厚硬頂板寬煤柱臨空巷道沖擊地壓防治技術(shù)研究

陳 星，馮美華，尚 楠，秦子晗

(1.陜西彬長文家坡礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

近十年來，隨著礦井煤機(jī)裝備越來越先進(jìn)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)高效開采目的，蒙陜地區(qū)呼吉爾特礦區(qū)及陜西彬長礦區(qū)礦井生產(chǎn)均借鑒神東礦區(qū)采用“雙巷”尾隨掘進(jìn)、相鄰工作面順序接續(xù)開采模式，并留設(shè)寬25～45m區(qū)段煤柱護(hù)巷[1]。該模式未充分考慮沖擊地壓災(zāi)害，使得臨空巷道受兩次回采擾動(dòng)影響，寬煤柱內(nèi)形成高應(yīng)力集中，尤其在厚硬頂板斷裂等強(qiáng)動(dòng)載作用下，極易發(fā)生沖擊顯現(xiàn)[2，3]。因此，研究厚硬頂板寬煤柱臨空巷道沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理對彬長礦區(qū)沖擊地壓防治具有重要意義。

目前，國內(nèi)學(xué)者對厚硬頂板下臨空煤柱與沖擊地壓的關(guān)系做了較多研究。竇林名等認(rèn)為堅(jiān)硬砂巖頂板破斷是沖擊地壓發(fā)生的主控因素[4]；潘俊鋒等采用理論分析及現(xiàn)場實(shí)測方法建立了側(cè)向采空區(qū)頂板斷裂誘發(fā)時(shí)滯性沖擊啟動(dòng)力學(xué)模型，揭示了沖擊啟動(dòng)原理[5]；姜福興等提出了影響采場沖擊地壓應(yīng)力場的“載荷三帶”巖層結(jié)構(gòu)模型，并可用于采場沖擊危險(xiǎn)性的評價(jià)、監(jiān)測和防治[6]；牟宗龍?zhí)岢隽嗣簬r沖擊破壞和頂板巖層誘發(fā)沖擊的沖能原理以及沖擊破壞判別準(zhǔn)則[7]。王濤等分析了堅(jiān)硬懸頂下煤柱的受力狀態(tài)，揭示了臨空巷道煤柱沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理，提出頂板深孔爆破預(yù)裂的防沖卸壓方法[8]；楊偉利等通過理論分析及數(shù)值計(jì)算得出臨空煤柱的煤體垂直應(yīng)力分布特征，建立了臨空煤柱沖擊發(fā)生的力學(xué)模型，認(rèn)為煤柱的原有應(yīng)力及超前支承壓力疊加作用下超出煤體承載極限值而誘發(fā)沖擊[9]；秦子晗分析了寬煤柱條件下沿空巷道掘進(jìn)過程沖擊地壓發(fā)生因素為采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力、煤柱內(nèi)巷道群應(yīng)力及采動(dòng)應(yīng)力相互疊加破壞煤柱區(qū)穩(wěn)定性，提出從巷道布置、煤柱尺寸及采掘接替等源頭治理思路[10]。

以上研究分析了堅(jiān)硬頂板、煤柱穩(wěn)定性及留設(shè)寬度等對煤柱沖擊地壓的影響機(jī)理，但針對“雙巷”尾隨掘進(jìn)、相鄰工作面順序接續(xù)開采模式下臨空巷道受兩次回采擾動(dòng)過程中煤柱應(yīng)力分布狀態(tài)、覆巖活動(dòng)規(guī)律及載荷能傳遞過程研究較少。鑒于此，采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等方法分析了厚硬頂板臨空寬煤柱受兩次回采擾動(dòng)過程的應(yīng)力分布特征及覆巖活動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而得出了礦井工作面集中動(dòng)、靜載荷的演化機(jī)制，揭示了兩次回采擾動(dòng)下厚硬頂板寬煤柱臨空巷道沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理，并針對此類沖擊地壓條件提出了基于動(dòng)靜載荷的幫部煤體爆破及頂板深孔爆破預(yù)裂卸壓分源治理方案，已期為此類沖擊地壓礦井安全開采提供借鑒。

