傾斜煤層區(qū)段煤柱爆破卸壓工程應用

曹民遠，李 康，閆瑞兵，杜濤濤

(1.神華新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830027；2.煤炭科學研究總院 開采設計研究分院，北京 100013)

0 引 言

寬溝煤礦自2012年在B4煤層綜采工作面首次發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)事故以后，隨著采深增加，綜采工作面附近圍巖應力集中程度逐步增強，尤其在沿空煤柱留設(簡稱區(qū)段煤柱)區(qū)域顯現(xiàn)最為明顯，形成高應力煤柱區(qū)。為了解決區(qū)段煤柱產(chǎn)生的應力集中現(xiàn)象，目前較為有效的方法是煤柱卸壓，通過爆破、水力壓裂等手段切斷煤柱內部或外部的應力傳播途徑，阻礙上覆巖層的應力傳遞并提前釋放煤柱內部的集聚能量，從而達到卸除煤柱集聚載荷的目的[1]。國內外學者對煤柱留設及卸荷開展了較為深入的研究。祁和剛等[1]通過研究發(fā)現(xiàn)葫蘆素2-1煤留設的30 m區(qū)段煤柱在側向支承壓力作用下對底板巖層的影響較大，其承壓破壞帶覆蓋整個巷道底板范圍，并提出了高位“鉆、切、壓”一體化技術切斷覆巖應力傳遞，低位煤層小孔徑爆破技術釋放煤柱內的集聚載荷的高應力區(qū)段煤柱綜合卸荷技術；王志強等[2]針對華豐煤礦沖擊地壓發(fā)生的影響因素研究，提出了負煤柱開采保護層的防沖新方法；尉瑞等[3]通過現(xiàn)場原位測試方法得出了淺埋綜放沿空小煤柱巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；張明等[4]揭示了厚硬巖層運動和煤柱應力演化之間的關系及其組成系統(tǒng)失穩(wěn)規(guī)律，提出了采場“厚硬巖層-煤柱”結構模型；張震等[5]利用高頻電磁波CT技術建立了基于電磁波衰減特征參數(shù)指標的煤柱穩(wěn)定性評價方法；孫福玉[6]、王福軍[7]、李慎鋒等[8]通過對區(qū)段煤柱應力分布情況進行分析研究，并提出了綜合防治技術，進一步豐富了區(qū)段煤柱應力防治技術體系。但目前針對區(qū)段煤柱的沖擊地壓防治研究主要針對煤柱留設和單項卸壓工程的參數(shù)設定等方面，針對性開展傾斜煤層上行開采條件下的區(qū)段煤柱側的應力分布研究較少，特別是區(qū)段煤柱附近綜合解壓工程研究仍缺乏，因此,筆者通過對寬溝煤礦區(qū)段煤柱應力分布規(guī)律進行研究，結合研究結果開展煤柱側煤體爆破與大直徑鉆孔卸壓相結合的工程措施，來解決區(qū)段煤柱側應力集中問題，同時對同類型礦井煤柱側卸壓解危具有一定的參考意義。

1 工程概況

1.1 礦井概況

神華新疆能源有限責任公司寬溝煤礦位于呼圖壁縣城西南70 km處，行政區(qū)劃隸屬新疆維吾爾族自治區(qū)昌吉回族自治州呼圖壁縣雀爾溝鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)主要可采煤層自下而上分別為B0、B1、B2、B3、B4-1、B4-1下、B4-2煤層，現(xiàn)開采煤層為B2煤層，B2煤層平均厚度為9.5 m，傾角平均為14°，屬于傾斜特厚煤層。B2煤層采用東西雙翼開采方式，單翼各布置2個綜采放頂煤工作面，目前生產(chǎn)工作面為西翼I010203 工作面，西翼I010203工作面與下部已回采完畢的西翼I010201工作面由寬15 m區(qū)段煤柱隔開。西翼I010203工作面采用走向長壁綜采放頂煤工藝，后退式回采，傾斜長度192 m，可采走向長度1 470 m，采高3.2 m，放煤厚度6.3 m，具體如圖1所示。

