頂板條帶弱化法防治中央大巷沖擊地壓機(jī)制及實(shí)踐

鄭建偉,鞠文君,呂大釗,孫曉冬,姜鵬飛,李海濤,付玉凱,杜濤濤,劉 彪

(1.煤炭科學(xué)研究總院有限公司 深部開采與沖擊地壓防治研究院,北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100013;3.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013;4.陜西煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 西安 710065)

淺表煤炭資源儲(chǔ)量逐年遞減,深部開采勢(shì)在必行,沖擊地壓災(zāi)害是我國實(shí)現(xiàn)深部煤炭安全開采所亟待解決的關(guān)鍵難題之一[1-2]。自撫順勝利煤礦首次發(fā)生沖擊地壓事故(1933年)以來,我國大量學(xué)者開始對(duì)沖擊地壓展開系統(tǒng)研究,有學(xué)者通過對(duì)巷道及采場(chǎng)進(jìn)行力學(xué)建模來探索沖擊地壓發(fā)生過程中的力學(xué)內(nèi)涵[3-4];有學(xué)者采用數(shù)值模擬[5-6]和物理相似模擬[7-8]對(duì)沖擊地壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的重現(xiàn);有學(xué)者借助煤巖組合體的力學(xué)行為來研究沖擊地壓,在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)試件所施加的載荷也經(jīng)歷了靜載荷、動(dòng)載荷和動(dòng)靜組合的發(fā)展歷程[9-11]。經(jīng)過多年的研究,我國在沖擊地壓機(jī)制、監(jiān)測(cè)預(yù)警和防治措施方面形成了一大批具有鮮明特色的高水平研究成果[12-13],尤其在防治措施方面,依據(jù)不同的致災(zāi)機(jī)制和對(duì)應(yīng)的開采條件,提出諸多行之有效的防沖措施,如合理優(yōu)化開拓開采布局、開采保護(hù)層[14]、鉆孔卸壓、煤層注水軟化、切頂爆破[15]、水力壓裂斷頂[16]、區(qū)域壓裂[17]、地面壓裂[18]、吸能主動(dòng)支護(hù)以及多種措施組合的協(xié)同防沖技術(shù)[19-22]。上述措施在一定程度上對(duì)沖擊地壓的防治起到了關(guān)鍵作用,但是隨著開采條件和地質(zhì)稟賦條件復(fù)雜程度增加,以上措施的局限性也越來越引起廣泛關(guān)注,如礦區(qū)開拓開采布局使用條件嚴(yán)格限制;切頂卸壓對(duì)兩旁為實(shí)體煤的掘進(jìn)巷道效果有限;鉆孔卸壓等技術(shù)對(duì)于巷道支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)性能有較大的負(fù)面影響;吸能支護(hù)在一定程度上是被動(dòng)防護(hù)措施、成本較高且布置密度和強(qiáng)度有一定的限制。

綜合考慮已有防治措施的優(yōu)缺點(diǎn),認(rèn)為應(yīng)力控制才是徹底解決巷道沖擊地壓災(zāi)害的最根本途徑,但是大范圍地改變地應(yīng)力場(chǎng)的分布特征顯然必須面對(duì)巨大的人財(cái)物力成本?；诖斯P者提出頂板條帶弱化技術(shù),并且分析了該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)路徑和防沖內(nèi)涵,且在孟村中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,并取得良好效果,認(rèn)為頂板條帶弱化法對(duì)巷道防沖目的的實(shí)現(xiàn)可以起到一定的積極作用。

1 研究區(qū)概況

1.1 開采現(xiàn)狀及中央大巷概況

孟村煤礦井田位于黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長礦區(qū)中西部,井田面積60.47 km2(東西方向的長度為10.30 km,南北方向的寬度為5.87 km),井田范圍內(nèi)分布穩(wěn)定的4號(hào)煤層(唯一可采),4號(hào)煤層埋深700～740 m,平均厚度為16.25 m(3.70 ～26.30 m)。礦井采用立井(3條)開拓方式,一組(5條)東西向的中央大巷將井田分為南北兩翼盤區(qū),礦井采用“一井一面”,采用分層綜合機(jī)械化放頂煤開采方法回收資源,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為6.00 Mt/a,首采工作面401101布置在401盤區(qū)。

