斷層附近工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及解危技術(shù)分析

李楊楊，韋 一

(1.山東能源淄礦集團(tuán)唐口煤業(yè)公司，山東 濟(jì)寧 272055；2.山東省煤炭技術(shù)服務(wù)公司，山東 濟(jì)南 250022)

0 引言

華豐煤礦2409工作面有2條較大斷層貫穿于兩順槽之間，根據(jù)礦壓理論[1-3]，在工作面回采過程中，當(dāng)工作面臨近斷層時(shí)，工作面的支承壓力及頂板運(yùn)動(dòng)將會(huì)受到斷層的影響，如果預(yù)防不及時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中及頂板的劇烈運(yùn)動(dòng)，有可能引發(fā)沖擊地壓的發(fā)生。因此，針對(duì)2409工作面工程概況，采用綜合指數(shù)法對(duì)工作面進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)，并應(yīng)用大直徑鉆孔卸壓，降低工作面沖擊危險(xiǎn)，防止了沖擊地壓的發(fā)生。

1 工程概況

2409工作面位于華豐井田西翼五水平前組一采區(qū)西部第一區(qū)段，上下限標(biāo)高分別為-750～-840 m，工作面平均走向長(zhǎng)度870 m，傾斜長(zhǎng)160 m，傾角31°～34°，由東向西推采。工作面所采3煤在本區(qū)為一結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的厚煤層，煤厚變異系數(shù)28%，為較穩(wěn)定煤層，煤層傾角31°～34°，平均32°，硬度系數(shù)f=1.5～2.5，單向抗壓強(qiáng)度10.8～25.5 MPa，自然含水率2%。3煤直接頂為2.5 m粉細(xì)砂巖，密度2.75 t/m3，單向抗壓強(qiáng)度69.5 MPa，抗拉強(qiáng)度3.8 MPa。基本頂總厚度為78 m，其中第一分層22 m，為中細(xì)和中粗砂巖，第二分層56 m，為中細(xì)砂巖。基本頂之上為70 m泥巖和紅土層，紅土層之上為厚500 m以上的堅(jiān)硬砂礫巖。直接底為4.4 m厚的中砂巖，密度2.64 t/m3，孔隙率1.98%，含水率0.47%，單向抗壓強(qiáng)度74.2 MPa，抗拉強(qiáng)度7.08 MPa，抗彎強(qiáng)度36.4 MPa。

圖1 2409工作面平面圖

2 沖擊危險(xiǎn)綜合指數(shù)法定量評(píng)價(jià)

2.1 地質(zhì)因素及指數(shù)

根據(jù)以往學(xué)者結(jié)合斷層沖擊地壓的影響因素制定了見表1采掘工作面部分地質(zhì)條件下影響斷層沖

表1 地質(zhì)條件影響斷層沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的因素及指數(shù)

擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的因素與指數(shù)[1-2]。可通過式1確定。

(1)

式中：Wt1—沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)；Wimax—表1中第i個(gè)地質(zhì)因素中的最大指數(shù)值；Wi—采掘工作面周圍第i個(gè)地質(zhì)因素的實(shí)際指數(shù)；n1—地質(zhì)因素的數(shù)目。

表2 開采技術(shù)條件影響沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的因素及指數(shù)

2.2 開采技術(shù)因素及指數(shù)

學(xué)者結(jié)合臨近斷層工作面引起沖擊地壓的開采因素，確定了相對(duì)應(yīng)的沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)，可由式2確定[1-2]。

(2)

式中：Wt2—開采技術(shù)因素確定的沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)；Wimax—表2中第i個(gè)開采技術(shù)因素的危險(xiǎn)指數(shù)最大值；n2—開采技術(shù)因素的數(shù)目。

2.3 工作面沖擊危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)

根據(jù)這2個(gè)指數(shù)，用式3就可確定出采掘工作面周圍沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定的綜合指數(shù)Wt。

Wt=max{Wt1,Wt2}

(3)

對(duì)沖擊的危險(xiǎn)程度按評(píng)定其等級(jí)的綜合指數(shù)法可定量化分為5級(jí)，相應(yīng)的劃分標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)采取的對(duì)策見表3[3-5]。

2409工作面3煤及頂?shù)装鍘r層通過煤科總院北京開采研究所巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的沖擊傾向性測(cè)定，測(cè)定結(jié)果認(rèn)為：3煤下部屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性的煤層；3煤上部屬于Ⅲ類，為具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤層；3煤頂板屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性的巖層。

根據(jù)2409工作面地質(zhì)因素及開采技術(shù)條件，采用綜合指數(shù)法評(píng)定其沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)，分析見表4。

表4 由2409工作面地質(zhì)條件確定的沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)定指數(shù)

2409工作面掘進(jìn)、回采技術(shù)因素影響下的沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)Wt2=0.44，判定為弱沖擊危險(xiǎn)性，主要影響因素為沿空掘巷煤柱寬度等，見表5。