圖1 I010203工作面分布

1.2 煤巖層沖擊傾向性

寬溝煤礦B2煤層試樣的動態(tài)破壞時間(DT)測試平均值為254 ms，大于50 ms，小于500 ms，按GB/T 25217.2—2010規(guī)定應為弱沖擊傾向性；沖擊能量指數(shù)(KE)的測試平均值為3.20，按GB/T 25217.2—2010規(guī)定應為弱沖擊傾向性；彈性能量指數(shù)(WET)的測試平均值為4.09，按GB/T 25217.2—2010規(guī)定應為弱沖擊傾向性。單軸抗壓強度(Rc)的測試平均值為24.14，按GB/T 25217.2—2010規(guī)定應為強沖擊傾向性。通過對煤層4個沖擊傾向性指數(shù)進行模糊計算，得出DT和Rc的隸屬度為0.3，WET和KE的隸屬度各為0.2，綜合判定B2煤層屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性的煤層。

通過測定，B2煤層頂板彎曲能量指數(shù)為177.67 kJ，按GB/T 25217—2010規(guī)定應屬Ⅲ類，為具有強沖擊傾向性的頂板巖層；煤層底板彎曲能量指數(shù)為26.82 kJ，按GB/T 25217.1—2010規(guī)定應屬Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性的底板巖層。

2 應力分布范圍

2.1 回風巷上幫應力分布

通過對安裝在西翼I010203工作面進風巷上幫KJ21煤體應力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，來研究工作面超前支承壓力影響范圍，具體如圖2所示，認為西翼I010203工作面采動影響范圍為超前工作面80.6～110.6 m，顯著影響范圍為超前工作面50 m范圍內，為此確定預卸壓范圍為超前工作面50～120 m。

圖2 進風巷上幫側煤體應力監(jiān)測結果

按不同安裝深度的煤體應力計進行無量綱處理，即把實際的應力值除安裝初始應力值，得到不同煤柱深度應力曲線如圖3所示。通過對不同深度應力曲線分析，認為煤層側淺部應力高于深部應力，距離工作面越遠，淺部容易產(chǎn)生應力集中，靠近工作面的過程，淺部應力集中程度升高，實測在4.5 m位置的煤體應力集中程度最高。

圖3 進風巷上幫煤體不同深度應力監(jiān)測結果

2.2 區(qū)段煤柱應力分布

煤柱側煤體應力演化過程，根據(jù)安裝在進風巷下幫KJ21煤體應力監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結果進行分析，如圖4所示，認為西翼I010203工作面區(qū)段煤柱受采動影響范圍為超前工作面80 m內，顯著影響范圍為超前工作面60 m內，因此，確定預卸壓范圍為超前工作面60～80 m。

圖4 進風巷下幫側應力監(jiān)測結果

按不同安裝深度的煤體應力計進行無量綱處理，把實際的應力除安裝初始應力，得到不同煤柱深度應力曲線如圖5所示。通過對不同深度應力曲線分析，認為隨工作面推進，煤柱側深部應力集中程度增加，且應力集中區(qū)不低于9 m，可能應力峰值處于更深的位置。

圖5 區(qū)段煤柱側向應力監(jiān)測結果

3 區(qū)段煤柱卸壓工程

通過對西翼I010203工作面礦震引起變形顯現(xiàn)的區(qū)域進行統(tǒng)計，工作面進風巷顯現(xiàn)占比90.9%，工作面回風巷及中巷顯現(xiàn)占比9.1%，同時進風巷巷道的下幫(區(qū)段煤柱側)顯現(xiàn)嚴重程度明顯強于上幫，呈現(xiàn)出明顯的區(qū)段煤柱為中心的應力集中區(qū)。為消除區(qū)段煤柱區(qū)集聚的應力，分別在西翼I010203工作面施工大直徑鉆孔及煤體爆破孔進行超前爆破卸壓。