1 工程背景

文家坡礦位于彬長礦區(qū)東部，目前主采4#煤層，煤層厚度平均8.04m，煤層傾角1°～6°，4#煤層及其頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性，當(dāng)前采用“雙巷”掘進(jìn)、相鄰工作面順序接續(xù)方式開采，工作面傾向長度200～240m。4104工作面為當(dāng)前主采41盤區(qū)第4個(gè)工作面，東臨4103采空區(qū)，西接4015工作面，南依41盤區(qū)開拓大巷，北靠紅巖河保護(hù)煤柱。工作面埋深633～679m，走向長度2201m，傾向長度200m，采用綜放開采工藝。4104工作面直接頂為厚1.30～2.66m的粗粒砂巖或泥巖，基本頂為厚3.51～6.10m 的粗粒砂巖，直接底為厚1.96～7.14m的泥巖或鋁質(zhì)泥巖。

4104回風(fēng)巷為臨空巷道，區(qū)段煤柱寬度44.5m，煤厚約8.2m，煤層單軸抗壓強(qiáng)度為22.62MPa，煤層上方40m范圍內(nèi)存在單層厚度6.29m、16.55m 的細(xì)粒砂巖與粗粒砂巖，平均單軸抗壓強(qiáng)度為 33.28 MPa。4104工作面回采至后半段時(shí)，沿空回風(fēng)巷分別于2020年2月19日、2月27日發(fā)生了2次沖擊事件，其中“2.19事件”釋放能量3.7×105J，沖擊造成回風(fēng)巷超前41m范圍內(nèi)瞬間變形，底鼓0.4～1m，煤柱幫外鼓0.3～1m，空氣壓縮形成沖擊波造成施工人員倒地受傷，同時(shí)造成頂板及回采幫局部區(qū)域錨桿錨索失效、鋼帶網(wǎng)片斷裂，單體損壞、傾斜50余根。4104回風(fēng)“2.19事件”震源點(diǎn)及顯現(xiàn)位置如圖1所示。

圖1 “2.19事件”震源點(diǎn)及顯現(xiàn)位置

2 寬煤柱臨空巷道沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

2.1 寬煤柱靜載荷分布特征

應(yīng)用FLAC3D軟件針對4104工作面臨空巷道在上一個(gè)工作面(4103工作面)開采時(shí)超前支承壓力、后方側(cè)向支承壓力作用下載荷特征，以及在本工作面二次采動(dòng)作用下超前區(qū)域受力狀態(tài)進(jìn)行分析，得到臨空巷道寬煤柱在兩次回采擾動(dòng)過程中靜載荷分布特征，并提取寬煤柱某固定位置在這三個(gè)過程的煤體垂直應(yīng)力，如圖2所示。

圖2 寬煤柱兩次回采擾動(dòng)下垂直應(yīng)力分布

4103工作面推進(jìn)過程中，4104回風(fēng)巷工作面?zhèn)却怪眽毫皞?cè)向支承壓力影響范圍整體上變化不大，從超前30m推進(jìn)至滯后30m過程中，側(cè)向支承壓力峰值略有小幅增加(約3MPa)，而44.5m寬煤柱內(nèi)從4104回風(fēng)巷朝著4103運(yùn)輸巷方向增幅逐漸增大，由4MPa增加至9MPa，表明寬煤柱受自重壓力作用下的基礎(chǔ)載荷在工作面超前支承壓力及后方頂板再次施加煤柱壓力作用下逐步升高到較高水平。4104工作面推進(jìn)過程中，4104回風(fēng)巷工作面?zhèn)仁艹?、?cè)向支承壓力疊加作用整體升高約10MPa，煤柱側(cè)壓力升高約6MPa(臨空側(cè)5m范圍因塑性破壞而壓力下降)。經(jīng)過兩次采動(dòng)影響后，煤柱應(yīng)力向4104回風(fēng)巷側(cè)轉(zhuǎn)移，提升了臨空巷道整體靜載荷水平，沖擊危險(xiǎn)性顯著增加。

