懸頂結(jié)構(gòu)巷道沖擊地壓防控研究

潘立友，唐 鵬，周脈來(lái)，李彩榮

(1.山東科技大學(xué) 采礦工程研究院，山東 泰安 271000；2.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.黑龍江龍煤雙鴨山礦業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江 雙鴨山 155103；4.山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 引 言

沖擊地壓是煤礦最嚴(yán)重的動(dòng)力災(zāi)害之一，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1-3]。礦井地質(zhì)、開(kāi)采條件不同，沖擊地壓顯現(xiàn)特征也有所不同[4-6]。近年來(lái)，為解決沖擊地壓防治難題，大批科技工作者投入到各類(lèi)沖擊地壓的防控研究[7-8]當(dāng)中，并取得了較好的效果；歐陽(yáng)振華[9]通過(guò)研究復(fù)雜地質(zhì)條件及開(kāi)采條件煤層中存在的高應(yīng)力問(wèn)題，采用多級(jí)爆破卸壓方法，通過(guò)對(duì)頂?shù)装寮懊簩舆M(jìn)行卸壓，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓的有效防控；李新華等[10]通過(guò)研究堅(jiān)硬頂板的周期破斷問(wèn)題，從能量來(lái)源角度，分析回采工作面沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理，得出過(guò)量動(dòng)載會(huì)增大沖擊危險(xiǎn)性的觀點(diǎn)；張傳玖等[11]通過(guò)研究堅(jiān)硬頂板下的煤巖體易形成靜載集中現(xiàn)象，得出頂板的破斷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生礦震動(dòng)載致使煤巖體可能誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)的結(jié)論；潘俊鋒等[12]通過(guò)深部開(kāi)采覆巖結(jié)構(gòu)特征研究沖擊地壓防治技術(shù)，研究了深部礦井巷道沖擊地壓動(dòng)靜載分源防治理論與技術(shù)，得出了誘發(fā)深部沖擊地壓?jiǎn)?dòng)具有動(dòng)、靜載荷疊加途徑以及純靜載荷疊加途徑的相關(guān)結(jié)論。以上研究對(duì)堅(jiān)硬頂板類(lèi)型工作面沖擊地壓防控起到積極的指導(dǎo)作用。實(shí)踐表明，沖擊地壓尚未達(dá)到完全解決的程度，其防治技術(shù)還需不斷研究及突破。堅(jiān)硬頂板條件下存在懸頂結(jié)構(gòu)的工作面相對(duì)無(wú)懸頂工作面在采掘期間礦壓顯現(xiàn)和沖擊顯現(xiàn)相對(duì)更加明顯[13-16]，沖擊危險(xiǎn)性更高，為防止懸頂條件下巷道引發(fā)強(qiáng)沖擊地壓，筆者以某工作面存在懸頂結(jié)構(gòu)的巷道為研究對(duì)象，進(jìn)行沖擊地壓成因與防控研究，為相似條件煤礦沖擊地壓防控提供參考。

1 懸頂巷道沖擊地壓影響因素

1.1 工作面概況

某工作面處于深部開(kāi)采，采深為704～827 m，工作面煤層平均厚度為2.1 m，傾角平均為25°，屬中厚、緩傾斜煤層，其中煤層單軸抗壓強(qiáng)度為11.7 MPa，具有弱沖擊傾向性；為利于區(qū)段間工作面接替，該工作面與相鄰已采工作面之間取消區(qū)段煤柱，采用沿空留巷巷道布置方法，形成如圖1所示的頂板結(jié)構(gòu),沿空巷道高為2.5 m，煤層的直接頂板為堅(jiān)硬(普氏系數(shù)大于6)且厚度達(dá)10.5 m的砂巖，由于直接頂堅(jiān)硬且不易垮落，在沿空巷道沿空側(cè)上部及煤壁存在大面積懸頂。

圖1 懸頂結(jié)構(gòu)