3.1 煤體爆破卸壓工程

沖擊地壓的致災機理能量論認為造成沖擊地壓災害顯現(xiàn)的主要根源在于煤巖體本身中積聚的彈性能，受到采動擾動等因素的影響下造成彈性能的集中釋放，產(chǎn)生破壞。煤層爆破卸壓是用爆破的方法減緩其應力集中和能量積聚程度，達到卸壓解危的目的。煤體爆破卸壓能有效消除沖擊地壓發(fā)生的強度條件和能量條件，煤巖體強度和能量弱化后，圍巖的應力峰區(qū)發(fā)生擴散或者向煤巖體深部轉移，降低了工作面或者巷道附近應力集中程度，根據(jù)現(xiàn)場實測，煤體爆破中加大裝藥加量能釋放更大的的爆破能，人為地超前誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生， 使沖擊地壓發(fā)生在適合的時間和地點發(fā)生，避免更大的沖擊危險[9]。

根據(jù)相關研究[10-11]，西翼I010203工作面回風巷上幫采取煤體爆破方法對I010201工作面?zhèn)认驊M行超前卸壓，鉆孔參數(shù)為：孔徑42 mm，孔長10 m，裝藥長度5 m，孔間距為5 m，垂直煤壁施工，鉆孔仰角14°，正向不耦合裝藥，單孔單次爆破，炸藥采用礦用三級許可乳膠基質炸藥，黃土封泥封孔，超前工作面50 m爆破，提前釋放工作面淺部集中區(qū)集聚的應力，具體如圖6所示。

圖6 煤體爆破孔施工圖

3.2 煤柱側大直徑鉆孔卸壓工程

結合相關研究結論[12]，卸壓鉆孔由外向內可分為彈性區(qū)、塑性區(qū)及破裂區(qū) 3 類，鉆孔卸壓通過改變鉆孔附近的圍巖體屬性來降低圍巖應力集中程度，卸壓鉆孔施工后，鉆孔周圍形成塑性區(qū)，降低圍巖應力。當卸壓鉆孔的孔間距位于鉆孔應力疊加區(qū)時，存在輕度應力集中，當應力疊加值超過煤體極限強度時，卸壓鉆孔間煤體發(fā)生破壞，釋放煤體內部積聚的應力及能量，以達到防治沖擊地壓的目的[13]。李云鵬等[14]根據(jù)鉆孔坍塌前后煤體體積不變原則，得出了卸壓鉆孔塑性區(qū)半徑的計算公式為

(1)

式中：σy為垂直應力，MPa；R0為卸壓鉆孔半徑，m；Rp1為最終破裂區(qū)半徑，m；λ為側壓系數(shù)；c為煤體黏聚力，MPa；φ為煤體內摩擦角，(°)；θ為環(huán)向角度，(°)；m為最終破裂區(qū)半徑與卸壓鉆孔關聯(lián)參數(shù)，通常取值1.73～2.44；n為修正系數(shù)，通常取1.5～2.5[15]。

按照公式(1)對孔徑133 mm卸壓鉆孔的塑性區(qū)半徑進行了計算，相關參數(shù)通過煤層地質報告以及力學參數(shù)測定報告得出，具體詳見表1。

表1 西翼I010203 工作面地質力學參數(shù)

通過計算，鉆孔直徑133 mm卸壓鉆孔的塑形區(qū)半徑為0.22～0.52 m。由于計算過程中卸壓鉆孔中塌孔僅增加煤體中的裂隙，而原裂隙區(qū)的半徑不再增大，導致卸壓鉆孔塑性區(qū)半徑數(shù)值相對保守。同時參考相關研究[16-18]，將區(qū)段煤柱側大直徑鉆孔塑性區(qū)半徑選定為0.5 m，鉆孔的參數(shù)為：鉆孔間距1 m，孔徑133 mm，孔長9 m，卸壓孔施工位置超前工作面120 m，具體如圖7所示。

