高位厚層砂巖頂板條件沿空巷道強(qiáng)動(dòng)壓消除技術(shù)*

祝凌甫，李春睿

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

0 引言

鄰近采空區(qū)的巷道往往受到強(qiáng)動(dòng)壓影響而維護(hù)困難，工作面的超前支承壓力與側(cè)向支承壓力是鄰空巷道礦壓顯現(xiàn)重要的影響因素[1]。鄰空巷道強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)主要受覆巖結(jié)構(gòu)及圍巖自身強(qiáng)度等因素影響。因此，如何通過基于鄰空側(cè)強(qiáng)礦壓應(yīng)力源控制的巷道卸壓技術(shù)，成為當(dāng)前煤礦開采急需解決的問題?；诖罅楷F(xiàn)場實(shí)踐，結(jié)合巷道高應(yīng)力產(chǎn)生及應(yīng)力轉(zhuǎn)移機(jī)理的分析可知，在已有硐室底部掘巷，同時(shí)采取適當(dāng)?shù)南锏浪蓜?dòng)爆破措施，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巷內(nèi)的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移[2-3]；工作面支架后方矸石及時(shí)冒落，釋放圍巖變形能，可將工作面集中應(yīng)力區(qū)向煤巖深部轉(zhuǎn)移，達(dá)到工作面煤層卸壓目的[4]；對(duì)已有采空區(qū)下方掘巷，可取得巷道或硐室頂部卸壓的良好效果[5]；同時(shí)采用高強(qiáng)度、高預(yù)緊力的錨桿支護(hù)、注漿加固破碎圍巖，提高破碎圍巖殘余強(qiáng)度和錨桿錨固力，可實(shí)現(xiàn)深部巷道圍巖的穩(wěn)定[6]；在特厚煤層內(nèi)布置卸壓巷并結(jié)合松動(dòng)爆破技術(shù)，可解決工作面沿空巷道難以維護(hù)的問題[7-9]。可見，對(duì)于巷道應(yīng)力控制的問題雖已取得眾多研究成果，但鑒于巷道圍巖復(fù)雜的賦存環(huán)境，尤其是鄰空巷道的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)各不相同，高應(yīng)力轉(zhuǎn)移機(jī)理和控制手段尚未達(dá)成統(tǒng)一共識(shí)。

為此，在分析該煤礦30202回采工作面回風(fēng)巷道強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)特征的基礎(chǔ)上，采用理論分析，深孔爆破圍巖控制及現(xiàn)場效果觀測(cè)等方法，探討工作面鄰空回風(fēng)巷道強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理，及深孔爆破后應(yīng)力變化特征，以期為深部開采條件下鄰空巷道強(qiáng)動(dòng)壓的消除提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工作面概況

工作面位置：該煤礦的30202工作面北側(cè)緊鄰30201工作面采空區(qū)，采空區(qū)的寬度為241 m，30202工作面與30201采空區(qū)之間留有寬20 m保護(hù)煤柱；南側(cè)為實(shí)體煤，東側(cè)為采區(qū)邊界，西側(cè)為工業(yè)廣場停采線，工作面的位置關(guān)系如圖1所示。30202工作面埋深達(dá)到630 m以上，煤體堅(jiān)硬，單軸抗壓強(qiáng)度約為35.37 MPa。工作面煤層采高平均為5.5 m，煤層傾角1°～3°，平均為2°，采用全部垮落法管理頂板。

圖1 工作面位置

頂?shù)装鍘r性：煤層直接頂為泥質(zhì)粉砂巖，基本頂為中粒砂巖，基本頂上方為23 m的厚層粉砂巖，粉砂巖巖層強(qiáng)度平均值為61.34 MPa，煤層直接底為泥巖。煤層頂板巖性見表1。

表1 煤層頂?shù)装遒x存條件

1.2 礦壓危險(xiǎn)性

危險(xiǎn)性區(qū)域劃分：30202工作面主要受到區(qū)段煤柱、采空區(qū)側(cè)向壓力、采動(dòng)超前支承壓力影響，巷道礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重區(qū)域集中在工作面單見方、聯(lián)巷口+三岔口、雙工作面見方影響區(qū)；礦方曾基于多因素耦合評(píng)價(jià)方法對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了劃分，最終得到30202回風(fēng)巷強(qiáng)危險(xiǎn)區(qū)6個(gè)，中等危險(xiǎn)區(qū)1個(gè)，巷道整體礦壓危險(xiǎn)性較高，如圖2所示。

