堅(jiān)硬厚頂板煤柱型沖擊地壓防治技術(shù)研究

孫秉成，蘭世瑞，張傳玖，李振雷，李紅平，楊 旭，賈兵兵

(1.神華新疆能源有限責(zé)任公司 寬溝煤礦，新疆 呼圖壁 831200；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

沖擊地壓是礦井生產(chǎn)過(guò)程中突然發(fā)生的一種具有強(qiáng)破壞性的動(dòng)力現(xiàn)象[1，2]。通常在堅(jiān)硬頂板、煤柱、斷層、褶曲等采礦技術(shù)和生產(chǎn)地質(zhì)條件下發(fā)生頻繁，已有研究表明，厚硬頂板是煤礦發(fā)生沖擊地壓的主要致災(zāi)源之一[3]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在沖擊地壓機(jī)理、監(jiān)測(cè)預(yù)警及防治方面已經(jīng)取得了大量成果，但由于受到開采深度、開采強(qiáng)度及特殊地質(zhì)條件影響，仍存在機(jī)理研究不足等問(wèn)題，導(dǎo)致采取的防治措施較單一，所以采取相應(yīng)卸壓防沖措施已成為礦井生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)之一[4，5]。

特厚堅(jiān)硬頂板通常不易破斷，工作面推進(jìn)過(guò)后會(huì)形成懸頂，當(dāng)懸頂超過(guò)其承受極限便會(huì)破斷垮落；由于懸頂屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)積聚的能量也就越大，當(dāng)其發(fā)生破斷時(shí)內(nèi)部?jī)?chǔ)存的巨大能量轉(zhuǎn)化為沖擊波對(duì)工作面及圍巖產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，進(jìn)而造成沖擊地壓[6-8]?，F(xiàn)有研究已在沖擊地壓防治方面取得一定的成果[9-14]，但是對(duì)于堅(jiān)硬厚頂板這種特定地質(zhì)條件的防治技術(shù)及參數(shù)設(shè)置還需進(jìn)一步細(xì)化研究。據(jù)此，本文選取寬溝煤礦I010203工作面作為研究對(duì)象，通過(guò)分析其上覆堅(jiān)硬厚頂板致災(zāi)主控因素，在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的防沖技術(shù)措施，并基于工作面卸壓防沖前后微震事件變化規(guī)律對(duì)工作面防治技術(shù)進(jìn)行效果檢驗(yàn)，以期為相似工作面卸壓解危提供參考。

1 工作面概況

寬溝煤礦開拓方式為反斜井分水平開拓，礦井共有6個(gè)可采煤層，分別為B1、B2、B3、B4-1及B4-2煤層等。I010203工作面位于一采區(qū)，屬于B2煤層，B2煤層上部的B4-1及B4-2煤層均已經(jīng)開采。工作面埋深約400m，傾向長(zhǎng)192m，走向?yàn)?469m左右，煤厚平均約12.95m，煤層傾角平均14°，采用綜放開采，采放比約1∶2。I010203工作面北側(cè)為I010201采空區(qū)，之間留有15m的煤柱；工作面上方約50m包含B4-1煤層的I010403和I010405兩個(gè)采空區(qū)；工作面下方為B1煤層實(shí)體煤，工作面在煤層中部開設(shè)一條工藝巷，以滿足開采過(guò)程中卸壓措施的實(shí)施。工作面附近鉆孔綜合柱狀如圖1所示，工作面布置如圖2所示。

圖1 工作面區(qū)域鉆孔柱狀圖

圖2 工作面布置情況

2 堅(jiān)硬厚頂板沖擊地壓過(guò)程分析

根據(jù)寬溝煤礦地質(zhì)勘探及前人大量分析研究可知，B2煤層上部含有致密且完整堅(jiān)硬的厚頂板，其開采過(guò)程中容易出現(xiàn)頂板懸而未斷的情況，給工作面安全生產(chǎn)帶來(lái)威脅；此外，在開采過(guò)程中，相鄰工作面與正在開采的工作面下巷之間形成厚懸頂較難破斷，給生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患。國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過(guò)大量研究總結(jié)得出了誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)的動(dòng)靜載疊加理論[15-17]，即在礦井生產(chǎn)過(guò)程中，煤巖體由于垮落等產(chǎn)生的動(dòng)載荷與開采活動(dòng)產(chǎn)生的圍巖靜載荷相互作用疊加，當(dāng)疊加值超過(guò)煤巖體沖擊破壞的臨界載荷時(shí)，煤巖便迅速失穩(wěn)破壞并釋放大量彈性能，從而造成沖擊動(dòng)力災(zāi)害。

