特厚煤層上覆煤巖柱下措施巷防沖技術(shù)研究

赫海全，孫振于，何 江，陳同盛，柴彥江

(1.窯街煤電集團有限公司 海石灣煤礦，甘肅 蘭州 730084；2.徐州弘毅科技發(fā)展有限公司，江蘇 徐州 221000；3.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；5.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

研究表明，沖擊地壓煤層開采前應(yīng)優(yōu)先開采保護層[1-3]，但實際采掘過程中，受到地質(zhì)構(gòu)造、層厚變化、采掘布局等因素的影響，保護層中常常遺留有煤柱[4]，遺留煤柱區(qū)的應(yīng)力較高[5，6]，下部煤層采掘時，易誘發(fā)沖擊地壓，如峻德煤礦“3·15”和長城一礦“10·7”沖擊地壓事故等[7]。眾多學(xué)者和技術(shù)人員對保護層遺留煤柱誘發(fā)沖擊地壓的問題進行了大量研究[8，9]。在防治方面，孫劉偉等[10]、劉鵬飛[11]、劉永紅等[12]、田臣等[13]采用爆破卸壓、頂板爆破預(yù)裂、水力壓裂、巷道補強支護的綜合防治措施，有效避免了遺留煤柱區(qū)沖擊地壓的發(fā)生，保證了工作面的安全開采。

本文基于海石灣煤礦6224-1工作面地質(zhì)和開采技術(shù)條件，在遺留巖柱影響區(qū)外布置專用措施巷，并從巷道內(nèi)向巖柱影響區(qū)的煤巖體實施頂板深孔爆破、煤體爆破和大直徑鉆孔的方式，能夠有效的降低煤體中的靜載應(yīng)力水平和頂板運動烈度，以期為條件類似工作面的沖擊地壓防治提供參考。

1 工程概況

海石灣煤礦為沖擊地壓和煤與CO2突出礦井。6224-1工作面位于海石灣煤礦二采區(qū)，工作面走向長度337m，傾向?qū)挾?85.5m，開采深度740～890m。工作面開采煤二層，煤層厚度約41.5m，傾角約7°，采用傾斜分層、走向長壁后退式綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。6224-1工作面開采首分層，分層厚度15～36m，其中機采高度4m。工作面東、西、北側(cè)為實體煤，南側(cè)為6223-1和6223-2采空區(qū)。為防治臨空巷道沖擊地壓，6224-1運輸巷布置在6223-2采空區(qū)下，內(nèi)錯采空區(qū)12m，頂煤厚度約8m，如圖1所示；為防治瓦斯和沖擊地壓，礦井開采油頁巖層作為煤二層的保護層，6224-1工作面上方為6213和6214油頁巖采空區(qū)，兩采空區(qū)之間留有40.5m巖柱，巖柱距6224-1運輸巷29.8m。煤二層與油頁巖層相距約35m。6224-1工作面煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚度為1.5m，老頂為灰黑、深灰色細砂巖和粉細砂巖互層，普氏硬度f=6～8；直接底板為灰黑色炭質(zhì)泥巖，厚度為3.96m，老底為灰白色含礫細砂巖。6224-1工作面范圍的鉆孔柱狀如圖2所示。煤二層具有弱沖擊傾向性(動態(tài)破壞時間為400ms、彈性能指數(shù)為2.12、沖擊能指數(shù)為4.55、單軸抗壓強度為8.05MPa)，頂板具有強沖擊傾向性(彎曲能量指數(shù)為203kJ)，底板具有弱沖擊傾向性(彎曲能量指數(shù)為72.1kJ)；6224-1工作面經(jīng)沖擊危險性評價具有中等沖擊危險性(綜合指數(shù)為0.57)。

圖1 6224-1工作面傾向剖面

圖2 鉆孔柱狀圖(部分)