注：回風(fēng)巷聯(lián)各巷口左右各20 m，均為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)圖2 30202工作面強(qiáng)礦壓危險(xiǎn)性區(qū)域劃分示意

應(yīng)力集中情況：為驗(yàn)證回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力分布情況，在回風(fēng)巷正幫進(jìn)行了鉆孔檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)至6～20 m時(shí)即出現(xiàn)明顯的卡鉆現(xiàn)象，可知高應(yīng)力已集中在巷道圍巖附近。在巷道兩幫的煤層進(jìn)行二輪、三輪大直徑卸壓孔，并增加了卸壓孔孔徑，鉆孔后發(fā)現(xiàn)巷幫淺部高應(yīng)力區(qū)依然存在，大直徑卸壓并未起到良好的卸壓效果。根據(jù)煤層開采條件及圍巖分布特征分析得出，受30202工作面前方超前支承壓力、30201采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力和30202回風(fēng)巷保護(hù)煤柱集中應(yīng)力影響，使得30202工作面回風(fēng)巷應(yīng)力集中程度較高、煤炮聲頻繁、動(dòng)壓現(xiàn)象明顯。其中3-1煤層上方所存在的近30 m厚的砂巖頂板，由于其層位完整致密，是側(cè)向應(yīng)力傳遞的主要介質(zhì)。因此，為了降低應(yīng)力集中程度，應(yīng)從應(yīng)力源即回風(fēng)巷附近的頂板入手，避免彈性能的集聚與傳播、阻斷應(yīng)力傳遞路徑。

2 沿空高位厚層砂巖載荷傳遞機(jī)制

2.1 傳遞機(jī)制

依據(jù)30202工作面埋藏深度、煤層厚度及頂?shù)装鍘r性特征，分析得出隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)側(cè)向覆巖未能及時(shí)冒落[10-12]，當(dāng)覆巖破斷到基本頂時(shí)，裂隙帶高度已發(fā)展到最大。其中把垮落帶及裂隙帶覆巖統(tǒng)稱為低位覆巖，而直覆的厚層砂巖只產(chǎn)生了彎曲下沉，直覆巖即為高位覆巖。而根據(jù)煤礦的實(shí)際情況，側(cè)向支承壓力由低位破斷覆巖產(chǎn)生的自重載荷及高位未破斷覆巖產(chǎn)生的懸臂載荷共同決定，巷道側(cè)向覆巖結(jié)構(gòu)及側(cè)向支承壓力分布曲線如圖3所示。其中直接頂巖層所承受應(yīng)力為自重載荷；基本頂巖層所承受應(yīng)力為自重載荷、采空區(qū)懸露的一部分重量；直覆巖層所施加應(yīng)力是將自重載荷通過以兩端“固支梁”的形式存在，通過兩端支點(diǎn)以集中力的形式向下覆煤巖層傳遞載荷。

圖3 堅(jiān)硬覆巖結(jié)構(gòu)及側(cè)向支承壓力分布曲線

2.2 典型特征

內(nèi)外應(yīng)力場共同作用：這種載荷傳遞機(jī)制的典型特征是在側(cè)向煤體中產(chǎn)生內(nèi)、外應(yīng)力場，即由低位破斷覆巖載荷所控制的內(nèi)應(yīng)力場，與高位未破斷覆巖載荷相聯(lián)系的外應(yīng)力場共同作用。其特征是內(nèi)、外應(yīng)力場形成的條件為同時(shí)存在破斷及非破斷覆巖；內(nèi)、外應(yīng)力場是伴生關(guān)系，二者同時(shí)存在又此消彼長，在同一地質(zhì)條件下，內(nèi)應(yīng)力場范圍及應(yīng)力幅值的增大，將導(dǎo)致外應(yīng)力場范圍及幅值的降低。即，未斷裂巖層與斷裂巖層在側(cè)向煤體產(chǎn)生的附加應(yīng)力進(jìn)行疊加，得到側(cè)向煤體應(yīng)力分布特征，如圖4所示。圖中，Δσi為第i層巖層懸露部分自重在側(cè)向煤體產(chǎn)生的附加應(yīng)力；Δσimax第i層巖層懸露部分自重在側(cè)向煤體產(chǎn)生的附加應(yīng)力峰值。

