薄基巖留底煤采場沖擊地壓誘發(fā)煤與瓦斯突出研究

焦二朋

(西山煤電股份有限公司馬蘭礦， 山西 古交 030200)

1 前言

沖擊地壓是一種常見的礦山動力災(zāi)害，隨著開采深度的增加，沖擊地壓災(zāi)害日趨嚴重。特別是在薄基巖條件下的采場，基巖承受的附加載荷比一般條件下大，采動壓力傳播速度快，更易于發(fā)生沖擊地壓。而在薄基巖條件下留底煤的采場，更加劇了巷道底板的應(yīng)力集中，在上覆巖層高集中應(yīng)力的作用下，巷道底煤由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)。底煤的塑性狀態(tài)使煤體產(chǎn)生裂隙，使局部地區(qū)的形成瓦斯積聚。由于采動的影響，作用在底煤的應(yīng)力載荷不斷增大，當(dāng)集中的應(yīng)力超過其所能承載的極限時，底煤積聚的彈性變性能突然釋放，發(fā)生底板沖擊地壓；由于煤體裂隙不斷增多，當(dāng)煤體內(nèi)儲存的能量及其周圍裂隙所解析的瓦斯突然噴出時，會發(fā)生沖擊地壓誘發(fā)煤與瓦斯突出復(fù)合型動力災(zāi)害[1-4]。薄基巖留底煤采場條件下沖擊地壓誘發(fā)煤與瓦斯突出是一種新型的災(zāi)害，國內(nèi)外的研究還沒有就其機理與防治技術(shù)達到完全認識與根治的程度。因此本文以山西某礦為研究對象，探討了薄基巖留底煤采場沖擊地壓誘發(fā)煤與瓦斯突出的機制，并給出了防治措施，對類似條件下煤礦的沖擊地壓和煤與瓦斯突出的防治具有借鑒意義。

2 工作面概況

某礦1307工作面是-808m水平3下煤層首采區(qū)南翼工作面，地面標高43.2～44.8m，井下標高-705～-850m，埋深約750～900m，表土層厚度為580m。煤層厚度約2.0～4.5m，平均厚度3.5m，煤層賦存穩(wěn)定，煤層傾角為6°～10°，f=1.7左右。1307工作面為一褶皺構(gòu)造，地層總體趨勢為北高南低，西高東低。巷道掘進過程中揭露多條斷層，斷層落差大，造成工作面出現(xiàn)厚度不均的底煤存在。

3 沖擊地壓誘發(fā)煤與瓦斯突出機制

巷道開掘之前，煤巖體是處于三向應(yīng)力的平衡的靜止狀態(tài)的。巷道的開掘使得其平衡狀態(tài)破壞，應(yīng)力重新分布，主要表現(xiàn)為應(yīng)力范圍的增大和應(yīng)力的峰值向煤壁深部轉(zhuǎn)移，在巷道邊緣前方形成應(yīng)力增高區(qū)，部分圍巖的應(yīng)力進入塑性狀態(tài)分布[5-6]。在薄基巖的條件下，煤層受到的垂直應(yīng)力比一般條件下大，形成集中應(yīng)力區(qū)峰值高，范圍大，更易形成高應(yīng)力集中區(qū)。由于巷道底板留有厚度較大的底煤，底煤強度低，薄基巖作用在巷道的高垂直應(yīng)力經(jīng)兩幫向底板傳遞，在巷道底板處形成應(yīng)力集中密實區(qū)，該區(qū)域的煤體在高集中應(yīng)力的作用下由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)。由于塑性區(qū)內(nèi)的煤體的內(nèi)聚力已經(jīng)基本消失，主要依靠巖塊間的摩擦力維持穩(wěn)定，塑性區(qū)煤體內(nèi)不斷發(fā)生剪切破壞，會產(chǎn)生裂紋裂隙，孔隙壓力降低，吸附的瓦斯解析成游離的瓦斯膨脹。在外界擾動的作用下，當(dāng)?shù)酌悍e聚的能量超過其所能承載的極限時，會突然釋放巨大的彈性變形能，發(fā)生沖擊地壓，而煤體的動能進一步使局部的瓦斯解析膨脹，在振動的聯(lián)合作用下，誘發(fā)裂紋裂隙解吸出的游離瓦斯異常涌出，具體過程如圖1所示。

4 沖擊地壓誘發(fā)煤與瓦斯突出的力學(xué)機制

薄基巖留底煤采場沖擊地壓誘發(fā)煤與瓦斯突出的主要因素為表土層厚度和底煤的厚度。表土層厚度越大，作用在煤巖體的應(yīng)力就越大，將表土層的厚度表示為作用在巷道的載荷q，表土層厚度越大，載荷的數(shù)值q就越大。為了計算方便，將圍巖看成理想的塑性狀態(tài)，巷道圍巖符合Mohr-Coulomb模型，將巷道變形轉(zhuǎn)化為平面求解，建立力學(xué)模型，具體如圖2所示。由于巷道兩側(cè)是對稱區(qū)域，因此只需考慮一側(cè)即可。

