及注漿鉆孔走向布置示意Fig.7　the schematic of regional dynamic planning results and grouting drill striking layout

4　工程應用效果分析

在區(qū)域動力規(guī)劃的基礎上，采用錯層位內錯式巷道布置及覆巖離層注漿控制巨厚礫巖運動2項技術對沖擊地壓現(xiàn)象進行防治。從實際生產(chǎn)情況來看，2012年6月之前，1411工作面與1410工作面之間留5 m小煤柱，工作面平均月推進速度44.8 m，但是在1411工作面回風巷仍然有較大影響的沖擊地壓事件發(fā)生；2012年6月后，工作面開始采用錯層位內錯式巷道布置回采，截止到2013年3月，工作面平均月推進速度達到58.5 m，1411工作面回風巷再無沖擊地壓事件發(fā)生。通過井下實際觀測，采用內錯式布置后的1411工作面回風巷維護狀況要好于之前留5 m煤柱時的情況。因此，認為錯層位內錯式巷道布置對于回風巷防沖有利。

同時，根據(jù)實際離層連續(xù)一體化注漿技術情況，對覆巖離層連續(xù)注漿效果分析如下：

1)減沉效果方面。根據(jù)現(xiàn)場實測，傾向主斷面觀測線上最大下沉值為2 640 mm，而受1410工作面采動影響，1411工作面開采之前地表下沉約410 mm，即1411工作面注漿充填開采條件下地表發(fā)生的下沉值為:2 640 mm-410 mm=2 230 mm，則離層注漿條件下，地表下沉系數(shù)為:2 230/(6 200×cos 32°)=0.42。結合現(xiàn)場實測，與之前1406工作面地表下沉系數(shù)0.62進行對比，認為1410，1411工作面采用傾向離層連續(xù)注漿技術后，地表下沉率降低為：(正常開采下沉系數(shù)-注漿開采下沉系數(shù))×100%/正常開采下沉系數(shù)=(0.62-0.42)×100%/0.62=32.2%。

2)注漿量方面。1410與1411工作面注漿孔持續(xù)注漿時間最長6a，累計注入漿體7.99×104m3，注入固體(粉煤灰)1.23×104m3。1406工作面的注漿孔持續(xù)注漿時間為18個月，注入漿體5.2×104m3，注入固體0.47×104m3。由于1406工作面的長度及推進度均較短，且采動程度低，形成離層的體積較小，充填以工作面傾斜下半部形成的離層空間為主，因此充填時間與注漿量少。

3)鉆孔工程量方面。按照1406工作面鉆孔布置情況，至少還需要布置1組鉆孔，累計鉆孔工程量約1 780 m，而采用離層連續(xù)一體化注漿技術相鄰2個工作面傾斜方向注漿鉆孔工程量約850 m，可節(jié)省鉆孔工程量930 m，按照走向布置的6個鉆孔，累計可節(jié)省鉆孔工程量5 580 m。

綜合上述實際情況，認為采用覆巖離層連續(xù)注漿技術具有顯著提高充填減沉效率，增加離層的注漿量以及降低鉆孔工程量等優(yōu)勢。

5　結論

1)采用區(qū)域動力規(guī)劃方法對礫巖斷裂位置進行劃分，得到了礫巖斷裂步距并計算了斷裂后釋放能量的大小，通過釋放能量的計算方法認為可調整斷裂步距與巷道布置2可控因素對沖擊地壓進行區(qū)域性防治。

2)通過對1411工作面回風巷及圍巖建立力學模型，對比1411工作面采用內錯式巷道布置形式與原留5 m煤柱上巷及圍巖力學系統(tǒng)，認為原有巷道布置形式會使巷道圍巖積聚大量的彈性能，是沖擊地壓發(fā)生的根本原因；而內錯式巷道布置力學系統(tǒng)巷道周圍不易積聚能量，利于沖擊地壓的防治。

3)為了進一步控制巨厚礫巖的運動，在內錯式巷道布置的基礎上，提出覆巖離層傾斜方向連續(xù)注漿方法，并提出相應的注漿充填方案。

4)對所提出方案進行了現(xiàn)場觀測，發(fā)現(xiàn)1411工作面回風巷雖然采用U型鋼支護，但維護效果好，工作面月進尺提高13.7 m，回風巷未發(fā)生沖擊地壓事故；離層注漿方面與同類技術對比發(fā)現(xiàn)地表沉陷值進一步降低，實際的注漿量大，而鉆孔工程量大幅度降低。

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