華亭煤田沖擊地壓定向解危技術(shù)

李鵬波，王金安

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 100083 北京; 2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室(中國礦業(yè)大學(xué)), 221116 江蘇 徐州; 3.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室(北京科技大學(xué))，100083北京)

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華亭煤田沖擊地壓定向解危技術(shù)

李鵬波1,2，王金安1,3

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 100083 北京; 2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室(中國礦業(yè)大學(xué)), 221116 江蘇 徐州; 3.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室(北京科技大學(xué))，100083北京)

針對華亭煤田各煤礦沖擊地壓顯現(xiàn)時底板鼓起嚴(yán)重的現(xiàn)象，采用橫向(巷道橫截面)卸壓和縱向(沿巷道走向)卸壓相結(jié)合的方式來消除沖擊危險.在巷道兩腳布置鉆孔，水平應(yīng)力在鉆孔上分解后形成的靜摩擦力會擠壓底板使之向下運動，并通過兩側(cè)鉆孔卸壓爆破形成底板裂隙區(qū)來隔斷底板深部傳來的應(yīng)力；同時在巷道中每隔一段距離設(shè)置一個破碎帶，破碎帶起到“彈簧體”的作用，吸收沿巷道走向方向水平應(yīng)力所帶來的能量.研究表明，經(jīng)計算定向解危方法吸收能量(108J)遠(yuǎn)大于微震系統(tǒng)已經(jīng)測得的礦區(qū)沖擊危險源產(chǎn)生的能量級別(106J)，對底板型的沖擊地壓現(xiàn)象能夠起到很好的防治作用.現(xiàn)場實施情況良好，有效減輕了煤礦巷道底板鼓起的現(xiàn)象.

沖擊地壓；解危技術(shù)；爆破卸壓；鉆孔卸壓；底板卸壓

隨著我國煤炭開采逐年向深部轉(zhuǎn)移[1-2]，煤礦沖擊地壓災(zāi)害將越來越嚴(yán)重，深部煤層巷道的沖擊地壓防治[3-5]則成為了亟待解決的問題.沖擊地壓的防治主要分為監(jiān)控、解危和支護(hù)等方面，藍(lán)航等[6]認(rèn)為開采設(shè)計優(yōu)化方法是從源頭上消除應(yīng)力高度集中，降低沖擊地壓危險的一類方法.牟宗龍等[7]采用頂板爆破措施，破壞工作面上方堅硬厚層砂巖頂板的完整性，減弱和消除了沖擊地壓危險程度.齊慶新等[8]討論了深孔斷頂爆破的作用機(jī)制，認(rèn)為深孔斷頂爆破改變了煤體應(yīng)力峰值的大小和位置，對堅硬頂板條件下沖擊危險區(qū)域起到較好的卸壓作用.高明仕等[9]提出的通過減小外界震源載荷，合理設(shè)置弱結(jié)構(gòu)和提高支護(hù)強(qiáng)度的強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型就是一種綜合防護(hù)方法.學(xué)者們從不同的方面進(jìn)行了沖擊地壓的防治研究和實踐.

總體來說，在掘進(jìn)和開采過程中，解危卸壓保護(hù)方法可分為以下幾種：1)大直徑鉆孔卸壓是通過在巷道兩幫及頂?shù)装宕?00 mm以上鉆孔，鉆孔周邊煤層會在應(yīng)力的作用下向鉆孔移動，進(jìn)而會使鉆孔周邊煤層積聚的能量緩慢釋放出來，達(dá)到解除沖擊危險的目的; 2)注水軟化是從改變煤層頂板老頂及周圍煤體的物理機(jī)械特性入手，在兩巷頂部及煤體中進(jìn)行高壓注水，以軟化煤層頂板巖體及改變煤體物理性質(zhì)，從而降低煤體的強(qiáng)度和彈性能指數(shù)，達(dá)到緩解應(yīng)力集中，轉(zhuǎn)移釋放壓力的目的; 3)煤體卸壓爆破是對已形成沖擊危險的煤體，用爆破方法減緩其應(yīng)力集中程度的一種解危措施，卸壓爆破在煤體中產(chǎn)生大量裂隙，使煤體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，彈性模量減小，強(qiáng)度降低，破壞了沖擊礦壓發(fā)生的強(qiáng)度條件和能量條件[10-11].以上3種方法是沖擊地壓解危卸壓保護(hù)常用的做法，但是對于底板來說，因為鉆孔條件的限制而很難得到系統(tǒng)的實施和形成合理的方案[12-14].華亭煤田煤層埋深約在400～500 m，近年來沖擊地壓顯現(xiàn)頻繁，幾乎囊括了所有從事采掘活動的工作面，其中巷道底板鼓起現(xiàn)象尤為突出.圖1所示為華亭煤田某巷道底板鼓起造成的巷道破壞圖.