1.2 沖擊地壓主導(dǎo)因素分析

堅(jiān)硬頂板斷裂運(yùn)動(dòng)是誘發(fā)沖擊地壓的重要因素之一。堅(jiān)硬厚層頂板易形成懸頂結(jié)構(gòu)，鄰近懸頂部分的工作面煤層會(huì)積聚大量彈性能，當(dāng)頂板斷裂時(shí)，煤體釋放較大彈性能從而引發(fā)沖擊地壓[17]。某礦某工作面沿空側(cè)存在懸頂，具備上述類(lèi)型沖擊地壓發(fā)生所需條件，并且現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)明顯的沖擊顯現(xiàn)，常規(guī)防控方法效果不佳，亟需分析出誘發(fā)沖擊地壓主導(dǎo)因素，從而制定出有效沖擊地壓防控措施。

1)頂板斷裂分析。從靜力學(xué)角度來(lái)看，懸頂?shù)拇嬖跁?huì)導(dǎo)致鄰近老空區(qū)部分的頂板承受更大的彎矩，且當(dāng)頂板自身無(wú)法抵抗這樣的彎矩時(shí)就會(huì)發(fā)生彎曲、甚至斷裂。因此，可通過(guò)分析形成頂板所承受彎矩的各類(lèi)物理參量，來(lái)推斷影響彎矩大小的因素。

假設(shè)頂板突然斷裂時(shí)其受到的最大彎矩為Mmax，其斷裂部分所形成的斷面空間結(jié)構(gòu)如圖2所示[18]，設(shè)斷裂頂板最大水平距離為l(即懸跨度)。

圖2 頂板斷裂結(jié)構(gòu)

2)頂板參量分析。根據(jù)礦山壓力理論，工作面上覆巖層由“煤體—支護(hù)體—矸石”支撐體系來(lái)支撐，對(duì)于懸頂巷道，可不考慮矸石的支撐作用。假設(shè)煤層和支護(hù)體分別對(duì)頂板作用形成圖3所示的支撐反力q2(x)及支反力FR[19]，對(duì)于支撐反力q2(x)，其與斷裂線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)相交支撐反力大小設(shè)為q0；堅(jiān)硬頂板在煤層和上部巖層組成的空間結(jié)構(gòu)中起到單一關(guān)鍵層作用，假設(shè)該關(guān)鍵層受其上覆巖層重力，形成均勻載荷q1(x)；為便于彎矩計(jì)算，將斷裂的頂板部分視為梯形懸臂結(jié)構(gòu)；設(shè)斷裂頂板的重力為G，形成三角區(qū)域和矩形區(qū)域重力分別為G1和G2；垮落角是由采空區(qū)頂板垮落形成的，選定其角度為θ(圖3)。

圖3 頂板參量分析

3)力學(xué)模型。為更加突出研究對(duì)象及參量，分離出斷裂部分的頂板并對(duì)其簡(jiǎn)化，建立如圖4所示的力學(xué)簡(jiǎn)化模型。

x—頂板與煤層的接觸層位；y—預(yù)設(shè)斷裂位置

計(jì)算出各個(gè)力對(duì)原點(diǎn)O的力矩，得出懸臂結(jié)構(gòu)所受的彎矩M為

(1)

式中：xi為梯形懸臂結(jié)構(gòu)的重心距y軸的x軸方向長(zhǎng)度，m；G為梯形懸臂結(jié)構(gòu)的自重，N；l為懸跨度，m；x0為支護(hù)體到y(tǒng)軸的x軸方向長(zhǎng)度，m；s0為煤體受懸頂影響長(zhǎng)度，m；將q2(x)簡(jiǎn)化為一次函數(shù),則q2(x)有：

(2)

推導(dǎo)出：

(3)

將梯形懸臂結(jié)構(gòu)分為矩形結(jié)構(gòu)和三角結(jié)構(gòu)2部分，則有：

xiG=x1G+x2G

(4)

式中，x1、x2分別為矩形區(qū)域和三角區(qū)域重心距y軸的x軸方向長(zhǎng)度，m。

在矩形結(jié)構(gòu)和三角結(jié)構(gòu)中，由重心所在位置可分別推導(dǎo)出：

(5)

(6)

式中：l1為懸臂結(jié)構(gòu)中三角上底長(zhǎng)度，m。

將式(3)—式(6)代入式(1),得：

(7)

4)沖擊成因分析。由公式(7)可知，影響彎矩大小的參量有l(wèi)、l1、s0、q0、q1、G1、G2，在不考慮其他因素的情況下：M與l為二次方關(guān)系，M與s0為二次方關(guān)系，與q0、q1、G1、G2、l1為線(xiàn)性正相關(guān)。

