復(fù)雜地質(zhì)條件下巨厚煤層沖擊地壓誘因分析及防治

白宗榮

(徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司, 江蘇 徐州市 221018)

0 引言

沖擊地壓已成為我國(guó)重要的動(dòng)力災(zāi)害之一,其主要表現(xiàn)為煤巖體的突然破壞拋出,其發(fā)生具有突發(fā)性、瞬時(shí)振動(dòng)性、巨大破壞性,嚴(yán)重制約煤礦安全高效生產(chǎn)。崔木煤礦沖擊動(dòng)力災(zāi)害較為嚴(yán)重,自建礦以來(lái)發(fā)生多次沖擊地壓事件,且隨著礦井進(jìn)一步開(kāi)采,沖擊顯現(xiàn)事件次數(shù)逐年上升。究其原因,主要是由于煤層巨厚且具有強(qiáng)沖擊傾向性、地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜以及不合理的開(kāi)采布局導(dǎo)致采掘空間附近產(chǎn)生應(yīng)力集中,致使礦井沖擊危險(xiǎn)性明顯增高。

研究分析復(fù)雜地質(zhì)條件下巨厚煤層礦井沖擊地壓的誘因?qū)τ跊_擊地壓的防治具有推進(jìn)作用,國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了針對(duì)性研究。楊俊哲等[1]認(rèn)為厚煤層綜放開(kāi)采條件下,中低位關(guān)鍵層發(fā)生懸臂梁直垮式、懸臂梁懸垮式、砌體梁未觸矸懸跨式易形成沖擊危險(xiǎn)性,對(duì)此提出了堅(jiān)硬頂板多點(diǎn)拖動(dòng)式分段水力壓裂沖擊防治方法實(shí)現(xiàn)頂板巖層超前弱化,減弱動(dòng)載荷能量。趙毅鑫等[2]結(jié)合微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),認(rèn)為堅(jiān)硬頂板破斷誘發(fā)煤柱區(qū)域積聚能量的突然釋放,導(dǎo)致工作面沖擊地壓顯現(xiàn),且震源多在工作面超前50 m范圍內(nèi)沿采空區(qū)煤柱側(cè),主要集中在堅(jiān)硬頂板斷裂后發(fā)生壓縮、反彈的空間區(qū)域。姜福興等[3]以某礦厚硬頂板條件下針對(duì)特厚煤層,運(yùn)用分層開(kāi)采技術(shù),研究沖擊地壓事故發(fā)生的機(jī)理與治理方法,提出了上層煤柱對(duì)下層煤采動(dòng)影響范圍與沖擊危險(xiǎn)范圍的評(píng)估方法。鄧雪杰等[4]系統(tǒng)分析了特厚煤層分層充填開(kāi)采技術(shù)原理及開(kāi)采工藝,分別建立了特厚煤層“單分層”和“多分層”開(kāi)采頂板移動(dòng)特征彈性地基梁模型,通過(guò)力學(xué)分析給出相應(yīng)頂板撓曲線計(jì)算公式,并基于第一強(qiáng)度理論提出了頂板失穩(wěn)判斷條件。

近年來(lái),陜西永隴礦區(qū)在開(kāi)采過(guò)程中,由于地質(zhì)條件復(fù)雜,煤層巨厚,且實(shí)行一次放頂煤開(kāi)采,隨著開(kāi)采強(qiáng)度的增加,沖擊地壓顯現(xiàn)事件越發(fā)頻繁,而國(guó)內(nèi)對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下巨厚煤層沖擊地壓誘發(fā)機(jī)制分析研究相對(duì)較少。特別是對(duì)于崔木煤礦獨(dú)特的地質(zhì)條件,目前缺少相對(duì)深入的研究,本文基于已發(fā)生的沖擊地壓顯現(xiàn),分析復(fù)雜地質(zhì)條件下巨厚煤層對(duì)沖擊地壓發(fā)生的致災(zāi)因素,并基于動(dòng)靜載疊加原理[5]確定消除動(dòng)靜載力源沖擊地壓的防治措施,對(duì)類(lèi)似條件的沖擊地壓礦井沖擊顯現(xiàn)分析及防治具有指導(dǎo)借鑒意義。