圖1 沖擊地壓造成的巷道破壞

針對華亭煤田水平應(yīng)力遠(yuǎn)大于垂直應(yīng)力(約為1.6～1.7倍)和底板鼓起現(xiàn)象嚴(yán)重的情況，提出了定向解危的方法，采用大直徑鉆孔和鉆孔爆破分別形成“楔形體”的結(jié)構(gòu)解危和裂隙解危，在水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的礦區(qū)可以起到良好的解危效果.

1 定向解危

水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的煤田，在沖擊地壓的顯現(xiàn)中，水平應(yīng)力占主導(dǎo)作用.在水平應(yīng)力作用下，底板鼓起現(xiàn)象十分明顯，而已有的解危措施多注重巷幫和頂板，對底板的重視不夠，尤其是底板卸壓沒有形成系統(tǒng)的方案，在這種情況下應(yīng)重點考慮底板如何卸壓.

1.1 底板應(yīng)力分布

為找到底板應(yīng)力分布情況，采用KSE-Ⅱ-Ⅰ型鉆孔應(yīng)力計對底板應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測.鉆孔應(yīng)力計如圖2(a)所示，由壓力傳感器和數(shù)字顯示儀組成的分離型鋼弦振動式測頻數(shù)字儀器，壓力傳感器的鉆孔壓力枕采用充油膨脹的特殊結(jié)構(gòu).圖2(b)為鉆孔應(yīng)力計工作原理，在華亭煤田華亭煤礦250104工作面回風(fēng)順槽距回采工作面200 m外每隔15 m設(shè)置一個測點，測點埋深從4 ～12 m不等，以檢測底板應(yīng)力大小.

圖2 鉆孔應(yīng)力計測量底板應(yīng)力

需要指出的是，由于應(yīng)力計在鉆孔完成和應(yīng)力計放入之間存在一定的時間間隔，導(dǎo)致其測量值普遍偏小，并且隨著回采工作面的推進(jìn)，鉆孔應(yīng)力計的測量值變化較大，圖3為鉆孔應(yīng)力計測得的底板水平應(yīng)力曲線圖，圖3中數(shù)據(jù)點為回采工作面200 m外4個測點一周內(nèi)的平均值，可以看出，在底板深度為8～12 m左右，底板應(yīng)力值已在較低水平，可以認(rèn)為此處已在原巖應(yīng)力區(qū).

圖3 鉆孔應(yīng)力計測得巷道底板應(yīng)力曲線

針對上述底板應(yīng)力分布，考慮在巷道橫截面卸壓孔形成楔形體，以及在巷道縱向采用重點卸壓的手段形成巷道彈簧結(jié)構(gòu)，來進(jìn)行底板解危卸壓.

1.2 橫向解危

提出在巷道兩幫和底板之間打鉆孔的方法，此時底板的橫向解危依靠2個傾斜角度為α的鉆孔與底板一起形成的“楔形體”來完成.

圖4為巷道受力簡圖，巷道寬度為a，取底板分析深度為b，側(cè)壓系數(shù)為n，巷道兩側(cè)應(yīng)力影響范圍取寬度為c、最大應(yīng)力按照華亭礦區(qū)圍巖情況取為2σh，原巖應(yīng)力為σh.忽略巷道底板兩側(cè)所受到的剪切應(yīng)力.

圖4 巷道受力示意

由圖4可知，垂直方向靜力平衡，有

(1)

式中x為巷道周邊最大應(yīng)力處，通過塑性圈公式計算得到華亭礦區(qū)塑性圈范圍約在5.0 m，則x取為5 m，巷道寬度為5 m，代入式(1)，c=10 m.