2.2 臨空巷道側(cè)向頂板覆巖活動(dòng)特征

煤體受壓超過其強(qiáng)度臨界值及側(cè)向懸頂承受彎曲彈性能超過破斷臨界值時(shí)，會(huì)通過釋放彈性能的方式生成微震事件，微震事件的空間分布特征可反映寬煤柱臨空巷道側(cè)向頂板覆巖活動(dòng)特征及載荷演化規(guī)律[11-18]。礦井于2020年2月開始應(yīng)用ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)對全礦井采動(dòng)影響區(qū)域進(jìn)行圍巖活動(dòng)監(jiān)測，截止2020年3月31日，共監(jiān)測到微震事件435起，總釋放能量6.2×106J，如圖3所示，2次方及以上微震事件主要分布在4104工作面臨空巷道寬煤柱區(qū)域，且4次方及以上事件尤為集中于煤柱區(qū)域煤層上方20～37m厚硬粗粒砂巖層位。表明在4104工作面回采擾動(dòng)影響前提下，臨空寬煤柱在側(cè)向懸頂作用下承載壓力超出臨界值從而發(fā)生煤巖破裂，以3次方及以下能量微震事件釋放能量；其次，側(cè)向采空區(qū)長時(shí)間懸而未斷的頂板在回采擾動(dòng)下突然破斷，形成4次方及以上高能動(dòng)載荷源，高位頂板破斷形成震動(dòng)波傳播至臨空巷道靜載荷高的區(qū)域，從而誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)。

圖3 臨空巷道區(qū)域微震事件分布

2.3 巷道變形特征

4104回風(fēng)巷受兩次回采擾動(dòng)影響巷道變形較大，為觀測4104工作面推進(jìn)過程中臨空巷道超前區(qū)域頂、底板及兩幫表面位移變化情況，在里程1800～250m范圍布置32個(gè)基礎(chǔ)觀測點(diǎn)，工作面回采過程中持續(xù)觀察超前約500m范圍內(nèi)各觀測站(10個(gè))巷道變形情況。里程1700m處3#測站巷道變形情況如圖4所示，可以看出，隨工作面推進(jìn)，巷道變形量呈逐漸增加的趨勢：距離工作面250m時(shí)，巷道頂板及幫部開始出現(xiàn)緩慢變形；距離工作面約120m時(shí)，巷道變形量明顯加快，尤其煤柱幫移進(jìn)速度明顯加快；距離工作面約50m時(shí)底鼓量陡增顯著。從現(xiàn)場數(shù)據(jù)來看，4104回風(fēng)巷變形及破壞情況主要來自于底板及靠煤柱一側(cè)，巷道變形嚴(yán)重及破壞區(qū)域同時(shí)導(dǎo)致巷道圍巖支護(hù)力大大降低。

圖4 臨空巷道變形位移量

2.4 沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理

根據(jù)以上分析，礦井寬煤柱臨空巷道沖擊地壓發(fā)生機(jī)理可描述為：臨空巷道受兩次回采擾動(dòng)影響，在上工作面開采時(shí)集中靜載為主導(dǎo)的超前支承壓力和后方采空區(qū)強(qiáng)動(dòng)載為主導(dǎo)的頂板動(dòng)壓這兩次擾動(dòng)應(yīng)力作用下，巷道局部圍巖已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷導(dǎo)致抗沖擊能力顯著降低；本工作面開采時(shí)，受側(cè)向采空區(qū)厚硬頂板懸頂?shù)挠绊懀瑢捗褐鶅?nèi)積聚了大量壓縮彈性能，受移動(dòng)超前支承壓力及聯(lián)巷周邊集中應(yīng)力的影響，寬煤柱內(nèi)靜載荷水平進(jìn)一步升高，在頂板斷裂等強(qiáng)動(dòng)載作用下，瞬間達(dá)到煤柱沖擊失穩(wěn)的臨界載荷，導(dǎo)致抗沖擊能力降低的臨空巷道圍巖瞬間破壞，形成沖擊地壓。因此，對于受二次回采擾動(dòng)影響的臨空巷的沖擊地壓防治，應(yīng)采用動(dòng)靜載荷分源治理的方式削弱煤柱靜載荷及頂板動(dòng)載。臨空巷道沖擊地壓發(fā)生能量傳遞模型如圖5所示。