通過綜合比較分析，認(rèn)為2409工作面沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定為中等偏弱的沖擊危險(xiǎn)性，沖擊危險(xiǎn)指數(shù)為Wt=max{Wt1,Wt2}=0.56，其中，采區(qū)地質(zhì)因素影響較重。在2409工作面正式回采生產(chǎn)后，工作面的開采深度及斷層構(gòu)造將起主要的影響作用。

表5 由工作面開采技術(shù)條件確定的沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)定指數(shù)

3 工作面卸壓解危技術(shù)

3.1 大直徑鉆孔卸壓數(shù)值模擬研究

數(shù)值模型的建立：為了研究大直徑鉆孔卸壓機(jī)理，為大直徑鉆孔卸壓方案的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施提供理論依據(jù)，本文選用FLAC3D數(shù)值軟件，研究鉆孔直徑、間距對(duì)卸壓效果的影響，模型前、后、左、右均施加水平約束，底部施加垂直約束。模擬過程中采用莫爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，模型物理力學(xué)參數(shù)見表6。

表6 模型參數(shù)取值

鉆孔直徑對(duì)卸壓效果的影響：取鉆孔間距3 m，孔深20 m，采深800 m不變，通過分析鉆孔直徑分別為50 mm、100 mm及200 mm時(shí)卸壓效果，研究鉆孔直徑對(duì)卸壓效果的影響。圖2～4表示不同鉆孔直徑時(shí)Szz方向應(yīng)力等值線圖。

圖2 鉆孔直徑50 mm Szz等值線圖

圖3 鉆孔直徑100 mm Szz等值線圖

由圖2～4可知，鉆孔卸壓后，在鉆孔周圍應(yīng)力發(fā)生重新分布，使得應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移，鉆孔直徑越大，應(yīng)力降低區(qū)范圍越廣，卸壓效果越明顯；鉆孔直徑越大，卸壓后在煤體中重新形成的應(yīng)力增高區(qū)范圍越小，卸壓效果越好，再次發(fā)生沖擊危險(xiǎn)的可能性越低。

鉆孔間距對(duì)卸壓效果的影響：取鉆孔直徑100 mm，孔深20 m，采深800 m不變，通過分析鉆孔間距分別為1 m、3 m及5 m時(shí)卸壓效果，研究鉆孔間距對(duì)卸壓效果的影響。通過觀測(cè)，實(shí)施鉆孔卸壓后，煤層最大主應(yīng)力明顯降低，由20 MPa降低到6 MPa左右，且在鉆孔周圍形成明顯的應(yīng)力降低區(qū)；不同的鉆孔間距，卸壓效果差別極大，當(dāng)孔間距為1 m時(shí)，應(yīng)力降低區(qū)(6 MPa)全面連接，形成一個(gè)連續(xù)、閉合的降壓區(qū)域，卸壓效果較好，隨著鉆孔間距的增加，該降壓區(qū)域逐漸喪失連續(xù)性，直至形成相互獨(dú)立的非連續(xù)區(qū)域，卸壓效果不斷變差。

3.2 大直徑鉆孔卸壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案

根據(jù)以上數(shù)值模擬研究，至斷層距離30～40 m時(shí)，沖擊危險(xiǎn)最為強(qiáng)烈。以上述大直徑鉆孔數(shù)值模擬成果為指導(dǎo)，對(duì)華豐煤礦2409工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)大直徑鉆孔卸壓解危。

運(yùn)輸巷卸壓施工：卸壓鉆孔直徑110 mm，巷幫兩側(cè)孔深15～20 m，鉆孔距巷道底板1.2 m，平行煤層方向，呈三花跟布置，卸壓范圍為工作面前方300 m，卸壓鉆孔布置如圖5和圖6所示。

圖5 卸壓鉆孔剖面圖

圖6 卸壓鉆孔平面圖

材料巷卸壓施工：材料巷僅對(duì)內(nèi)幫實(shí)施大直徑鉆孔卸壓，留設(shè)小煤柱護(hù)巷，煤柱側(cè)暫不需采取卸壓措施，煤壁鉆孔參數(shù)同運(yùn)輸巷。

4 結(jié)語

運(yùn)用綜合指數(shù)法定量評(píng)價(jià)確定了華豐煤礦2409工作面沖擊危險(xiǎn)等級(jí)狀態(tài)，根據(jù)該工作面的地質(zhì)條件，判定具有中等沖擊危險(xiǎn)性，根據(jù)其開采技術(shù)因素，判定為弱沖擊危險(xiǎn)性，最終綜合判定其具有中等偏弱的沖擊危險(xiǎn)性。通過數(shù)值模擬，研究了鉆孔直徑、間距對(duì)卸壓效果的影響。結(jié)果表明，鉆孔直徑越大，間距越小，卸壓效果越好，并以此提出對(duì)2409工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)大直徑鉆孔卸壓方案。