取底板中間由鉆孔形成的“楔形體”，楔形體在垂直方向上受力平衡，有:

(2)

(3)

式中：Fy為楔形體兩側(cè)壓力在垂直方向上的分量，向下為正；f為楔形體兩側(cè)靜摩擦力在垂直方向的分量，向下為正；Fh為楔形體底部向上的垂直壓力.

將式(1)，式(3)代入式(2)得

(4)

當(dāng)f<0時，即f方向向上，楔形體有向下運動趨勢，此時為底板較為理想的狀態(tài).

從式(4)可以看出，在工程設(shè)計中可以認(rèn)為摩擦力有3個變量，即鉆孔角度α、側(cè)壓力系數(shù)n和垂直應(yīng)力σh，當(dāng)n>1.25，α<90°時，可使靜摩擦力方向恒為向上.進(jìn)一步分析可知，f的方向還與塑性區(qū)大小有關(guān)，塑性區(qū)取極限值零時，當(dāng)n>1.5，α<90°時，可使靜摩擦力方向恒為向上.已知華亭煤田實測側(cè)壓系數(shù)為1.6～1.7之間，綜合考慮礦區(qū)實際和施工方便，建議鉆孔角度取為45°.

當(dāng)鉆孔角度為45°時，f<0，靜摩擦力方向向上，這表示楔形體整體運動趨勢為向下運動，巷道底板鼓起現(xiàn)象可以得到有效遏制.鉆孔角度為45°時，b=10 m，結(jié)合圖3測得的底板應(yīng)力和礦上實際情況，建議底板兩側(cè)傾斜鉆孔以20 m為宜，垂直鉆為15 m.

當(dāng)沖擊危險性較大的時候，可以在上述楔形體形成之后，在巷道兩側(cè)鉆孔內(nèi)部實行深孔卸壓爆破，如圖5所示.此時會在結(jié)構(gòu)底部形成爆破裂隙區(qū)，削弱乃至截斷底板深部傳來的應(yīng)力.圖5中，“楔形體”下方區(qū)域為爆破產(chǎn)生的裂隙區(qū)，巷道正中可視施工難度打大直徑鉆孔作為爆破臨空面.

此時解危爆破透射入巖體中沖擊波壓力為

(5)

式中:ρ0為炸藥的密度，kg/m3；D為巖體中的炸藥爆速，m/s；γ為爆轟產(chǎn)物絕熱膨脹系數(shù)，通常取3；K為裝藥不耦合系數(shù)；le為裝藥軸向系數(shù)；n為炸藥爆炸產(chǎn)物膨脹碰撞孔壁時的壓力增大系數(shù)，一般取為10.

圖5 爆破卸壓示意

因爆炸后應(yīng)力波的傳播，使煤體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)為原巖應(yīng)力與應(yīng)力波的疊加，忽略爆炸的擴(kuò)孔作用，則爆炸后煤體內(nèi)二維應(yīng)力表示為

(6)

式中:σr、σθ分別為煤體內(nèi)徑向、切向應(yīng)力，MPa；σr0、σθ0分別為煤體內(nèi)徑向和切向方向上的原巖應(yīng)力，MPa；β為爆破荷載的衰減系數(shù)，在爆破沖擊區(qū)，取為3，在爆破應(yīng)力波區(qū)，取為β=2-μd/(1-μd)；λ為動側(cè)壓力系數(shù)，λ=μd/(1-μd)；r為藥包半徑，m；rb為炮孔半徑，m；μd為巖石動泊松比，一般取為0.8 μ.

由文獻(xiàn)[15]煤體內(nèi)任意一點應(yīng)力為

(7)

將式(6)代入式(7)，得到

(8)

根據(jù)Mises準(zhǔn)則，發(fā)生破壞的條件為

華亭原巖應(yīng)力水平應(yīng)力遠(yuǎn)大于垂直應(yīng)力，以華亭礦407m處實測地應(yīng)力為原巖應(yīng)力，最大主應(yīng)力17.85MPa，垂直主應(yīng)力12.78MPa，最小主應(yīng)力10.68MPa，取炮孔徑向水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力，相關(guān)數(shù)值和式(5)代入式(8)，則可得到以r為變量的煤體應(yīng)力，即σi=f(r).