彎矩的大小直接影響著頂板的斷裂運(yùn)動(dòng)，而存在懸頂結(jié)構(gòu)的頂板斷裂運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致沿空巷道發(fā)生沖擊地壓主因，故彎矩的大小是沿空巷道發(fā)生沖擊地壓的直接原因。

分析影響彎矩大小的7個(gè)參量可知，q1為埋深所決定，無(wú)法調(diào)整；s0、q0基本無(wú)法調(diào)增，不考慮；l1為l的一部分，大小由l決定；l與G1、G2之間，在視走向?qū)挾葹閱挝婚L(zhǎng)度的條件下，有式(8)、式(9)所示的正相關(guān)關(guān)系式：

(8)

G2=h(l-l1)ρg(l1≤l)

(9)

式中：h為頂板厚度；ρ為頂板自身密度。

即G1、G2大小也由l所決定。經(jīng)上分析可知，影響彎矩大小的參量中，s0、q1、q2基本不變，可視為常數(shù)；l、l1、G1、G2雖都是直接影響彎矩大小的因素，但l1、G1、G2的大小由l決定，故懸跨度l是影響著彎矩的大小的主要因素。同時(shí)，又由彎矩大小與巷道引發(fā)沖擊地壓之間存在的聯(lián)系，可推斷懸跨度l是存在懸頂結(jié)構(gòu)沿空巷道發(fā)生沖擊地壓主導(dǎo)因素。

2 懸頂巷道沖擊地壓防控技術(shù)

2.1 防控思路與方案

懸頂類(lèi)巷道沖擊地壓是頂板的斷裂運(yùn)動(dòng)造成的煤巖體內(nèi)較大彈性能釋放，通過(guò)上述的理論分析可知懸跨度l是導(dǎo)致存在懸頂結(jié)構(gòu)沿空巷道發(fā)生沖擊地壓主導(dǎo)因素，因此可通過(guò)2個(gè)方面來(lái)進(jìn)行針對(duì)性防控：對(duì)頂板采取主要防控措施和對(duì)煤層采取輔助防控措施。

懸頂區(qū)域空間結(jié)構(gòu)(圖5)可劃分為頂板A、B、C區(qū)域、煤層D區(qū)域和巷道周?chē)鶨區(qū)域，本文中稱(chēng)為“強(qiáng)結(jié)構(gòu)區(qū)”，并由此提出“工程弱結(jié)構(gòu)體”[20]沖擊地壓防控技術(shù)；工程弱結(jié)構(gòu)體能夠轉(zhuǎn)移區(qū)域內(nèi)應(yīng)力、降低區(qū)域內(nèi)的能量積聚，達(dá)到降低甚至消除工程弱結(jié)構(gòu)體保護(hù)范圍內(nèi)巷道沖擊危險(xiǎn)性的作用。

圖5 強(qiáng)結(jié)構(gòu)區(qū)域

2.2 強(qiáng)結(jié)構(gòu)區(qū)的弱化

2.2.1A區(qū)域的弱化

由影響頂板斷裂的主要因素可知，通過(guò)控制懸跨度l來(lái)影響頂板斷裂是最起作用的，因此，對(duì)A區(qū)域的弱化為主要防控手段。

懸頂結(jié)構(gòu)的弱化即為采用爆破消除法破壞頂板的完整性，使堅(jiān)硬頂板破碎冒落，使矸石填充采空區(qū)，形成矸石支撐區(qū)，實(shí)現(xiàn)懸頂結(jié)構(gòu)由強(qiáng)到弱，這一過(guò)程讓?xiě)铱缍萳縮短，大幅減緩彎矩對(duì)頂板的作用，使得頂板不易垮落。

2.2.2E區(qū)域的弱化

由于沖擊地壓顯現(xiàn)造成巷道變形、損壞嚴(yán)重，造成空間狹小，因此在實(shí)施沖擊地壓卸壓前，需要采取巷道斷面的恢復(fù)技術(shù)，進(jìn)行輔助防控，其過(guò)程主要是擴(kuò)幫、挖底，將損壞變形這一部分進(jìn)行弱化，這一過(guò)程不僅保持巷道截面尺寸，使巷道正常通行，也為后續(xù)工程措施做好輔助準(zhǔn)備。