I010203工作面沖擊地壓分析如下：一方面，I010203工作面上部有很厚的堅(jiān)硬直接頂，工作面開采后不易垮落，從而在工作面后方采空區(qū)形成大面積懸頂，這部分懸頂不但會(huì)造成工作面前方煤體靜載應(yīng)力集中，而且造成能量積聚從而產(chǎn)生大量動(dòng)載，當(dāng)懸頂長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生垮落并產(chǎn)生強(qiáng)動(dòng)載擾動(dòng)，當(dāng)動(dòng)載荷和靜載荷疊加超過(guò)臨界值時(shí)便會(huì)造成沖擊顯現(xiàn)，如圖3(a)所示。另一方面，I010203工作面與I010201工作面的區(qū)段煤柱上方也有側(cè)向懸頂，工作面推進(jìn)過(guò)程中側(cè)向懸頂暴露超過(guò)一定長(zhǎng)度時(shí)便會(huì)發(fā)生破斷并產(chǎn)生大量動(dòng)載荷，當(dāng)動(dòng)載荷σr與煤巖體受到的靜載荷σs相互耦合疊加，超過(guò)臨界沖擊載荷時(shí)便會(huì)造成沖擊動(dòng)力災(zāi)害，如圖3(b)所示。

圖3 開采過(guò)程中厚硬頂板動(dòng)靜疊加誘沖原理

I010203下巷埋深較上巷大，且受工作面超前支承壓力、采空區(qū)側(cè)向支承壓力和煤柱集中應(yīng)力等影響，沖擊危險(xiǎn)性較大，其沖擊主控因素主要包括支承壓力、煤柱集中應(yīng)力、厚硬頂板破斷等，易發(fā)生厚硬頂板和煤柱耦合作用型沖擊地壓。

3 堅(jiān)硬厚頂板沖擊地壓防治技術(shù)及應(yīng)用

對(duì)于厚硬頂板和煤柱耦合作用型沖擊地壓，主要依據(jù)兩個(gè)原則進(jìn)行沖擊地壓防治：一是通過(guò)控制頂板破斷高度和破斷步距來(lái)控制動(dòng)載擾動(dòng)強(qiáng)度和施加在煤體上的靜載強(qiáng)度；二是通過(guò)破裂局部煤體來(lái)轉(zhuǎn)移煤體應(yīng)力并釋放煤體能量?；诖?，針對(duì)I010203工作面采取頂板斷頂預(yù)裂和煤體超前爆破等卸壓防治技術(shù)措施，以期為安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

3.1 頂板斷頂預(yù)裂

3.1.1 頂板預(yù)裂高度分析

通常情況下，質(zhì)地較軟的頂板垮落后會(huì)形成松散狀堆積形態(tài)，然而堅(jiān)硬頂板通常較難垮落，因此需要實(shí)施一定的措施使其在不會(huì)造成沖擊地壓的情況下充分破碎頂板，從而避免頂板整體性垮落產(chǎn)生的沖擊強(qiáng)度。頂板垮落后冒落帶高度滿足下式：

Δh=H-∑h(μ-1)cosθ

(1)

式中，Δh為頂板中直接頂與老頂之間的空隙，m；H為工作面采高(機(jī)采+放煤高度)，m；∑h為需放頂高度，m；μ為巖石碎脹性系數(shù)，與巖石破碎后塊度大小及排列狀態(tài)有關(guān)；θ為煤層傾角，(°)。

在工作面生產(chǎn)過(guò)程中，為了盡可能減小頂板垮落過(guò)程中直接頂和老頂之間空隙所造成的影響，故應(yīng)使Δh=0，即此時(shí)式(1)滿足：

針對(duì)該礦具體地質(zhì)賦存條件，I010203工作面采高平均為12m，由于頂板比較堅(jiān)硬，因此取碎脹性系數(shù)為1.3，煤層傾角按14°計(jì)算，從而計(jì)算得出頂板冒落高度為∑h=41.2m。為了保留殘余碎脹性系數(shù)，并考慮現(xiàn)場(chǎng)施工及借鑒I010201、I010202工作面回采期間經(jīng)驗(yàn)，確定I010203工作面放頂高度(即鉆孔長(zhǎng)度)為40m左右，鉆孔均采用煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)及其配套的鉆桿進(jìn)行施工。

由于B2煤層I010203工作面頂板厚度大、質(zhì)地硬，為了盡可能釋放頂板以減小懸頂，故在不同區(qū)域采取對(duì)應(yīng)的措施，從而釋放聚集的能量，主要包含工作面垂向和側(cè)向切頂、超前深孔預(yù)裂。

3.1.2 工作面垂向和側(cè)向切頂技術(shù)

工作面垂向切頂即在工作面架后區(qū)域沿采空區(qū)斜向頂板施工鉆孔，鉆孔垂直于工作面并與水平面呈一定夾角，垂向切頂目的是為了消除工作面后方厚頂板難以垮落形成懸頂積聚能量；側(cè)向切頂指為了消除同一煤層相鄰工作面開采過(guò)后下巷與煤柱形成懸頂而造成能量異常積聚，在工作面前方的下巷位置向相鄰采空區(qū)布置鉆孔。