中央大巷共包括5條大巷,由南至北分別為中央一號(hào)回風(fēng)大巷、中央一號(hào)輔助運(yùn)輸大巷、中央運(yùn)輸大巷、中央二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷和中央二號(hào)回風(fēng)大巷。根據(jù)三維勘探及現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)過程中的揭露情況,孟村煤礦中央大巷局部橫穿其中的3條大型構(gòu)造形成的復(fù)合構(gòu)造帶,分別為塬口子向斜(X1向斜)、謝家咀背斜(B2背斜)和D29斷層,受復(fù)合構(gòu)造的影響極大,如圖1所示。塬口子向斜(X1向斜)軸線呈NE—SW向,在孟村煤礦井田內(nèi)軸長和向斜寬度分別為8.50 km 和2.00 ～2.20 km,其南翼傾角、北翼傾角和軸部傾角分別為7°～8°、5°～7°和2°～3°。謝家咀背斜(B2背斜)從河川口開始發(fā)育(向西),軸線走向大致平行于X1向斜,該背斜的軸長和寬度分別為7.00 km 和2.50 ～3.00 km,其南翼傾角和北翼傾角分別為3°～4°和7°～8°。DF29斷層最大落差為38.00 m,傾角為55°～65°,走向大致與兩褶曲軸線(X1向斜和B2背斜)平行,且橫貫中央大巷。這5條中央大巷均是布置在4號(hào)煤層中部的純煤巷道,中央大巷斷面均設(shè)計(jì)為直墻半圓拱形,采用“錨桿+金屬網(wǎng)+錨索+噴射混凝土”的聯(lián)合支護(hù)方式(局部架設(shè)U型棚),相鄰2條大巷之間煤柱寬度為35.00 m。

圖1 中央大巷穿越復(fù)合地質(zhì)構(gòu)造帶Fig.1 Complicated geological structures occurred in central roadway

1.2 沖擊地壓發(fā)生現(xiàn)狀

孟村煤礦中央大巷掘進(jìn)過程中巷道片幫、冒頂嚴(yán)重,成型較差且煤炮聲大,在斷層影響區(qū)域附近和褶皺附近動(dòng)力顯現(xiàn)越趨于頻繁,強(qiáng)度亦相應(yīng)增加,在掘進(jìn)工作面處出現(xiàn)煤塊彈射現(xiàn)象,極大地影響了掘進(jìn)工作的開展;同時(shí)在硐室巷道密集區(qū)域動(dòng)力顯現(xiàn)明顯,出現(xiàn)頂板漿皮(噴漿混凝土層)崩出,底板物料彈起等動(dòng)力現(xiàn)象,嚴(yán)重威脅井下工作人員人身安全。

近年來孟村煤礦中央大巷復(fù)雜構(gòu)造區(qū)沖擊地壓顯現(xiàn)(事故)頻發(fā),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)造成持續(xù)的巨大損失,中央大巷沖擊地壓顯現(xiàn)位置如圖2所示,最近一次沖擊地壓發(fā)生在2020年5月24日,中央二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷里程1 200 ～1 278 m(78 m)范圍內(nèi)突然底臌且達(dá)到0.50～1.00 m,頂板局部金屬網(wǎng)撕裂,里程1 238～1 278 m 段(40 m)破壞最為嚴(yán)重。

圖2 中央大巷沖擊地壓顯現(xiàn)(事故)點(diǎn)分布Fig.2 Rockburst distribution of the central roadway

1.3 致災(zāi)因素分析

孟村煤礦主采的4號(hào)煤層屬于強(qiáng)沖擊傾向性(Ⅲ類)煤層,作用在中央大巷的水平應(yīng)力超過30 MPa,最大水平主應(yīng)力與東西向巷道(中央大巷等)軸向夾角為65°～81°,側(cè)向應(yīng)力系數(shù)的范圍為1.60～1.96,并且隨著測(cè)點(diǎn)至源口子向斜(X1向斜)軸部的距離越小,測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力越大,可以認(rèn)為孟村煤礦中央大巷附近應(yīng)力等級(jí)高且屬于典型的σH>σh>σV地應(yīng)力分布類型。中央大巷5條巷道水平布置,多巷近距離布置造成巷間煤柱垂直應(yīng)力相對(duì)較高,會(huì)進(jìn)一步加劇巷道及其煤巖體的應(yīng)力集中程度增加。簡化后的中央大巷圍巖應(yīng)力特征如圖3所示(僅對(duì)2條巷道進(jìn)行作圖示意),圖中P0為中央大巷巷幫初始支承壓力;P1為復(fù)合構(gòu)造區(qū)內(nèi)因地質(zhì)構(gòu)造形成的附加支承應(yīng)力;P2為因多條巷道近距離布置在煤柱中形成的次生支承應(yīng)力[23-24];P3為復(fù)合構(gòu)造區(qū)中央大巷巷幫圍巖內(nèi)部形成的綜合應(yīng)力;Pm為中央大巷發(fā)生沖擊地壓的閾值。