三角形ABC區(qū)域為應(yīng)力集中的密實區(qū)，受到擠壓膨脹，在巷道底角處直線AB上正應(yīng)力和剪應(yīng)力為σn=q,τn=0。

圖3 底板任意點應(yīng)力狀態(tài)

三角形ABC區(qū)域中每點的應(yīng)力狀態(tài)相同，該區(qū)域可以看成均勻應(yīng)力場，設(shè)均勻應(yīng)力場平均應(yīng)力為p，均勻應(yīng)力場內(nèi)的平均應(yīng)力可以根據(jù)莫爾應(yīng)力圓可以得出。根據(jù)圖3可知，莫爾應(yīng)力圓隨著剪應(yīng)力σ1的增大，直線K與莫爾應(yīng)力圓逐漸接近，當(dāng)莫爾應(yīng)力圓與直線K相切時，巷道底板圍巖發(fā)生剪切破壞。隨著σ1的不斷增大，直線K與莫爾應(yīng)力圓的切點N對應(yīng)為圖2中的C、F兩點，巷道的底板剪切破壞從C、F兩點開始，逐漸向巷道底板一側(cè)靠近。因此在三角形ABC區(qū)域中，最大主應(yīng)力σ1=q，最小主應(yīng)力σ3>0。三角形ABC中平均應(yīng)力為

(1)

式中：c——巷道底板圍巖的內(nèi)聚力；

φ——巷道底板圍巖內(nèi)摩擦角。

三角形BHM區(qū)域也屬于均勻應(yīng)力區(qū)，自由邊界上法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力都為零，因此，BCM區(qū)域應(yīng)力為

(2)

式中：ψ——邊界AB與BM的夾角。

在三邊形BCH區(qū)域中，直線BH符合Hencky第一定律，得：

(3)

(4)

(5)

式中：u——邊界BH、HM與BM夾角。

則

(6)

三角形ABC為均勻應(yīng)力場，則

(7)

(8)

極限應(yīng)力載荷q為

(9)

由式(9)可知，當(dāng)載荷達到極限值q時，就會發(fā)生沖擊地壓誘發(fā)煤與瓦斯突出。

5 沖擊地壓誘發(fā)煤與瓦斯突出防治技術(shù)

5.1 釋放煤巖體內(nèi)能

在留底煤區(qū)域采用了“兩幫爆破卸壓，底板隔排卸壓”的處理措施釋放積聚的彈性變形能。從留底煤厚度區(qū)域邊界開始，兩幫每隔5m布置爆破鉆孔；底板每隔10m進行施工一條卸壓帶(可采用大直徑鉆孔或爆破)，在該處進行注水，具體如圖4所示。

圖4 釋放煤巖體內(nèi)能示意圖

5.2 抽放瓦斯內(nèi)能

通過對瓦斯進行抽放，從而消減煤體瓦斯的濃度，降低了發(fā)生煤與瓦斯突出災(zāi)害的概率。1307工作面瓦斯提前預(yù)抽，共布置2 625個預(yù)抽鉆孔，鉆孔孔徑φ65mm，孔間距0.6～1.0m，孔深60～105m，封孔材料為聚氨酯，封孔長度8m，鉆孔角度與煤層傾角一致，抽放負壓194～195mm/Hg。

5.3 煤層注水

實踐證明煤層注水是有效預(yù)防沖擊地壓和煤與瓦斯突出復(fù)合動力災(zāi)害的有效措施。通過煤層注水改變煤體的物理學(xué)狀態(tài)，增加了煤層塑性區(qū)的范圍，降低了能量在煤體的集中，從而可以達到防治沖擊地壓的目的。煤層注水也在一定的程度上減少了瓦斯的內(nèi)能，可以有效預(yù)防煤與瓦斯突出。

在1307工作面運輸巷道和回風(fēng)巷道各布置10個注水鉆場，孔徑φ94mm、孔底間距15m，孔深要求保證兩順鉆孔覆蓋全工作面，注水卸壓見表1。開孔高度在巷道底板往上1.0～1.5m，鉆孔角度沿煤層傾角施工。

表1 注水卸壓參數(shù)

6 效果檢驗

采用鉆屑法對沖擊危險區(qū)域卸壓效果進行檢測，確定卸壓效果[7-8]。選取三個點，采用鉆屑法，通過觀測煤粉量的大小來判定危險是否解除。鉆屑煤粉量曲線如圖5所示。

圖5 卸壓后鉆屑煤粉量曲線圖

由圖5可知，3個點的最大煤粉量均在2.2 kg/m左右，由此可以得出，防治措施有效防治了沖擊地壓和煤與瓦斯突出，達到了良好的防治效果。

7 結(jié)論

(1)研究了薄基巖條件沖擊地壓誘發(fā)煤與瓦斯突出的機制，并得出了該條件下沖擊地壓誘發(fā)煤與瓦斯突出的極限載荷。

(2)采用釋放煤巖體彈性變形能、抽放瓦斯內(nèi)能、煤層注水對沖擊地壓誘發(fā)煤與瓦斯突出進行防治，并采用鉆屑法對防治效果進行效果檢驗，卸壓效果良好。