垂向切頂沿工作面每隔15m布置一排鉆孔，每排布置鉆孔2個(gè)，施工角度為60°～80°，每排鉆孔長(zhǎng)度52m，封孔長(zhǎng)度17m，開孔位置為工作面頂部靠近采空區(qū)側(cè)，鉆孔采用ZDY1900型鉆機(jī)及配套鉆桿進(jìn)行施工，如圖4所示。側(cè)向切頂沿下巷每隔5m布置一排爆破孔，每排布置鉆孔2個(gè)，施工角度為70°～80°之間，鉆孔長(zhǎng)度分別為32m和50m，封孔長(zhǎng)度分別為11m和16m，開孔位置為下巷靠近煤柱側(cè)肩角，如圖5所示；垂向和側(cè)向切頂鉆孔直徑均設(shè)置為75mm，并采用直徑60mm的藥卷進(jìn)行填充。單次裝藥50～80kg，采用一次起爆方式進(jìn)行爆破。

圖4 垂向切頂鉆孔布置

圖5 側(cè)向切頂鉆孔布置

3.1.3 巷道超前深孔斷頂技術(shù)

在開展工作面垂側(cè)向切頂?shù)耐瑫r(shí)，在工作面前方20m以外的上下巷及中部工藝巷施工深孔爆破孔；設(shè)置孔徑為94mm，炮孔排間距為10m，炮眼與巷道中心線保持垂直，鉆孔采用ZDY1900型鉆機(jī)及配套鉆桿進(jìn)行施工；上下巷每排布置鉆孔3個(gè)，上巷鉆孔施工角度分別為12°、25°和42°，下巷施工角度分別為65°、46°、32°；工藝巷每排布置6個(gè)鉆孔，施工角度分別為38°、55°、81°、68°、37°和14°，炮眼與巷道中心線保持垂直，開孔位置均為各巷道頂板側(cè)，如圖6所示。根據(jù)理論計(jì)算鉆孔深度及爆破影響范圍設(shè)置相應(yīng)的孔深，孔深應(yīng)保證裝藥簡(jiǎn)便且不會(huì)出現(xiàn)卡孔現(xiàn)象，單次裝藥量分別為上巷孔160～230kg，工藝巷190～210kg，下巷60～80kg，以上均采用一次爆破方式進(jìn)行作業(yè)。

圖6 頂板超前深孔預(yù)裂(m)

3.2 煤體超前爆破

依據(jù)B2煤層已開采工作面的經(jīng)驗(yàn)，由于頂煤質(zhì)地堅(jiān)硬，造成放頂煤大塊較多不易垮落，為了降低工作面沖擊危險(xiǎn)性，采用在上下巷施工煤體卸壓鉆孔、工藝巷松動(dòng)爆破進(jìn)行卸壓。為了避免爆破影響工作面生產(chǎn)，要求爆破必須在超前工作面50m以外完成爆破。

3.2.1 工藝巷松動(dòng)爆破技術(shù)

工藝巷在進(jìn)行頂板深孔斷頂預(yù)裂的同時(shí)還進(jìn)行頂煤爆破預(yù)裂，從而增大煤體的破碎性，使得放煤更加容易且降低沖擊危險(xiǎn)性。工藝巷煤層松動(dòng)爆破鉆孔布置如圖7所示，工藝巷打鉆設(shè)備采用ZDY1900和ZDY4000型礦用鉆機(jī)及配套鉆桿進(jìn)行施工，鉆孔位置距工藝巷煤層底板1m左右，鉆孔直徑為94mm，設(shè)置鉆孔間距為10m，每排布置指向上巷和下巷方向兩個(gè)鉆孔，孔深分別為48m和31m，鉆孔采用反向裝藥，藥卷直徑為80mm，裝藥長(zhǎng)度不超過(guò)孔深的2/3，以便提高封孔效果，爆破裝藥密度為0.8kg/m，采用孔內(nèi)并聯(lián)孔間串聯(lián)形式聯(lián)結(jié)各個(gè)爆破鉆孔，單次裝藥量為160kg左右，采用一次爆破方式進(jìn)行作業(yè)。

圖7 工藝巷煤層松動(dòng)爆破

3.2.2 上下巷超前預(yù)裂爆破技術(shù)