1 工程背景

崔木煤礦位于陜西永隴礦區(qū),主采3煤層,平均煤厚為16.89 m,單軸抗壓強(qiáng)度為19.02 MPa,最大埋深為777.03 m,具有弱沖擊傾向性。煤層直接頂為砂泥巖,煤層頂板上方11.21 m處存在15.2 m粗砂巖,對(duì)頂板覆巖運(yùn)動(dòng)起關(guān)鍵作用;直接底為泥巖及鋁質(zhì)泥巖,鉆孔層序見(jiàn)表1。礦井采用盤(pán)區(qū)式布置,北翼大巷兩側(cè)分別布置21盤(pán)區(qū)、22盤(pán)區(qū),北翼3條大巷當(dāng)前主要服務(wù)于22盤(pán)區(qū),緊鄰21盤(pán)區(qū)。

表1 K4 7鉆孔層序

崔木煤礦地質(zhì)類(lèi)型為復(fù)雜類(lèi)型。其中花園陽(yáng)坡向斜軸部走向近南北向,兩翼對(duì)稱,傾角為5°～9°,軸線向北傾伏,北翼3條大巷基本處于花園陽(yáng)坡向斜軸部區(qū)域,受向斜水平應(yīng)力影響較大,且由于向斜的存在,大巷留有厚度不一的底煤。大巷臨近22盤(pán)區(qū)側(cè)留有兩個(gè)遺留煤柱,最近處距離117 m。大巷采用直墻半圓拱形狀,寬度為5.4 m、高度為4.5 m,采用網(wǎng)索噴支護(hù)。

2 復(fù)雜地質(zhì)條件下巨厚煤層沖擊誘因分析

崔木煤礦大巷區(qū)域處在復(fù)雜地質(zhì)條件影響下,沖擊地壓事故頻發(fā),北翼帶式輸送機(jī)大巷受沖擊地壓影響較嚴(yán)重,北翼輔助運(yùn)輸大巷也受一定程度的沖擊地壓影響。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年大巷區(qū)域沖擊地壓事故占礦井沖擊災(zāi)害事故的80%,如2019年6月16日北翼大巷區(qū)域發(fā)生一次礦震,此次礦震導(dǎo)致北翼輔運(yùn)大巷22305風(fēng)聯(lián)巷口向里25 m范圍內(nèi)底鼓最大高度約0.7 m;22305風(fēng)聯(lián)巷口至5#聯(lián)巷及5#聯(lián)巷全段頂板有大量漿皮掉落,北翼輔助軌道位移0.5 m,北翼輔運(yùn)大巷沖擊影響區(qū)域頂板1根錨索崩斷;北翼五號(hào)聯(lián)巷1道風(fēng)門(mén)合頁(yè)銷(xiāo)子崩斷,導(dǎo)致風(fēng)門(mén)無(wú)法使用。

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)和開(kāi)采技術(shù)條件對(duì)北翼大巷誘發(fā)沖擊的因素進(jìn)行初步分析。

(1)堅(jiān)硬頂板是影響崔木煤礦沖擊地壓災(zāi)害頻發(fā)的主要因素之一。崔木煤礦主采3煤為巨厚煤層,且3煤上方11.2 m處存在堅(jiān)硬的15.2 m厚的粗砂巖。綜放開(kāi)采后由于直接頂堅(jiān)硬,厚層頂板在工作面開(kāi)采過(guò)程中或采空區(qū)側(cè)向邊沿變形彎曲,容易聚積大量的彈性能。在堅(jiān)硬頂板破斷或滑移過(guò)程中,大量的彈性能突然釋放,形成強(qiáng)烈震動(dòng),強(qiáng)烈的動(dòng)載與煤柱區(qū)的集中靜載疊加,易導(dǎo)致沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生。