圖4 側(cè)向產(chǎn)生的附加應(yīng)力疊加原理示意

附加應(yīng)力疊加的影響：①鄰空側(cè)向各層位巖層懸露部分自重產(chǎn)生的附加載荷要遠(yuǎn)大于鉸接力產(chǎn)生的附加載荷，懸露部分自重是造成側(cè)向煤體高應(yīng)力的主因；②隨著距煤層底板的高度增加，鉸接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的鉸接力對(duì)側(cè)向煤體的作用逐漸減弱；③不同層位巖層懸露部分自重產(chǎn)生的附加載荷在側(cè)向煤體中產(chǎn)生的附加應(yīng)力峰值基本相同；④低位巖層在側(cè)向煤體中產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響范圍小，但是影響程度高；⑤高位巖層附加載荷在側(cè)向煤體中產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響范圍大，但是影響程度低；⑥覆巖破斷高度越大，附加應(yīng)力在側(cè)向煤體中傳播距離越遠(yuǎn)[13-14]。

3 深孔爆破高位強(qiáng)動(dòng)壓消除效果分析

3.1 深孔爆破卸壓

造成高應(yīng)力區(qū)集中的原因：根據(jù)鄰空側(cè)向覆巖傳遞機(jī)制分析得出，覆巖破斷高度越大，使得附加應(yīng)力在側(cè)向煤體中傳播距離越遠(yuǎn)。并且該煤礦30202工作面高應(yīng)力區(qū)主要為回風(fēng)巷一側(cè)，說明主要原因是由于30201工作面頂板未及時(shí)充分垮落造成。

卸壓方法的選擇：①方法的選擇。受30201工作面采空區(qū)頂板應(yīng)力傳遞的影響，回風(fēng)巷兩幫變形較大、應(yīng)力普遍較高，需對(duì)回風(fēng)巷頂板采用深孔爆破卸壓的辦法，削弱巷道煤幫應(yīng)力，避免發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害。其中從覆巖進(jìn)行卸壓應(yīng)包括2部分，分別為老空區(qū)應(yīng)力傳遞路徑的阻斷和本工作面的超前支承壓力傳遞路徑的弱化。②老空區(qū)應(yīng)力傳遞路徑的阻斷。主要是在回風(fēng)巷斜上方頂板進(jìn)行預(yù)裂，人為的沿著工作面走向形成一條裂縫帶。③工作面超前支承壓力卸壓。人為的將厚層堅(jiān)硬頂板強(qiáng)度弱化，不但可降低周期來壓強(qiáng)度和縮小周期來壓步距，而且能夠避免應(yīng)力累積形成“見方性”強(qiáng)礦壓。此外，對(duì)本工作面的頂板預(yù)裂松動(dòng)后，能消除大采高工作面超前支承壓力的傳播范圍，做到從本質(zhì)上卸壓。

3.2 實(shí)施方案

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，在30202工作面回風(fēng)巷867 m(回采里程)開始向北施工深孔爆破卸壓工程。每組2個(gè)炮孔沿巷道斷面平行布置，組間距5 m，如圖5所示，分別為實(shí)體煤一側(cè)的A孔、煤柱側(cè)的B孔。A孔深50 m，傾角45°，B孔深37 m，傾角65°。