2 專用措施巷防沖實踐

2.1 上覆遺留巖柱對工作面回采的影響

根據(jù)研究，沖擊地壓的發(fā)生需滿足一定的力學(xué)條件，當(dāng)煤巖體中靜載應(yīng)力與礦震形成的動載應(yīng)力之和大于煤巖體沖擊破壞的臨界應(yīng)力，可誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害[14]，即：

σs+σd≥σb，min

式中，σb，min為發(fā)生沖擊地壓時的最小應(yīng)力，MPa；σs為靜載應(yīng)力，MPa；σd為動載應(yīng)力，MPa。

在沖擊地壓方面，保護層遺留巖柱對6224-1工作面回采的影響也主要體現(xiàn)在靜載和動載兩方面。兩側(cè)采空的孤島煤柱應(yīng)力集中程度較高，而其根源在于其上覆頂板可能會形成特殊的“T”型頂板空間結(jié)構(gòu)[15，16]，如圖3所示。在“T”型頂板空間結(jié)構(gòu)下，6224-1工作面回采期間會受到兩方面的影響。靜載方面，由于巖柱兩側(cè)采空區(qū)頂板下沉不充分，會形成大面積懸頂，所以巖柱不僅受到本身自重應(yīng)力的影響，受兩側(cè)采空區(qū)的側(cè)向支承應(yīng)力影響更大，而且埋深越大應(yīng)力越高；在巖柱相對較窄的情況下，巖柱中間應(yīng)力最高，向兩側(cè)逐漸降低；應(yīng)力會向下傳遞，形成應(yīng)力影響區(qū)域[17]；在此影響范圍內(nèi)，不但煤巖體內(nèi)的靜載應(yīng)力較高，工作面來壓也相較于普通工作面劇烈。動載方面，因為巖柱的存在，所以巖柱及兩側(cè)采空區(qū)的頂板下沉并不充分，導(dǎo)致巖柱兩側(cè)的6213和6214油頁巖工作面回采時上覆三帶的發(fā)育相對孤立，更高范圍內(nèi)的關(guān)鍵層并未斷裂；當(dāng)下部的6224-1工作面回采時，不僅會受到本工作面上方頂板垮落產(chǎn)生的動載影響，而且會受到巖柱頂板垮落及兩側(cè)采空區(qū)懸頂垮落的影響；同時因為6224-1工作面的回采，使得6213和6214油頁巖工作面上覆三帶發(fā)育勾連，導(dǎo)致三工作面頂板協(xié)同運動、相互影響，造成更高層位的關(guān)鍵層破斷，覆巖運動較為劇烈。

圖3 遺留巖柱“T”型覆巖結(jié)構(gòu)

2.2 防治方案優(yōu)化

根據(jù)研究，當(dāng)煤巖體內(nèi)的靜載水平較低時，誘發(fā)沖擊所需的動載較大；當(dāng)煤巖體內(nèi)的靜載水平較高時，較小的動載即可誘發(fā)沖擊[18]。所以，6224-1工作面上覆遺留巖柱區(qū)的沖擊地壓防治可從兩方面出發(fā)，一方面是降低巖柱影響區(qū)煤巖體的靜載水平，另一方面是降低工作面回采時產(chǎn)生動載的強度和頻度。一般對于工作面周邊煤巖體動靜載的控制，便于操作和比較有效的方法主要有頂板深孔爆破、煤層大直徑鉆孔、煤體爆破等(限于篇幅，以下僅斜述解決遺留巖柱問題的措施)。

