采煤工作面過夾矸帶期間沖擊地壓防治技術(shù)研究

梁東輝，劉 雨，王建坤，沙成海

(山東省濟寧市金橋煤礦，山東 濟寧 272200)

0 引言

采掘工作面過夾矸帶、斷層等地質(zhì)構(gòu)造期間，受采動影響夾矸帶內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力釋放，容易誘發(fā)沖擊地壓[1]。據(jù)統(tǒng)計，近年來全國多個礦區(qū)發(fā)生了采掘工作面在夾矸區(qū)域發(fā)生沖擊地壓的情況，因此采掘工作面過地質(zhì)構(gòu)造帶期間需采取有效的沖擊地壓防治措施，防止發(fā)生沖擊地壓事故。以金橋煤礦1304、1308工作面過夾矸帶回采作為研究對象，利用微震監(jiān)測系統(tǒng)重點研究正在回采的1310工作面夾矸帶區(qū)域微震事件發(fā)生規(guī)律，進而確定頂板垮落程度，根據(jù)壓力顯現(xiàn)，采取針對性預(yù)防卸壓措施，并對頂板爆破預(yù)裂卸壓措施進行展望，確保1310工作面過夾矸帶期間不發(fā)生沖擊地壓事故。

1 工程概況

濟寧市金橋煤礦采掘活動主要集中在一采區(qū)，主采3號煤，煤厚2.82～7.10 m，平均厚5.51 m，層位穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)一般較簡單，含夾矸，通常位于煤層的中下部，其巖性一般為泥巖、炭質(zhì)泥巖或砂質(zhì)泥巖。一采區(qū)北翼夾矸南北向發(fā)育長度100～170 m，平均約127 m，夾矸厚0～3.5 m，平均2.0 m；夾矸上煤厚1.9～5.2 m，平均3.2 m；夾矸下煤厚1.5～3.6 m，平均2.7 m。當在夾矸帶區(qū)域進行采掘活動時，受采掘工作面超前應(yīng)力場與夾矸應(yīng)力場疊加影響，導(dǎo)致應(yīng)力高度集中[2]，容易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。采區(qū)工作面布置如圖1所示。

圖1 一采區(qū)北翼夾矸帶平面位置Fig.1 Plan location of partings band in north wing of No.1 mining area

2 一采區(qū)過夾矸帶區(qū)域微震發(fā)生規(guī)律

通過對1308工作面、1304工作面、1310工作面過夾矸帶前與過夾矸帶期間微震事件頻次、能量進行對比，研究過夾矸帶期間頂板垮落程度。由表1～表3可知，1308、1304、1310這3個工作面過夾矸帶前日平均微震事件次數(shù)均小于過夾矸帶期間日平均微震事件次數(shù)，過夾矸帶前日平均微震事件能量大于過夾矸帶期間日平均微震事件能量，表明工作面過夾矸帶前頂板劇烈發(fā)育，單個微震事件能量較大，能量得到有效釋放，頂板垮落較為充分，過夾矸帶期間頂板微破裂發(fā)育，單個微震事件能量較小，頂板未充分垮落，能量未得到有效釋放[3]，因此過夾矸帶期間現(xiàn)場壓力顯現(xiàn)較為明顯，造成幫鼓、底鼓等現(xiàn)象，增加了擴幫、臥底工作量，給工作面正常生產(chǎn)帶來一定的影響。

表1 1308工作面過夾矸帶微震事件對比Table 1 Comparison of microseismic events of No.1308 working face passing through partings band

表2 1304工作面過夾矸帶微震事件對比Table 2 Comparison of microseismic events of No.1304 working face passing through partings band

表3 1310工作面過夾矸帶微震事件對比Table 3 Comparison of microseismic events of No.1310 working face passing through partings band