圖5 深孔爆破卸壓工程剖面

3.3 效果分析

鉆孔應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比：①鉆孔應(yīng)力計(jì)布置。工作面二次見方區(qū)域?yàn)榫嗲星胺?30～930 m范圍，該200 m范圍在回風(fēng)巷兩幫都進(jìn)行了鉆孔應(yīng)力計(jì)的安設(shè)，在生產(chǎn)幫每隔25 m布置一組深淺孔應(yīng)力計(jì)(分別孔深8 m、14 m)，煤柱幫每隔25 m布置了一組淺孔應(yīng)力計(jì)(孔深8 m)。第1組爆破孔與應(yīng)力計(jì)安裝位置對(duì)應(yīng)圖，如圖6所示。②生產(chǎn)幫爆破區(qū)域與未爆破區(qū)域應(yīng)力對(duì)比。生產(chǎn)幫和煤柱幫未采取深孔爆破的區(qū)域與已采取深孔爆破區(qū)域的鉆孔應(yīng)力計(jì)的應(yīng)力變化情況，如圖7、8所示。由圖7可以看出，生產(chǎn)幫20#、21#鉆孔應(yīng)力計(jì)處在未采取深孔爆破區(qū)域，實(shí)體煤幫23#、24#鉆孔應(yīng)力計(jì)處在已采取深孔爆破的區(qū)域。由圖7可知，生產(chǎn)幫未爆破區(qū)域，21#孔深部應(yīng)力計(jì)峰值為13 MPa、淺部峰值為9 MPa，20#孔深部應(yīng)力計(jì)峰值為24 MPa、淺部峰值為21 MPa?？梢?，未爆破區(qū)域的20#鉆孔應(yīng)力計(jì)處應(yīng)力峰值增量較大，且在工作面前方18 m左右開始具有陡然增高趨勢(shì)。而爆破區(qū)域23#孔深部應(yīng)力計(jì)峰值為7.3 MPa、淺部峰值為10 MPa，24#孔深部應(yīng)力計(jì)峰值為5.4 MPa、淺部峰值為7.8 MPa?？梢姡茀^(qū)域的23#、24#鉆孔應(yīng)力計(jì)處應(yīng)力峰值絕對(duì)值較小，且在工作面前方20 m左右開始呈現(xiàn)緩慢增高趨勢(shì)。得到鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)站卸壓數(shù)據(jù)對(duì)比表，見表2。③煤柱幫爆破區(qū)域與未爆破區(qū)域應(yīng)力對(duì)比。根據(jù)應(yīng)力數(shù)據(jù)，深孔爆破卸壓后的鉆孔應(yīng)力計(jì)深部峰值降低至30.41%、41.53%，淺部鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)顯示卸壓后峰值降低至47.61%、86.66%，可見對(duì)實(shí)體煤幫14 m處卸壓效果比8 m處更為明顯。由圖8可知，煤柱幫未爆破區(qū)域，15#孔應(yīng)力計(jì)峰值為8 MPa、16#孔深部應(yīng)力計(jì)峰值為13.5 MPa。而爆破區(qū)域，21#孔應(yīng)力計(jì)峰值為7.8 MPa、22#孔深部應(yīng)力計(jì)峰值為5 MPa。并得到鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)站卸壓數(shù)據(jù)對(duì)比表，見表3。根據(jù)深孔爆破卸壓后的煤柱內(nèi)的鉆孔應(yīng)力測(cè)定，應(yīng)力峰值分別由15#、16#鉆孔的8 MPa、13.5 MPa，降低至21#、22#鉆孔的7.8 MPa、5 MPa。卸壓后峰值降低至57.77%、62.5%，可見對(duì)煤柱幫的應(yīng)力有所降低，但降低的幅度沒有實(shí)體煤幫大。

圖6 鉆孔應(yīng)力計(jì)布置位置

圖7 生產(chǎn)幫爆破區(qū)域與未爆破區(qū)域應(yīng)力對(duì)比

表2 生產(chǎn)幫鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)站數(shù)據(jù)對(duì)比表

圖8 煤柱幫爆破區(qū)域與未爆破區(qū)域應(yīng)力對(duì)比

表3 煤柱幫鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)站數(shù)據(jù)對(duì)比表

微震監(jiān)測(cè)能量事件對(duì)比：30202工作面采用了ARAMIS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面微震能量事件進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。圖9為工作面深孔爆破區(qū)域和未爆破區(qū)域頂板微震事件監(jiān)測(cè)的分布圖，其中剔除了爆破振動(dòng)事件行為。根據(jù)爆破前后微震事件分布得到，深孔爆破后大能量級(jí)事件(105J)多發(fā)生在高位的80 m的上方，且離回風(fēng)巷距離較遠(yuǎn)，可見是更高位覆巖的能量集聚造成的。中能量級(jí)的事件(103～104J)從每天發(fā)生的次數(shù)上有所增多，且事件空間位置向回風(fēng)巷一側(cè)偏移，說明大能量在分解、緩釋。

圖9 爆破前后微震事件分布

4 結(jié)論

(1)沿空回風(fēng)巷應(yīng)力集中主要受30201采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力和煤柱集中應(yīng)力影響。而煤層上方存在的厚層砂巖頂板，完整致密，是側(cè)向應(yīng)力傳遞的主要介質(zhì)。采空區(qū)側(cè)向支承壓力由低位破斷覆巖產(chǎn)生的載荷及高位未破斷覆巖產(chǎn)生的載荷共同決定，并在側(cè)向煤體中形成了由低位破斷覆巖載荷所控制的內(nèi)應(yīng)力場，與高位未破斷覆巖載荷相聯(lián)系的外應(yīng)力場。

(2)為了解決沿空巷道的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，提出了老空區(qū)應(yīng)力傳遞路徑的阻斷和本工作面的超前支承壓力弱化相結(jié)合的頂板深孔預(yù)裂方案。深孔爆破卸壓后，生產(chǎn)幫和煤柱幫的應(yīng)力數(shù)據(jù)均有不同幅度的降低，同時(shí)微震事件在空間位置變得分散、大能量事件消除，說明大能量在分解、緩釋，間接證明了深孔預(yù)裂爆破起到了良好的卸壓效果。