2.2.1 防治方案對比分析

6224-1工作面運輸巷布置在6223-2采空區(qū)下，內(nèi)錯采空區(qū)12m左右。若從工作面運輸巷沿傾向向巖柱影響區(qū)實施頂板深孔爆破和煤體爆破，會打穿采空區(qū)；若從工作面內(nèi)沿走向巖柱影響區(qū)施工頂板深孔爆破、煤體爆破孔和大直徑鉆孔，隨工作面推采循環(huán)施工，則會占用大量工作面正常生產(chǎn)的時間，嚴重影響生產(chǎn)，使礦井難以達到核定產(chǎn)能；若從工作面運輸巷沿傾向向巖柱影響區(qū)煤體施工大直徑鉆孔，從工作面沿走向向巖柱影響區(qū)施工煤體爆破，從工作面回風(fēng)巷沿傾向向巖柱影響區(qū)施工頂板深孔爆破，則施工難度較大，尤其是從工作面回風(fēng)巷向巖柱影響區(qū)施工頂板深孔爆破，根據(jù)計算孔深可達143m，而且傾角較小，鉆孔塌孔和裝藥均為巨大的難題，難以解決。為解決上述問題，可以在保護層卸壓范圍內(nèi)，巖柱影響區(qū)外沿工作面走向布置專用措施巷，在專用措施巷內(nèi)向巖柱影響區(qū)施工頂板深孔爆破和煤體爆破，從工作面運輸巷和專用措施巷內(nèi)向巖柱影響區(qū)煤體施工大直徑鉆孔，這樣不但能減少方案施工占用時間和降低施工難度，而且能確保安全與產(chǎn)能。

2.2.2 專用措施巷合理位置分析

專用措施巷需布置在巖柱影響區(qū)外，文獻[19] 提供了兩種確定保護層遺留巖柱影響范圍的方法：①根據(jù)被保護區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)實測確定；②根據(jù)相關(guān)參數(shù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)計算確定。對于6224-1工作面上覆遺留巖柱的影響范圍可同時采用兩種方法確定，并取其中結(jié)果較大的。

專用措施巷平面位置如圖4所示。6224-1聯(lián)絡(luò)巷由6224-1運輸巷側(cè)開口掘進，巷道掘進過程中每日在巷道迎頭和兩幫施工鉆屑監(jiān)測孔，鉆孔深度為10m；選擇巷道靠切眼幫的鉆屑監(jiān)測孔出屑量進行分析，共有19組數(shù)據(jù)，各鉆屑監(jiān)測孔平均每米鉆屑量如圖5所示。從圖5可以看出，6224-1聯(lián)絡(luò)巷距6224-1運輸巷23.5～87m段巷道幫部鉆屑監(jiān)測孔平均每米鉆屑量明顯大于其他區(qū)域，由此可大概確定巖柱影響范圍。

圖4 專用措施巷平面位置

圖5 聯(lián)絡(luò)巷靠切眼幫鉆屑監(jiān)測孔平均每米鉆屑量

根據(jù)文獻[19]中附錄B中相關(guān)方法和參數(shù)結(jié)合工作面相關(guān)數(shù)據(jù)，計算出巖柱影響范圍為距6224-1運輸巷21.5～94m。為安全考慮，取距6224-1運輸巷21.5～94m為巖柱影響范圍，影響范圍如圖4所示。綜上，平面上可將專用措施巷布置在距工作面運輸巷約100m的位置；同時為便于工作面回采期間對專用措施巷的處理，垂面上，將專用措施巷布置在工作面機采的層位。

2.2.3 卸壓措施參數(shù)

從工作面運輸巷和專用措施巷施工的大直徑鉆孔孔徑為113mm、間距為0.7m、布置方式為上下兩排的三花布置，下排開孔位置距底板0.8m，上排開孔位置距底板1.3m，布置在下排兩鉆孔中間，其余參數(shù)見表1；煤體爆破和頂板深孔爆破孔徑為75mm、每孔裝藥長度為20m，3.6kg/m，總裝藥量72kg、封孔長度不小于孔深的1/3、每15m施工一組、每組6個孔，為避免殘爆現(xiàn)象，采用煤礦許用導(dǎo)爆索引爆，其余參數(shù)見表2。各卸壓措施布置如圖6所示。