2.2.3C、D區(qū)域的弱化

1)頂板缺陷體的形成。頂板缺陷體是對(duì)C區(qū)域的弱化，即指在留巷側(cè)煤層實(shí)施硐室，在硐室內(nèi)對(duì)頂板實(shí)施深孔爆破，破壞巖層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，釋放巖層內(nèi)部能量，以此實(shí)現(xiàn)弱化處理，這一過(guò)程有效降低后續(xù)工作面開(kāi)采中頂板斷裂時(shí)能量釋放程度。

2)煤層海綿體的形成。煤層海綿體是對(duì)D區(qū)域的弱化，即指在留巷側(cè)煤層實(shí)施連續(xù)硐室，在硐室內(nèi)對(duì)迎面煤層及硐室兩幫進(jìn)行深孔爆破，其弱化原理同頂板缺陷體，形成矩形破碎區(qū)域，矩形破碎區(qū)域?qū)儆谖芙Y(jié)構(gòu)，其深部可注水軟化煤體，形成的黏性形態(tài)能夠有效降低煤層沖擊傾向性和沖擊強(qiáng)度。

形成煤層海綿體可與頂板缺陷體耦合，共同實(shí)現(xiàn)輔助防控，將巷道內(nèi)發(fā)生沖擊地壓的能量降低到可控的范圍內(nèi)，形成了頂板可支，巷道可護(hù)，巷道圍巖穩(wěn)定的耦合弱結(jié)構(gòu)體。

3 工程防控實(shí)踐

據(jù)某礦某工作面回采初期礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)，工作面礦壓顯現(xiàn)明顯、大能量礦震事件頻發(fā)且沿空側(cè)局部巷道區(qū)域出現(xiàn)過(guò)較大的沖擊顯現(xiàn)，亟需采取防控取措施。

通過(guò)對(duì)懸頂結(jié)構(gòu)沖擊地壓防控技術(shù)的制定，實(shí)施防沖技術(shù)具體有3步：懸頂結(jié)構(gòu)弱化、巷道斷面恢復(fù)、頂板缺陷體與煤層海綿體的耦合，其工程布置如圖6所示。

圖6 耦合弱結(jié)構(gòu)體工程

3.1 懸頂結(jié)構(gòu)的弱化方案

沿巷道走向進(jìn)行側(cè)向頂板爆破，具體步驟如下：

1)鉆孔布置。在頂板中間實(shí)施斷頂孔，角度為與巷道走向呈75°打設(shè)，孔底方向指向老空區(qū)側(cè)，角度誤差不大于5°，鉆孔孔徑為75 mm，孔深為12 m，孔間距為5 m(圖7)。

圖7 弱化懸頂結(jié)構(gòu)方案

2)裝藥工藝。先將藥卷送至孔頂，每次送1個(gè)，藥卷長(zhǎng)0.3 m，質(zhì)量為200 g，每孔放8個(gè)藥卷，在最下面使用一個(gè)火藥作炮頭，采用泡泥封孔，封孔長(zhǎng)度為4 m。

3)爆破參數(shù)。斷頂孔內(nèi)裝藥采用普通乳化炸藥，執(zhí)行正向爆破，通過(guò)窺孔儀檢測(cè)頂板預(yù)裂情況，及時(shí)調(diào)整裝藥量。每次最多起爆1個(gè)爆破孔(斷頂爆破嚴(yán)格按照《煤礦安全規(guī)程》關(guān)于爆破的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行)。

3.2 巷道斷面恢復(fù)方案

1)擴(kuò)幫方法。對(duì)巷道進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，在保證支護(hù)有效的情況下，對(duì)巷道斷面進(jìn)行擴(kuò)幫；擴(kuò)幫斷面增大、長(zhǎng)度增長(zhǎng)時(shí)，需進(jìn)一步加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)。

2)挖底方法。對(duì)巷道進(jìn)行斷面挖底平整、清理細(xì)化，挖底深度為0.3～1.6 m，寬至兩幫，保證挖底后巷道高度不小于2.4 m。

實(shí)施巷道斷面恢復(fù)技術(shù)后，對(duì)工作面超前留巷斷面進(jìn)行挖底、擴(kuò)幫，新形成的斷面寬度為4 m，高度為2.5 m。