結(jié)合華亭煤田資料，泊松比μ為0.38，15MPa圍壓下抗壓強(qiáng)度σc為26.47MPa，抗拉強(qiáng)度按照略大于圍巖最大主應(yīng)力，取為18.25MPa.炸藥為二級煤礦許用乳化炸藥，密度為1.1g/cm3，爆速D為3 600m/s，炮孔直徑rb為65mm.即可計算得到壓縮區(qū)范圍為1.80m，裂隙區(qū)范圍為16.19m，煤礦巷道截面約為5m左右，鉆孔最低點距離約為30m，裂隙區(qū)可以貫通，可以形成應(yīng)力軟化的爆破裂隙區(qū).

同時，為保證裂隙區(qū)的順利產(chǎn)生，在底板中央打一大直徑鉆孔來作為兩側(cè)爆破的臨空面，可以有效促使裂隙在整個底板中間產(chǎn)生，從而能夠有效減弱底板深部傳來的能量.

1.3 縱向解危

式中l(wèi)p取0.5，則巷道縱向(走向)爆破孔間距s=5.09，取為5 m.

同時如圖6所示，沿巷道走向上，每隔30 m(取值為陳礦來壓布距)設(shè)置一個4 m的破碎帶，破碎帶起到“彈簧體”的作用.從整個巷道來看，眾多“彈簧體”串聯(lián)在一起，有足夠的結(jié)構(gòu)和空間來吸收水平應(yīng)力，從根本上解決巷道底板鼓起現(xiàn)象.

每個破碎帶由5組間隔1 m的鉆孔組成，其中:3組為爆破孔，孔底裝藥；2組為普通鉆孔，起爆破臨空面的作用.可以吸收來自底板煤體的能量，同時使整個巷道形成間斷性的弱結(jié)構(gòu)，使沿巷道走向方向的應(yīng)力分量得到釋放，對類似水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的煤田可以起到很好的卸壓保護(hù)效果.

圖6 沿巷道走向卸壓示意

忽略爆破裂隙和爆破擴(kuò)孔對炮孔體積的影響，認(rèn)為每個爆破孔爆破后周邊巖石已經(jīng)完全破碎，則爆破孔殘留空間可以給爆破范圍外巖石提供釋放能量的空間即為爆破孔體積.則每個重點卸壓區(qū)至少能夠吸收的能量近似為

Q=EV=2.0×108J，

計算的吸收能量遠(yuǎn)大于微震系統(tǒng)已經(jīng)測得的礦區(qū)沖擊危險源產(chǎn)生的能量級別(106J)，可以極大地避免沖擊危險巷道的安全性.

2 現(xiàn)場實施

對華亭煤田陳家溝煤礦沖擊危險性巷道進(jìn)行解危卸壓措施，采用定向解危方法.陳家溝煤礦分層厚度最大24 m，最小11.9 m，平均16.8 m，煤樣力學(xué)實驗表明具有強(qiáng)沖擊傾向性；直接底為砂質(zhì)泥巖1.2～3.2 m.兩側(cè)底板鉆孔均已打到砂質(zhì)泥巖中.

2.1 水平卸壓

在兩順槽底板沿工作面推進(jìn)方向每5 m布置2個底板爆破深孔和1個大直徑鉆孔，其中兩側(cè)巷幫底角各1個爆破孔，孔徑65 mm，孔深20 m，封孔用速凝水泥，長度不小于6 m，一次爆破不多于2個孔.底板深孔爆破鉆孔布置示意圖如圖7所示,根據(jù)《爆破手冊》相關(guān)數(shù)據(jù)選取炸藥單耗為0.15 kg/m3.重點卸壓的孔排距為1 m計算，單孔裝藥量為21.5 g，取為20 kg,孔底加強(qiáng)裝藥,孔內(nèi)串聯(lián)，孔外并聯(lián).