(2)煤柱區(qū)域應(yīng)力集中也是誘發(fā)沖擊地壓的重要原因。北翼大巷左右側(cè)遺留煤柱均在采空區(qū)支撐壓力影響范圍內(nèi),采空區(qū)載荷導(dǎo)致應(yīng)力傳遞至煤柱區(qū)形成區(qū)域應(yīng)力集中,同時(shí)由于大巷和聯(lián)絡(luò)巷切割煤體形成半孤島煤柱,各巷道圍巖應(yīng)力相互疊加影響,造成應(yīng)力分布復(fù)雜。而多條巷道交叉產(chǎn)生的銳角煤柱,不僅本身受多方向采動(dòng)影響,而且承載能力有限,易發(fā)生失穩(wěn)破壞。當(dāng)工作面向該區(qū)域推進(jìn)時(shí),由于工作面超前支承壓力的影響,與該區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力相疊加,易出現(xiàn)明顯的應(yīng)力增高區(qū)。

(3)褶皺區(qū)也是促進(jìn)沖擊地壓發(fā)生的重要因素。崔木煤礦北翼3條大巷基本處于花園陽(yáng)坡向斜軸部區(qū)域,由于高構(gòu)造應(yīng)力,積聚的靜載處在高位水平,同時(shí)由于向斜的存在,位于向斜軸部的北翼大巷局部區(qū)域必然會(huì)留有底煤,向斜構(gòu)造的存在與底煤厚度的變化,增加了巷道周?chē)后w水平應(yīng)力的大小,從而為沖擊地壓發(fā)生提供高靜載條件。當(dāng)覆巖運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載與高靜載疊加超過(guò)煤體極限強(qiáng)度時(shí),北翼大巷區(qū)域?qū)l(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn),且多表現(xiàn)為巷道底鼓。根據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年北翼大巷沖擊地壓顯現(xiàn)中巷道底鼓出現(xiàn)的概率占88%。

3 崔木煤礦沖擊地壓機(jī)理分析

沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害的能量主要來(lái)源于煤巖體靜載荷σs和采掘擾動(dòng)的動(dòng)載荷σd。沖擊動(dòng)力災(zāi)害形成的根本原因主要是動(dòng)靜載荷共同作用下煤巖體作用力超過(guò)其承載臨界載荷σbmin強(qiáng)度發(fā)生破壞[6]。當(dāng)采掘過(guò)程中的擾動(dòng)載荷與煤巖體靜載荷形成耦合疊加,且超過(guò)煤巖體發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的臨界應(yīng)力時(shí),就會(huì)誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害,其動(dòng)力災(zāi)害表達(dá)式可總結(jié)為:

式中,σs為靜載荷,σd為動(dòng)載荷,σbmin為臨界載荷。

而動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊地區(qū)主要表現(xiàn)為以下3種情形。

(1)高靜載情形。深部開(kāi)采中,巷道或采場(chǎng)圍巖原巖應(yīng)力很高,巷道開(kāi)挖或工作面回采導(dǎo)致巷道或采場(chǎng)周邊高靜載應(yīng)力集中,此時(shí)應(yīng)力水平雖未超過(guò)但已接近臨界載荷,遠(yuǎn)場(chǎng)礦震產(chǎn)生的微小動(dòng)載應(yīng)力增量便可滿足動(dòng)靜載疊加誘沖條件,從而導(dǎo)致煤體沖擊破壞。

(2)高動(dòng)載情形。淺部開(kāi)采中,巷道或采場(chǎng)圍巖原巖應(yīng)力不是很高,但遠(yuǎn)場(chǎng)礦震強(qiáng)度很大,震動(dòng)波傳至煤體的瞬間動(dòng)載應(yīng)力增量增大,巷道或采場(chǎng)周?chē)o載應(yīng)力與動(dòng)載應(yīng)力疊加超過(guò)臨界載荷導(dǎo)致煤體沖擊破壞。此時(shí),礦震的動(dòng)載應(yīng)力擾動(dòng)在煤體沖擊破壞時(shí)起主導(dǎo)作用。

(3)低臨界載荷情形。當(dāng)煤體中靜載應(yīng)力較低,且礦震引發(fā)的動(dòng)載應(yīng)力不高時(shí),若采掘空間煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)或應(yīng)力狀態(tài)突然變化,導(dǎo)致沖擊臨界載荷降低,小于動(dòng)靜載疊加應(yīng)力,也會(huì)發(fā)生沖擊地壓。