3.3 頂板缺陷體防沖方案

1)實(shí)施煤層硐室。對(duì)煤層進(jìn)行開(kāi)挖硐室，形成一個(gè)寬3 m，高2.1 m，深度6 m的硐室。

2)實(shí)施頂板缺陷體。在硐室內(nèi)對(duì)頂板進(jìn)行鉆孔，孔深分為8.6、7.2、6.1、5.1 m，孔徑為115 mm，孔間距1.5 m，同煤層成夾角呈35°、50°、65°、80°打設(shè)，角度誤差不大于5°，形成一個(gè)高為5 m，長(zhǎng)為14 m矩形裂隙區(qū)域(圖8)，隨后裝填炸藥實(shí)施爆破(裝藥工藝及爆破參數(shù)同第3.1節(jié)中第2)、3)部分)。

圖8 實(shí)施頂板缺陷體方案

3)煤層海綿體實(shí)施方案。在硐室3個(gè)面進(jìn)行鉆孔，其中迎煤面鉆孔深度為7 m，兩幫的鉆孔深度為6 m，鉆孔與硐室之間所成的具體角度如圖9所示，角度誤差不大于5°，孔徑為75 mm，孔間距為1.5 m；鉆孔布置好后進(jìn)行爆破(裝藥工藝及爆破參數(shù)同3.1節(jié)中2)、3)部分)；破碎煤體后，進(jìn)行注水，形成“黏性狀態(tài)”。

圖9 實(shí)施煤層海綿體方案

實(shí)施完海綿體工程后，將硐室充填，在硐室旁留有一定的空氣柱并施工柔性防護(hù)墻，耦合弱結(jié)構(gòu)體如圖10所示。

圖10 耦合弱結(jié)構(gòu)體

3.4 效果檢驗(yàn)

實(shí)施工程弱結(jié)構(gòu)體后，采用鉆屑法進(jìn)行沖擊地壓防控效果檢驗(yàn)。

1)監(jiān)測(cè)方案。鉆屑法監(jiān)測(cè)采用手持式氣動(dòng)鉆機(jī)打檢測(cè)鉆孔，采用插銷(xiāo)式聯(lián)接的麻花鉆桿，每節(jié)長(zhǎng)1 m，每天1組，每組7個(gè)鉆孔，鉆孔間距為5 m,鉆孔直徑為42 mm，孔深為8 m，鉆孔距底板0.5～1.5 m，單排布置，鉆孔方向?yàn)樗酱怪毕飵?。主要監(jiān)測(cè)鉆孔的鉆屑量。

2)數(shù)據(jù)分析。圖11為實(shí)施弱結(jié)構(gòu)防控技術(shù)后的煤層鉆屑量曲線(xiàn)。工作面的鉆屑臨界標(biāo)準(zhǔn)值為1～3 m：3.1 kg/m，4～7 m：4.0 kg/m，7～12 m：6.3 kg/m；監(jiān)測(cè)得到的鉆屑量1～3 m處最大為1號(hào)鉆孔的2.6 kg/m<3.1 kg/m，4～7 m處最大為7號(hào)鉆孔的2.8 kg/m<4.0 kg/m，7～12 m處最大為5號(hào)鉆孔的5.4 kg/m<6.3 kg/m，均未超過(guò)臨界標(biāo)準(zhǔn)值，表明沖擊地壓危險(xiǎn)得以消除。

圖11 防控區(qū)域鉆屑量分布

4 結(jié) 論

1)基于礦壓理論和靜力學(xué)知識(shí)對(duì)懸頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析和建立力學(xué)模型；根據(jù)力學(xué)模型，建立平衡方程，進(jìn)行了力學(xué)推導(dǎo)與分析，確定了誘發(fā)沿空側(cè)巷道沖擊地壓的主導(dǎo)因素。

2)采用工程弱結(jié)構(gòu)體的方法，對(duì)沿空留巷圍巖實(shí)施了工程弱化，形成了工程弱結(jié)構(gòu)體防沖技術(shù)。

3)在具體工作面沿空巷道進(jìn)行實(shí)踐，并對(duì)防控效果采用鉆屑法進(jìn)行了驗(yàn)證，鉆屑量未達(dá)到臨界標(biāo)準(zhǔn)值，表明沖擊地壓危險(xiǎn)得以消除，實(shí)現(xiàn)了安全開(kāi)采。