在進(jìn)行工藝巷煤體松動(dòng)爆破的同時(shí)，為了對(duì)工作面煤體充分預(yù)裂，采用在上下巷施工煤體超前鉆孔的方式，如圖8所示。鉆孔使用ZDY-1900型礦用坑道鉆機(jī)及配套鉆桿進(jìn)行施工，設(shè)置孔徑75mm，鉆孔間距為10m，上下巷每排各布置1個(gè)鉆孔，鉆孔位置為上下巷靠近頂板位置；下巷孔深設(shè)置為15m，施工角度為35°；上巷孔深為13m，施工角度為26°；所施工的鉆孔采用直徑為60mm的藥卷進(jìn)行裝藥，裝藥長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)置為孔長(zhǎng)的1/3，單次裝藥量分別為上巷孔60～70kg，下巷10～20kg，以上均采用一次爆破方式進(jìn)行作業(yè)。

圖8 上下巷煤體超前預(yù)裂

3.3 防治措施效果檢驗(yàn)

I010203工作面于2018年9月22日—2018年10月17日實(shí)施了上述堅(jiān)硬厚頂板沖擊地壓防治技術(shù)，采取防治技術(shù)期間工作面未生產(chǎn)。為了分析所制定的沖擊地壓防治技術(shù)效果，選取采取防治技術(shù)措施前的穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)間段內(nèi)(2018年9月22日前9天)和采取防治技術(shù)后穩(wěn)定生產(chǎn)期間(2018年10月20日后9天)的微震數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，具體如圖9所示。由圖9可以發(fā)現(xiàn)，在采取卸壓措施后，微震日總能量和日總頻次有明顯的降低，尤其是微震日總能量下降很明顯，說(shuō)明采取卸壓措施可以有效降低工作面圍巖的能量積聚，從而降低甚至消除工作面沖擊危險(xiǎn)。

圖9 采取卸壓措施前后工作面微震事件時(shí)序?qū)Ρ确治?/p>

以采取卸壓措施為中心，對(duì)卸壓前和卸壓后一段時(shí)間內(nèi)工作面生產(chǎn)過(guò)程中的微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別如圖10、圖11所示。

圖10 采取卸壓措施前工作面微震事件空間分布

圖11 采取卸壓措施后工作面微震事件空間分布

從圖10和圖11來(lái)看，采取卸壓措施后，微震事件明顯減少且比較分散，103～104J以上微震事件均明顯減少，另外由剖面圖可以看出卸壓后頂板附近微震事件明顯減少，尤其是高能量事件急劇下降；通過(guò)分析可知針對(duì)該工作面的卸壓防沖技術(shù)措施的效果明顯，可以有效降低工作面沖擊危險(xiǎn)性。

4 結(jié) 論

1)分析上覆堅(jiān)硬厚頂板致災(zāi)主控因素表明，在開采過(guò)程中，厚硬頂板由于難以垮落，在I010203工作面上方和相鄰的I010201采空區(qū)之間形成懸頂，一方面會(huì)造成煤體靜載應(yīng)力集中，另一方面會(huì)造成能量積聚從而產(chǎn)生大量動(dòng)載；當(dāng)非正常擾動(dòng)引起不穩(wěn)定的懸頂結(jié)構(gòu)失穩(wěn)產(chǎn)生動(dòng)載荷與煤巖體受到的靜載荷相互耦合疊加超過(guò)沖擊臨界載荷時(shí)便會(huì)造成沖擊動(dòng)力災(zāi)害。

2)根據(jù)I010203工作面上覆堅(jiān)硬厚頂板沖擊地壓過(guò)程分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了頂板斷頂預(yù)裂和煤體超前爆破兩種卸壓技術(shù)措施。對(duì)于厚硬頂板，通過(guò)實(shí)施工作面垂向切頂、側(cè)向切頂及超前深孔預(yù)裂技術(shù)進(jìn)行卸壓解危；對(duì)于厚煤層，通過(guò)開展工藝巷松動(dòng)爆破和上下巷超前預(yù)裂爆破技術(shù)；其中垂向切頂、側(cè)向切頂每排均布置2個(gè)鉆孔，上下巷、工藝巷超前深孔預(yù)裂分別布置鉆孔3個(gè)和6個(gè)，工藝巷松動(dòng)爆破和上下巷超前預(yù)裂爆破技術(shù)分別布置鉆孔2個(gè)和1個(gè)；鉆孔施工均采用ZDY1900型鉆機(jī)及配套鉆桿。

3)通過(guò)對(duì)比分析卸壓前后一段時(shí)間內(nèi)工作面生產(chǎn)過(guò)程中的微震事件可以發(fā)現(xiàn)，采取卸壓措施后，在時(shí)序上，微震日總能量和日總頻次明顯降低，尤其是微震日總能量下降很明顯，說(shuō)明采取卸壓措施可以有效降低工作面的能量積聚；在空間上，微震事件明顯減少且比較分散，103～104J以上微震事件均明顯減少；頂板附近微震事件明顯減少，尤其是高能量事件急劇下降；說(shuō)明針對(duì)該工作面采取的卸壓防沖技術(shù)效果明顯，可以有效降低工作面的沖擊危險(xiǎn)性。