表1 大直徑鉆孔參數(shù)表

表2 專用措施巷爆破孔參數(shù)表

圖6 專用措施巷卸壓措施傾向剖面

3 實踐效果

6224-1工作面于2020年9月5日正式回采，工作面回采前已全部施工第2.2.3節(jié)所述措施，并已封閉專用措施巷。截止2021年2月2日(歷時153天，占全年時間的41.92%)，工作面已安全回采164.1m，平均日進尺1.07m，回采煤量80.6萬t，完成核定產(chǎn)能的44.78%(核定產(chǎn)能180萬t/a)，期間未發(fā)生過沖擊地壓現(xiàn)象；而且由于煤體爆破孔的施工，提高了頂煤回收率，根據(jù)統(tǒng)計和計算，頂煤回收率由上一分層工作面的88.7%提升至本工作面的95.3%，截止2021年2月2日，已多采煤量5.6萬t，提高經(jīng)濟效益約5000萬元。下面從工作面回采期間的靜載監(jiān)測(液壓支架阻力監(jiān)測)和動載監(jiān)測(微震監(jiān)測)兩方面檢驗實踐效果。

6224-1工作面共安裝123副液壓支架，設(shè)計初撐力不低于24MPa，其中第15架—第65架位于巖柱影響區(qū)內(nèi)，第40架位于巖柱影響區(qū)中部，所以選取第40架和第100架監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比。為避免工作面回采初期設(shè)備調(diào)試對監(jiān)測的影響，所以選取2020年11月—2021年1月的數(shù)據(jù)；為便于對比，選取每日應(yīng)力最大值，每隔兩天提取一組數(shù)據(jù)，共有31組數(shù)據(jù)，液壓支架工作阻力對比如圖7所示。由圖7可知，其中16組數(shù)據(jù)第40架應(yīng)力高于第100架，第40架和第100架應(yīng)力平均值分別為31.07MPa、29.59MPa，兩液壓支架應(yīng)力值相近，并沒有明顯的差別，說明經(jīng)過卸壓后巖柱影響區(qū)和未受巖柱影響的區(qū)域靜載應(yīng)力相近，卸壓效果較好。

圖7 液壓支架工作阻力對比

同樣選取2020年11月—2021年1月工作面周邊50m范圍內(nèi)的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，礦震統(tǒng)計結(jié)果見表3，礦震分布如圖8所示；為便于觀察，礦震分布圖中只顯示能量103J以上的礦震。由表3可以看出，6224-1工作面回采期間以103J能量以下的礦震為主，103J以上能量級別的礦震僅占7.79%，無105J能量以上的礦震，整體礦震能量等級較低；由圖8可知，礦震主要集中在工作面中下部，沒有明顯集中在巖柱區(qū)域的現(xiàn)象。

表3 礦震統(tǒng)計結(jié)果

圖8 2020.11—2021.1礦震分布

在巖柱影響區(qū)外保護層保護范圍內(nèi)沿走向布置專用措施巷，在專用措施巷內(nèi)向巖柱影響區(qū)施工卸壓措施，對海石灣煤礦6224-1工作面上覆遺留巖柱區(qū)沖擊地壓的防治效果較好。

4 結(jié) 論

1)從動靜載方面分析了6224-1工作面上覆遺留巖柱對工作面回采的影響，得出巖柱影響區(qū)靜載較高的原因是巖柱上方頂板會形成特殊的“T”型空間結(jié)構(gòu)；動載較高的原因是工作面回采時不僅會受到本工作面、巖柱和兩側(cè)采空區(qū)懸露頂板垮落產(chǎn)生的動載影響，還會受到區(qū)域巖層協(xié)同運動以及更高層位關(guān)鍵層破斷產(chǎn)生的動載影響。

2)根據(jù)6224-1工作面的結(jié)構(gòu)特征和上覆巖柱處理的難題，設(shè)計在巖柱影響區(qū)外保護層下沿走向布置專用措施巷，在專用措施巷內(nèi)向巖柱影響區(qū)施工卸壓措施。經(jīng)實踐驗證，該方法對6224-1工作面上覆遺留巖柱區(qū)沖擊地壓的防治效果較好、頂煤回收率高，可為條件類似工作面的沖擊地壓防治提供參考。