圖7 煤體卸壓孔施工圖

4 區(qū)段煤柱工程效果驗證

4.1 煤體爆破工程效果驗證

根據(jù)研究[19-20]，PASAT-M探測技術能實現(xiàn)煤巖體工程效果的有效驗證。I010203工作面1 398～1 200 m區(qū)域回采前采用PASAT探測劃定了6個沖擊危險區(qū)域，其中位于進風巷存在2處危險區(qū)域，分別為：位于進風巷1 270～1 220 m(區(qū)域1)和進風巷1 336～1 300 m(區(qū)域2)，具體如圖8a所示。PASAT去圖危險程度見表2。針對進風巷存在的兩處沖擊危險區(qū)域，采用了42 mm孔徑的煤體爆破卸壓，鉆孔參數(shù)按照本研究確定的參數(shù)執(zhí)行，爆破后對進風巷沖擊危險區(qū)域進行了PASAT探測驗證，具體如圖8b所示。通過卸壓前后PASAT探測結果對比，認為煤體爆破孔卸壓效果較為明顯，能起到降低煤體應力的效果，設計的爆破參數(shù)能夠滿足進風巷淺部應力卸壓要求。

表2 PASAT云圖危險程度參數(shù)

圖8 爆破卸壓前后PASAT探測分布

4.2 大直徑鉆孔卸壓工程驗證

煤體大直徑鉆孔卸壓工程驗證采用對卸壓孔施工前后圍巖應力變化程度來進行驗證，通過安裝在進風巷下幫(區(qū)段煤柱側)1 265 m的應力監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，具體如圖9所示。隨著工作面的推進，區(qū)段煤柱側應力逐漸增加，當工作面回采至4月11日，至石門1 300 m處開始施工大直徑鉆孔，但日推進度由之前的1.6 m提高至2.4 m，期間由于卸壓孔的施工對區(qū)段煤柱側的應力產(chǎn)生的一定程度的影

圖9 煤體卸壓與應力變化關系

響，但由于開采強度增加造成采動擾動加劇，造成區(qū)段煤柱側應力仍然呈現(xiàn)一定程度的增長態(tài)勢。當卸壓孔施工至4月22日(走向1 277 m)時，區(qū)段煤柱側應力呈現(xiàn)急劇下降態(tài)勢，充分表明大直徑鉆孔卸壓孔能有效降低圍巖應力，但卸壓孔施工至一定數(shù)量、形成一定的卸壓面才能達到降低圍巖應力的作用。

5 結 論

1)通過對進風巷上幫安裝的煤體應力監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，認為西翼I010203工作面采動影響范圍為超前工作面80.6～110.6 m，顯著影響范圍為超前工作面50 m內，為此確定預卸壓范圍為超前工作面50～120 m。煤層側淺部應力高于深部應力，4.5 m位置的煤體應力集中程度最高；距離工作面越遠，淺部容易產(chǎn)生應力集中，靠近工作面的過程，淺部應力集中程度升高。

2)區(qū)段煤柱側的應力呈現(xiàn)如下變化：西翼I010203工作面區(qū)段煤柱受采動影響范圍為超前工作面80 m范圍內，顯著影響范圍為超前工作面60 m內，為此確定預卸壓范圍為超前工作面60～80 m。煤柱側深部應力集中程度隨工作面推進而增加，且應力集中區(qū)位于9 m以上的深部位置。

3)煤體爆破卸壓前后PASAT探測能量分布云圖對比結果驗證了煤體爆破能實現(xiàn)預期卸壓目的。卸壓孔施工前后應力監(jiān)測結果充分表明大直徑鉆孔能有效降低圍巖應力，但卸壓孔施工至一定數(shù)量、形成一定的卸壓面才能達到降低圍巖應力的作用。