圖7 底板深孔爆破鉆孔布置

2.2 重點卸壓

在兩順槽底板每隔30 m為重點卸壓區(qū)，在水平卸壓的基礎(chǔ)上，加密爆破孔排距至1 m.按照上述計算的單孔裝藥量20 kg，可以保證此段區(qū)域煤體充分預(yù)裂，形成重點卸壓區(qū)，巷道每隔30 m設(shè)置一個重點卸壓區(qū)，卸壓區(qū)煤體松軟，彈性模量較小，煤體因水平應(yīng)力而積聚的能量在此區(qū)域得到充分釋放.整個巷道的卸壓區(qū)在水平應(yīng)力條件下形成類似彈簧的機(jī)構(gòu).

2.3 實施效果

陳家溝煤礦8 512工作面2013年在兩順槽內(nèi)間斷實施了總長度約400 m的試驗段，同其他位置相比，此段巷道底板鼓起程度明顯減輕，無需返修,詳細(xì)統(tǒng)計情況見表1.

表1 陳家溝煤礦巷道底板鼓起情況一覽表

注：礦壓顯現(xiàn)次數(shù)和底板鼓起總長度統(tǒng)計數(shù)據(jù)受人為影響較大.

但是因考慮到施工難度和作業(yè)成本，僅在兩順槽存在沖擊危險的區(qū)域內(nèi)實施橫向解危措施，而未在全巷道內(nèi)實施縱向解危方案.因此，縱向解危實施效果未得到驗證，但橫向解危效果較為明顯，得到礦上的肯定.

3 結(jié) 論

1)在存在沖擊地壓危險的巷道中采用橫向(巷道橫截面)卸壓和縱向(沿巷道走向)卸壓相結(jié)合的方式來減弱沖擊危險.通過在巷道底板兩側(cè)鉆孔來使巷道橫截面上形成底板的“楔形體”，兩側(cè)水平應(yīng)力在楔形體界面上產(chǎn)生向上的靜摩擦力，這表示此時巷道底板有向下的運動趨勢，進(jìn)而可以有效減弱底板鼓起現(xiàn)象.

2)在巷道底板兩側(cè)鉆孔內(nèi)實行卸壓爆破，在底板內(nèi)部形成聯(lián)通的裂隙區(qū)，削弱底板深部傳來的應(yīng)力.在巷道中每隔一段距離設(shè)置一個破碎帶，破碎帶起到“彈簧體”的作用，吸收沿巷道走向方向水平應(yīng)力所帶來的能量，從根源上來嘗試減小巷道底板鼓起現(xiàn)象的產(chǎn)生.

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(編輯 張 紅)

Rockburst orientation controlling technology for Huating coal mine

LI Pengbo1,2, WANG Jinan1,3

(1.School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, 100083 Beijing, China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining(China University of Mining and Technology), 221116 Xuzhou，Jiangsu, China; 3.Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines(University of Science and Technology Beijing), Ministry of Education, 100083 Beijing, China)

According to the serious phenomenon of floor swelling during the coal mine burst in Huating coal field, measures which the transverse pressure relief (roadway cross-section) and the longitudinal pressure relief (along the roadway) were taken to eliminate the danger of rockburst. The static friction, which is caused by the horizontal stress in the borehole of roadway floor, would squeez the floor causing downward movement. The pressure of the floor was relieved through the fissure zone formed by the borehole blasting. A fracture zone in the tunnel was arranged at intervals, which played a role of "the spring body", to absorb the energy caused by the horizontal stress along the tunnel direction. The calculation results show that the energy absorption caused by the orientation controlling method was far greater than the energy level (106J) caused by mining shock hazard tested by the microseism monitoring system. Thus the orientation controlling method can have very good effects on avoiding the floor type rockburst phenomenon. Testing in a mine field, the implementation of the measures for a mine field was good and basically eliminated the phenomenon of tunnel floor swelling.

rockburst; controlling technology; blasting distressing; boreholes distressing; floor distressing

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.04.027

2014-10-27.

國家自然科學(xué)基金重點支持(U1361208);煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室資助(11KF03).

李鵬波(1982—),男, 博士研究生;

王金安(1958—),男, 教授, 博士生導(dǎo)師.

李鵬波, 117854536@qq.com.

TD324

A

0367-6234(2016)04-0161-05