圖5 臨空巷道沖擊地壓發(fā)生能量傳遞模型

3 基于動(dòng)靜載荷分源防治技術(shù)應(yīng)用

3.1 動(dòng)靜載荷分源卸壓

基于前文分析獲得礦井工作面回采過程中寬煤柱臨空巷道圍巖動(dòng)靜載荷分布特征及沖擊致災(zāi)機(jī)理，采取針對性的基于動(dòng)靜載荷分源治理措施，對于臨空巷道寬煤柱煤體靜載荷采用幫部煤體卸壓措施，對于側(cè)向懸頂破斷產(chǎn)生的動(dòng)載荷采用提前頂板爆破預(yù)裂措施。

1)幫部煤體爆破卸壓：4104工作面回采過程中，在回風(fēng)巷超前區(qū)域開展兩幫爆破卸壓。爆破孔深15m，孔間距10m，孔徑75mm，裝藥長度4m，單孔裝藥量11kg，封口長度11m，開孔高度1.0～1.5m，采用三級煤礦許用乳化炸藥被筒炸藥，藥卷規(guī)格為?60mm×400mm，1孔一放或2孔一放。煤體爆破卸壓方案如圖6所示。

2)頂板爆破預(yù)裂卸壓：工作面回采過程中，在回風(fēng)巷超前區(qū)域開展頂板爆破預(yù)裂。預(yù)裂孔開孔位置為兩幫肩窩處，頂板處理高度為巷道頂板以上垂高37m，孔底位于17m厚粗粒砂巖11m處，裝藥段的垂向投影為23m，鉆孔傾角均為75°，孔間距10m，孔徑75mm，裝藥長度24m，單孔裝藥量66kg，封口長度14m，采用三級煤礦許用乳化炸藥被筒炸藥，藥卷規(guī)格為?60mm×400mm，1孔一放。頂板爆破預(yù)裂方案如圖6所示。

圖6 臨空巷道動(dòng)靜載分源卸壓方案

3.2 防治效果

“2.19”“2.27”兩次沖擊發(fā)生后，針對前期僅對兩幫進(jìn)行卸壓的防沖方案進(jìn)行調(diào)整：一是將原來煤體爆破方案中爆破孔間距由20m調(diào)整為10m；其次，增加了頂板爆破預(yù)裂措施。利用微震監(jiān)測數(shù)據(jù)對卸壓措施調(diào)整后的卸壓效果進(jìn)行分析，如圖7所示，卸壓措施調(diào)整后，截止到2020年5月31日，日平均微震能量由4.0×104J降低至2.0×103J，降幅95%，同時(shí)不再發(fā)生沖擊顯現(xiàn)及4次方及以上高能事件，卸壓效果顯著。

圖7 卸壓措施調(diào)整前后微震能量變化趨勢

4 結(jié) 論

1)通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測方法分析了厚硬頂板寬煤柱垂直應(yīng)力分布及覆巖活動(dòng)規(guī)律，揭示了導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生動(dòng)、靜載荷源分別來自寬煤柱垂直壓力及側(cè)向厚硬頂板破斷形成的高能微震事件。

2)厚硬頂板寬煤柱臨空巷道沖擊致災(zāi)機(jī)理為：工作面回采時(shí)，寬煤柱受側(cè)向懸頂支承壓力及移動(dòng)超前支承壓力疊加形成高靜載荷，在頂板斷裂等強(qiáng)動(dòng)載作用下，瞬間達(dá)到煤柱沖擊失穩(wěn)的臨界載荷，導(dǎo)致因受上一工作面采動(dòng)影響抗沖擊能力降低的臨空巷道圍巖瞬間破壞，形成沖擊地壓。

3)通過在寬煤柱臨空巷道采取幫部煤體爆破及頂板爆破預(yù)裂的分源卸壓措施，根據(jù)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，臨空巷道圍巖活動(dòng)性出現(xiàn)明顯降低，保障了4104工作面安全推采，防治效果顯著。