采場(chǎng)臨空巷道沖擊地壓防治研究

竇世文 張滿倉(cāng) 趙文琪 賈偉東 李浩丙

1.新疆煤炭設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，中國(guó)·新疆 烏魯木齊 830000

2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，中國(guó)·遼寧 阜新 123000

1 引言

根據(jù)2020年6月最新發(fā)布的《BP 世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，2020年全球一次能源消費(fèi)量占比降至27%，為過去十六年來最低。然而，煤炭仍然是發(fā)電最主要的能源，在全球總發(fā)電量中占比超過36%。在《中國(guó)能源發(fā)展報(bào)告2020》中，中國(guó)的煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的57.7%。從中國(guó)能源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)來看，煤炭在中國(guó)的能源消費(fèi)中仍居于主要地位。隨著深部開采深度的增加，深部巖體力學(xué)性質(zhì)較淺部有很大的差異，這造成礦井中的沖擊地壓發(fā)生頻率也隨之增加。中國(guó)東北地區(qū)沖擊地壓發(fā)生的礦井，如龍煤集團(tuán)東榮煤礦、集賢煤礦和東保衛(wèi)煤礦、鄂爾多斯紅慶梁煤礦等，這些煤礦的回采巷道內(nèi)都發(fā)生過沖擊地壓，并造成了一定的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。就目前對(duì)沖擊地壓研究來看，沖擊地壓機(jī)理、監(jiān)測(cè)和防治理論與方法都還不成熟與完善?；诖?，結(jié)合中國(guó)集賢煤礦沖擊地壓發(fā)生的實(shí)例，基于沖擊啟動(dòng)理論分析采場(chǎng)臨空巷道沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，進(jìn)而提出防沖設(shè)計(jì)方案。

2 沖擊地壓致災(zāi)因素分析

沖擊地壓是煤礦開采誘發(fā)的動(dòng)力災(zāi)害之一，分析煤礦沖擊地壓致災(zāi)因素，對(duì)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理、預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)和防治是必不可少的。沖擊地壓致災(zāi)因素主要分為自然因素和人為因素。自然因素包括開采深度、覆巖空間結(jié)構(gòu)、煤體沖擊傾向性等；擾動(dòng)因素包括開采擾動(dòng)和采煤方法等。

2.1 開采深度

沖擊地壓是在巷道、采場(chǎng)、煤柱受到的巖體應(yīng)力作用達(dá)到一定大小時(shí)才能發(fā)生的，而原巖應(yīng)力和開采深度直接相關(guān)。根據(jù)彈性理論，煤層在自然狀態(tài)的三向應(yīng)力條件下，對(duì)于開采深度為H的煤層，煤體所承受的應(yīng)力為：

式中，H為γ煤層上覆巖層的平均容重；υ為泊松比；σ1為垂直應(yīng)力；σ2和σ3為水平面內(nèi)兩個(gè)坐標(biāo)方向上的應(yīng)力。

由此可見，地應(yīng)力隨著開采深度的增大呈增大趨勢(shì)。因此，沖擊地壓的發(fā)生與開采深度直接相關(guān)。開采深度越大，煤體應(yīng)力越高，煤體變形和積蓄的彈性能也越大。

2.2 覆巖空間結(jié)構(gòu)

采場(chǎng)覆巖空間結(jié)構(gòu)是指采場(chǎng)周圍巖體破裂邊緣的形狀特征及其破裂區(qū)內(nèi)部巖層形成的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。采區(qū)與礦井范圍內(nèi)覆巖空間結(jié)構(gòu)形式，是由頂板埋深、工作面和采區(qū)之間煤柱以及斷層煤柱等決定的，隨開采階段不同而發(fā)生變化。煤層上方堅(jiān)硬、厚層頂板是影響沖擊地壓發(fā)生的主要因素之一。中國(guó)大多數(shù)沖擊地壓礦井的煤層頂板十分堅(jiān)硬，不易冒落，對(duì)于堅(jiān)硬頂板，當(dāng)采動(dòng)覆巖破裂范圍擴(kuò)展至巖層老頂斷裂極限時(shí)，產(chǎn)生破斷或回轉(zhuǎn)。并突然釋放大量的動(dòng)能，形成強(qiáng)烈震動(dòng)[1]。