3 進風(fēng)順槽幫鼓原因分析

1308工作面位于1310工作面東側(cè)，區(qū)段煤柱寬度為5 m。1308工作面、1310工作面回采過夾矸帶期間，對夾矸厚度超過1 m區(qū)域未進行放煤，結(jié)合微震事件發(fā)生情況判定1308、1310工作面頂板基本未垮落，造成1308采空區(qū)側(cè)頂板巖層壓在區(qū)段煤柱及1310工作面實體煤上，使煤體成為壓力承載體。隨著工作面推進，采空區(qū)面積逐漸增大，懸頂面積隨之增大，煤體承受的壓力增大，因而造成1310進風(fēng)順槽幫鼓。另外，采空區(qū)面積的增大極易造成頂板突然垮落，引發(fā)沖擊地壓事故，如圖2所示。

圖2 1310工作面夾矸帶與煤層關(guān)系Fig.2 Relationship between partings band and coal seam in No.1310 working face

4 進風(fēng)順槽過夾矸帶期間防沖措施

1310進風(fēng)順槽過夾矸帶期間主要采取“強卸壓、強支護”措施，1310工作面夾矸帶為弱沖擊危險區(qū)域，工作面回采前已完成預(yù)卸壓工作，卸壓孔間距為5 m，過夾矸帶期間對卸壓孔進行了加密施工，使夾矸帶區(qū)域煤體破壞區(qū)進一步擴大，降低鉆孔周圍煤巖體應(yīng)力集中程度，使夾矸帶區(qū)域煤巖體不具備形成高應(yīng)力集中的條件[4]。1310進風(fēng)順槽超前支護距離120 m，由煤壁向外依次采用7個邁步式超前支架(單排)配合單體棚支護46 m、18架單體棚支護9 m(一梁四柱、棚距0.5 m)、30個單元支架(單排、間距2.2 m)支護65 m；經(jīng)驗算，超前支護強度能夠滿足需要。通過采取“卸—支”措施，并對鼓幫區(qū)域進行超前刷寬，保證了1310工作面正?；夭桑蚴苄秹?、支護、擴幫等工作影響，導(dǎo)致1310工作面推進速度較慢，給工作面正常生產(chǎn)帶來了較大影響。

5 頂板爆破卸壓技術(shù)應(yīng)用展望

通過采取卸壓、支護等一系列措施，僅保證了1310工作面可以生產(chǎn)，但未能從根本上解決1310進風(fēng)順槽壓力大的難題。上文已對1310進風(fēng)順槽壓力顯現(xiàn)明顯的原因進行分析，主要是夾矸帶上方頂板未充分垮落，造成壓力向工作面煤體傳遞，因此必須確定1310工作面誘發(fā)沖擊的關(guān)鍵層位，采用爆破預(yù)裂的方法對關(guān)鍵層進行破壞，進而保證工作面推采期間頂板及時垮落。根據(jù)1310工作面綜合地質(zhì)柱狀圖，如圖3所示。結(jié)合微震事件發(fā)生層位，確定1310工作面誘發(fā)沖擊的關(guān)鍵層為4.48 m厚的粗砂巖及6.34 m厚的細砂巖，因此需對該層位進行爆破。

圖3 1310工作面綜合地質(zhì)柱狀圖Fig.3 Comprehensive histogram of No.1310 working face

5.1 頂板爆破斷頂卸壓機理

巖石爆破碎裂是一個極為迅速的過程，使得對其機理的研究至今未形成一套完整準確的理論，但爆破產(chǎn)生的動壓“震裂”效應(yīng)及靜壓爆生氣體的“氣楔”作用得到了廣泛的認可[5]。因此頂板爆破斷頂是在采煤工作面前方堅硬頂板巖層中，按照一定的間隔預(yù)先打鉆孔，進行斷頂爆破，利用炸藥爆炸的能量作用，使煤層上方一定距離處的頂板巖層形成一定范圍的破壞區(qū)和裂隙發(fā)育區(qū)。在工作面推進過程中，再借助支承壓力的預(yù)裂作用，促使堅硬頂板巖層在采空區(qū)及時垮落[6]，從而達到降低頂板來壓強度和壓力顯現(xiàn)危險性的目的。