根據(jù)上述礦井地質(zhì)條件特征分析,可以確定崔木煤礦沖擊地壓發(fā)生實(shí)質(zhì)是半孤島煤柱、褶曲構(gòu)造及底煤影響,煤體處于高靜載條件,此時(shí)應(yīng)力水平雖未超過(guò)但已接近臨界載荷,遠(yuǎn)場(chǎng)覆巖頂板斷裂產(chǎn)生的微小動(dòng)載應(yīng)力增量便可滿足動(dòng)靜載疊加誘沖條件,從而導(dǎo)致煤體沖擊破壞,導(dǎo)致了相應(yīng)區(qū)域發(fā)生沖擊地壓的顯現(xiàn)。

4 沖擊地壓防治實(shí)踐與思考

通過(guò)對(duì)崔木煤礦沖擊地壓特征分析,確定誘發(fā)深部煤層巷道沖擊靜載荷主要包括:煤柱區(qū)支承壓力、構(gòu)造應(yīng)力、底板水平應(yīng)力的過(guò)度集中,而誘發(fā)動(dòng)載荷主要為采空區(qū)頂板破斷的擾動(dòng)影響。為分源治理誘發(fā)沖擊地壓的動(dòng)靜載力源,現(xiàn)以北翼大巷區(qū)域?yàn)榉乐螌?duì)象,主要采用大直徑鉆孔與爆破孔消除力源應(yīng)力集中,以降低巷道周?chē)懊褐鶇^(qū)垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力的集中,從而防止沖擊地壓發(fā)生。

(1)頂板深孔爆破孔消除動(dòng)載。為防止堅(jiān)硬頂板懸頂過(guò)大產(chǎn)生較高的超前應(yīng)力集中及破斷過(guò)程中的強(qiáng)烈動(dòng)力擾動(dòng),從而形成沖擊壓力型沖擊地壓,對(duì)頂板進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破。頂板預(yù)裂爆破參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 頂板深孔爆破孔參數(shù)

(2)煤層大直徑鉆孔消除靜載。巨厚煤層內(nèi)積聚的大量彈性能是沖擊靜載來(lái)源,且煤柱區(qū)處在構(gòu)造應(yīng)力與支承壓力影響范圍內(nèi)。為減少巷道沖擊危險(xiǎn)性,降低煤體應(yīng)力,對(duì)煤體進(jìn)行爆破卸壓。爆破孔垂直于煤壁、平行于層面,炮眼深度為7～10 m,爆破孔間距為5 m,炮眼口距底板為0.6～1.2 m(煤層中部,便于施工即可),炮眼直徑不小于42 mm。

(3)底板深孔爆破阻斷水平應(yīng)力。由于礦井受向斜構(gòu)造影響及留底煤水平應(yīng)力作用,沖擊顯現(xiàn)主要表現(xiàn)為巷道底鼓,在巷道兩底角施工深孔爆破,切斷水平應(yīng)力傳遞路徑,阻止底板沖擊發(fā)生。在大巷區(qū)域布置大直徑鉆孔,鉆孔深度為13 m,傾角為45°,鉆孔間距為3 m,每孔裝藥量為12 kg。

5 結(jié)論

(1)分析崔木煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件下巨厚煤層沖擊地壓主要影響特征,認(rèn)為誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)的影響因素主要是堅(jiān)硬頂板、煤柱區(qū)及褶曲構(gòu)造。

(2)深部煤層巷道群沖擊地壓發(fā)生實(shí)質(zhì)是巷間煤柱、底煤厚度變化以及褶曲構(gòu)造影響,導(dǎo)致了巷道煤柱區(qū)垂直應(yīng)力超過(guò)了沖擊臨界支承壓力,同時(shí)底板煤體承受的載荷超過(guò)了其極限承載力,相應(yīng)區(qū)域發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)。

(3)崔木煤礦沖擊地壓防治的關(guān)鍵是降低煤體內(nèi)積聚的誘沖動(dòng)靜載。針對(duì)誘沖力源,需采取針對(duì)性的防治動(dòng)靜載的措施,包括消除煤體高靜載的煤層大直徑鉆孔、阻斷水平應(yīng)力的底板深孔爆破、消除頂板運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)載的頂板深孔爆破孔。