2.3 采煤方法

不同采煤方法的巷道布置方式不同，產(chǎn)生的礦山壓力和分布規(guī)律也不同。一般情況下。短壁體系采煤方法由于采掘巷道多，巷道交叉多，遺留煤柱也多形成多處支承壓力疊加，易發(fā)生沖擊地壓。沖擊地壓煤層的開拓和開采方法的選擇首要考慮的是能夠整齊、干凈地進(jìn)行回采。不留或少留煤柱，盡可能保證工作面成直線，使煤層沒有向采空區(qū)突出的地段，在煤層中掘巷量最少，限制采場(chǎng)和巷道附近的應(yīng)力集中。長(zhǎng)壁工作面開采法是沖擊地壓煤層最有利的開采方法。

3 沖擊地壓防治措施

目前，中國(guó)煤礦防治沖擊地壓的方法有區(qū)域防范方法、局部解危方法和個(gè)體防護(hù)法。其中，區(qū)域防范方法包括合理開采開拓布置和開采保護(hù)層等，局部解危包括頂板深孔斷裂爆破、煤層大直徑鉆孔卸壓和頂板水壓致裂法等，個(gè)體防護(hù)法包括采掘空間強(qiáng)力支護(hù)和人員防護(hù)服的穿戴等。

3.1 區(qū)域防范方法

保護(hù)層開采是在煤層群開采條件下，首先開采無(wú)沖擊危險(xiǎn)性或沖擊危險(xiǎn)性較小的煤層，以使其他有沖擊危險(xiǎn)性煤層支承壓力卸載，降低采掘過程中發(fā)生沖擊的可能性。

3.2 局部解危方法

頂板深孔斷裂爆破就是對(duì)工作面采空區(qū)的頂板爆破切斷，進(jìn)而使頂板冒落，削弱采空區(qū)與待采區(qū)之間的頂板連續(xù)性，降低待采區(qū)煤層的支承壓力，達(dá)到防治沖擊地壓的目的。

3.3 個(gè)體防護(hù)法

加強(qiáng)煤層巷道的支護(hù)，由之前的二級(jí)支護(hù)提高到三級(jí)支護(hù)，減弱巷道的大變形，以保證煤炭人員的安全。

4 基于沖擊啟動(dòng)理論的案例分析

4.1 沖擊地壓案例

集賢煤礦西二采區(qū)9 煤層四片工作面位于-450m 水平，北臨西二采區(qū)，西臨西二采區(qū)五片準(zhǔn)備面，東臨西二采區(qū)三片采空區(qū)。工作面傾角15°左右，工作面長(zhǎng)度為194m，走向長(zhǎng)度平均為410m，平均采深為672m，開采煤層厚度平均為0.35m，煤體單軸抗壓強(qiáng)度7.31MPa，直接頂為粉砂巖，厚度0.25m 左右，分布較穩(wěn)定，基本頂為粉砂巖，厚度約10.2m；在煤層約60m 處為細(xì)砂巖，厚度為30m。底板：自上而下為粉砂巖、炭頁(yè)巖、粉砂巖、炭頁(yè)巖、細(xì)砂巖、粉砂巖，分布穩(wěn)定。煤層和頂、底板均具有沖擊傾向性，且存在較大的水平應(yīng)力。在西二采區(qū)四片工作面的回采過程中，臨空巷道中多次發(fā)生沖擊地壓，主要表現(xiàn)為巷道底板鼓起、巷道片幫，致使防止底板和巷道兩幫變形的支護(hù)體和錨網(wǎng)受到不同程度的破壞。西二采區(qū)四片工作面位置，沖擊地壓造成的破壞，造成風(fēng)筒斷3 節(jié)，巷道66m 片幫嚴(yán)重，上幫位移0.3m，6 套錨索變形、9 片鋼帶彎曲，18m 軌道連同枕木被掀起。

4.2 沖擊啟動(dòng)載荷源分源防治技術(shù)

基于沖擊啟動(dòng)理論，誘發(fā)臨空巷道沖擊啟動(dòng)的載荷來源在空間上是確定的，如圖1所示，巷道兩幫的垂直應(yīng)力以及底板的水平應(yīng)力是空間上確定的靜載荷源。隨著工作面的開采與推進(jìn)，采空區(qū)頂板的周期冒落，致使臨空巷道支承壓力升高，產(chǎn)生頂板動(dòng)載荷源。

圖1 臨空巷道沖擊載荷源空間分類

沖擊啟動(dòng)理論認(rèn)為以“卸壓”為主，以“支護(hù)”為輔，“卸、支”耦合作用的沖擊地壓局部防治方式。根據(jù)圖1的臨空巷道沖擊載荷源空間分類，需要對(duì)誘發(fā)巷道兩幫、底板靜載荷源及頂板動(dòng)載荷源進(jìn)行分源處置，以達(dá)到分源防治效果。如圖2所示，針對(duì)頂板動(dòng)載荷源進(jìn)行深孔爆破預(yù)裂；針對(duì)巷道兩幫煤體中垂直應(yīng)力進(jìn)行大直徑鉆孔卸壓；針對(duì)巷道底板高水平應(yīng)力進(jìn)行底板深孔爆破，阻斷其推動(dòng)底板作用[2]。