5.2 頂板爆破參數(shù)設(shè)計

合理的確定預(yù)裂爆破參數(shù)是保證預(yù)裂爆破取得理想效果的關(guān)鍵性工作，通常是以理論計算為依據(jù)，工程類比為參考，在小型試驗的基礎(chǔ)上綜合確定的方法來確定預(yù)裂爆破參數(shù)。

5.2.1 鉆孔深度

表4 煤礦常見巖石碎脹系數(shù)Table 4 Common rock bulking factors in coal mine

(1)

式中，M′為采放有效高度，根據(jù)1310工作面實際取6 m；C為采放總回采率，根據(jù)1310工作面實際取0.77；KK為垮落帶巖層平均碎脹系數(shù)，計算取1.3。

1310工作面夾矸及夾矸帶與殘留煤層的碎脹高度之和只有5.2 m，無法滿足填充回采空間要求，因此上部4.48 m厚的粗砂巖和6.34 m厚的細砂巖也參與了破斷運動，與微震事件發(fā)生層位基本吻合。利用關(guān)鍵層理論計算得到的1310工作面上部的厚度為4.48 m厚的粗砂巖和6.34 m厚的細砂巖均為關(guān)鍵層。

根據(jù)上面分析的結(jié)果同時結(jié)合現(xiàn)場施工條件確定頂板深孔爆破卸壓鉆孔施工角度為60°，終孔位于6.34 m厚細砂巖層上邊緣，計算得到爆破斷頂鉆孔深度Lz≈18 m。

5.2.2 鉆孔間距

孔距的確定原則為深孔爆破后所形成的破壞區(qū)(壓碎區(qū)和破裂區(qū))應(yīng)相互貫通，以便使兩者連接形成完全的破碎帶。結(jié)合1308工作面與1310微震監(jiān)測結(jié)果，周期來壓步距平均在13 m左右。而工作面深孔斷頂爆破是為了減小對相鄰工作面的影響，結(jié)合周邊礦井頂板爆破實際，每間隔5 m做一次斷頂爆破，即爆破鉆孔排距定為5 m，周期性破斷上覆堅硬頂板，避免形成大面積懸頂結(jié)構(gòu)。

5.2.3 裝藥不耦合系數(shù)及裝藥量

不耦合系數(shù)對孔壁壓力、空氣沖擊波作用時間及切向作用力都有很大的影響，孔壁壓力和切向作用力隨著不耦合系數(shù)增大而減小，空氣沖擊波作用時間隨著不耦合系數(shù)增大而增大[7]。因此不耦合系數(shù)取合適的值才能把孔壁壓力、空氣沖擊波作用時間及切向作用力綜合效果發(fā)揮出來。

根據(jù)理論分析及礦井爆破經(jīng)驗，一般堅硬煤層爆破裝藥不耦合系數(shù)控制在1.20～1.45之間最為合適，因此1310工作面頂板爆破選擇炮孔直徑為75 mm，炸藥直徑為60 mm，不耦合系數(shù)為1.25，根據(jù)經(jīng)驗值，裝藥量在15 kg左右。

6 結(jié)論

(1)通過對一采區(qū)北翼工作面過夾矸帶期間微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，夾矸帶區(qū)域微震事件呈現(xiàn)“高頻低能”，表明夾矸帶區(qū)域頂板微破裂發(fā)育，頂板未充分垮落，能量未得到有效釋放，因此過夾矸帶期間現(xiàn)場壓力顯現(xiàn)較為明顯。

(2)針對1310進風(fēng)順槽壓力顯現(xiàn)明顯的情況，通過采取有效的“卸—支”措施，保證工作面安全推采。

(3)針對1310工作面頂板巖性，根據(jù)微震事件發(fā)生層位及理論計算，確定煤層上方4.48 m厚的粗砂巖和6.34 m厚的細砂巖為誘發(fā)沖擊關(guān)鍵層，進而確定頂板爆破孔深度、間距、孔徑、裝藥量等參數(shù)，為后期頂板爆破預(yù)裂實施打下堅實基礎(chǔ)。