圖2 臨空巷道沖擊載荷源分源防治技術(shù)

4.3 沖擊啟動(dòng)載荷源分源防治技術(shù)應(yīng)用

通過對(duì)集賢煤礦西二采區(qū)9 煤層四片工作面開采期間沖擊地壓顯現(xiàn)位置分析，沖擊地壓的位置主要分布在臨空巷道。為此，結(jié)合圖2的臨空巷道沖擊載荷源分源防治技術(shù)，采取沖擊啟動(dòng)的動(dòng)、靜載荷源分源治理[3]。

4.3.1 頂板動(dòng)載荷深孔爆破技術(shù)

針對(duì)西二采區(qū)9 煤層四片工作面臨空巷道的前方進(jìn)行傾斜方向、扇形走向頂板深孔預(yù)裂爆破。頂板深孔預(yù)裂爆破區(qū)域需要覆蓋9 煤層四片工作面開切眼向外20m 至終采線向外約40m 范圍。頂板需要爆破處理煤層向上高度30m，頂煤厚度按5.5m 計(jì)算，多數(shù)炮孔在垂向的投影均為35.5m，其中，裝藥段的垂向投影為17m，封孔段的垂向投影為13m。巷道超前區(qū)域和沿工作面走向的爆破步距均設(shè)定為20m。走向孔的開孔位置為鉆場(chǎng)位置沿巷道走向向外平移2m。

4.3.2 煤層靜載荷大直徑鉆孔卸壓技術(shù)

考慮到煤層瓦斯問題，不能采取爆破，兩幫采用直徑為200mm 的大直徑鉆孔卸壓。鉆孔長(zhǎng)度在回采幫為30m，煤柱幫為24m，鉆孔間距分別為0.8m，0.6m。鑒于初次卸壓應(yīng)力容易恢復(fù)，需要采取在線應(yīng)力監(jiān)測(cè)。如發(fā)現(xiàn)應(yīng)力恢復(fù)情況，需及時(shí)補(bǔ)打大直徑鉆孔。

4.3.3 底板靜載荷深孔爆破阻斷技術(shù)

底板受水平應(yīng)力作用，表現(xiàn)出底臌現(xiàn)象。在巷道兩底角進(jìn)行深孔爆破，切斷水平應(yīng)力傳遞路徑，阻止底板沖擊鼓起。鉆孔深度為13m，傾角為45°。走向間距為3m，每孔裝藥量為12kg。

在回采過程中，上述三種防治措施嚴(yán)格落實(shí)且工作面日進(jìn)刀不超過三刀的要求下，工程實(shí)踐證明能夠達(dá)到防沖預(yù)期效果[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

①隨著深部開采的進(jìn)行，深部巖體力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出明顯的差異性，沖擊地壓發(fā)生頻率也逐漸增加。開采深度是沖擊地壓關(guān)鍵致災(zāi)因素之一，開采深度越大，沖擊地壓發(fā)生的可能性越大，發(fā)生次數(shù)越頻繁。

②煤礦防治沖擊地壓的方法主要有區(qū)域防范方法，如開采保護(hù)層和巷道布置，局部解危方法，如煤層大直徑鉆孔卸壓和頂板深孔斷裂爆破及個(gè)體防護(hù)法，如采掘空間強(qiáng)力支護(hù)。

③以集賢煤礦為案例，基于沖擊啟動(dòng)理論，分析采場(chǎng)臨空巷道沖擊地壓發(fā)生機(jī)制，認(rèn)為該巷道發(fā)生沖擊地壓是由于動(dòng)靜載荷疊加引起的。分析了巷道底鼓顯現(xiàn)機(jī)制，并給出了巷道兩幫及底板的應(yīng)力分布的力學(xué)模型。

④基于沖擊啟動(dòng)理論，以沖擊啟動(dòng)載荷源分源防治為突破口，對(duì)誘發(fā)臨空巷道的煤層底板靜載荷和頂板動(dòng)載荷進(jìn)行分源防治。針對(duì)頂板動(dòng)載荷采取爆破預(yù)裂，針對(duì)煤層靜載荷采取大直徑鉆孔卸壓，針對(duì)底板靜載荷采取爆破阻斷，實(shí)現(xiàn)三結(jié)合，以達(dá)到防沖目的[5]。