圖3 簡化后的中央大巷圍巖應(yīng)力特征Fig.3 Stress characteristic of simplified central roadway

分析圖3可知,具有強(qiáng)沖擊傾向的煤層為沖擊地壓的發(fā)生提供了內(nèi)部因素;復(fù)合構(gòu)造區(qū)內(nèi)(地質(zhì)賦存)地應(yīng)力較高,且多巷近距離布置(開拓布置現(xiàn)狀)進(jìn)一步提高了巷道圍巖煤巖體所承受的應(yīng)力等級(jí),也就是說為沖擊地壓的發(fā)生提供了一定的應(yīng)力條件;同時(shí)巷道上方約45.00 m處賦存一層厚度為21.00 m的粉砂巖,為巷道附近能量的集聚提供了良好的“儲(chǔ)能”條件。當(dāng)上覆堅(jiān)硬頂板在外部應(yīng)力場(chǎng)作用下集聚的能量增加到其儲(chǔ)能極限時(shí)就會(huì)破斷而釋放能量,且復(fù)合構(gòu)造區(qū)內(nèi)大巷已處于較高的應(yīng)力等級(jí),在堅(jiān)硬頂板破斷引起的動(dòng)載擾動(dòng)的疊加作用下,達(dá)到?jīng)_擊地壓發(fā)生的應(yīng)力閾值時(shí),就會(huì)誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。對(duì)比處于復(fù)合構(gòu)造影響范圍外的巷道,由于受到的構(gòu)造應(yīng)力的影響相對(duì)較小,在動(dòng)載擾動(dòng)疊加的作用下,尚未達(dá)到?jīng)_擊地壓發(fā)生的應(yīng)力閾值,因此可以保持穩(wěn)定;也就是說降低堅(jiān)硬頂板破斷時(shí)作用在巷道的動(dòng)載荷可以有效緩解孟村煤礦中央大巷沖擊地壓災(zāi)害的威脅。

2 頂板條帶弱化法

針對(duì)非采動(dòng)巷道(如中央大巷)而言,上覆堅(jiān)硬頂板的存在會(huì)為巷道附近高等級(jí)能量的集聚提供良好的“儲(chǔ)能”條件,是誘發(fā)沖擊地壓的潛在因素之一。針對(duì)采動(dòng)巷道而言,堅(jiān)硬頂板未破斷時(shí)可以對(duì)上覆巖層提供支撐力,且將這部分力轉(zhuǎn)移至前方煤體,導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力升高,為巷道沖擊地壓發(fā)生提供基礎(chǔ)靜載荷;堅(jiān)硬頂板斷裂時(shí),上覆巖層會(huì)隨著堅(jiān)硬頂板的失穩(wěn)而垮落,出現(xiàn)聯(lián)合垮落失穩(wěn),隨后一起對(duì)范圍內(nèi)的下位巖層施加一定的動(dòng)載荷,進(jìn)而誘發(fā)巷道沖擊地壓。大范圍改變煤層的沖擊傾向性和調(diào)整巷道與地應(yīng)力的作用關(guān)系面臨巨大的壓力,而處理巷道上方的堅(jiān)硬頂板就成為緩解巷道沖擊地壓的有效措施。基于此,筆者提出頂板條帶弱化法(Roof Strip Weakening Method,RSWM)來對(duì)巷道上覆堅(jiān)硬頂板進(jìn)行致裂弱化達(dá)到防治巷道沖擊地壓的目的。頂板條帶弱化就是指在巷道正上方一定范圍的堅(jiān)硬頂板內(nèi)通過人工措施沿頂板順層方向制造平行于巷道軸向的條帶狀弱化范圍,如圖4所示。圖4中rh、rw分別為巷道的高和寬度;hs為條帶弱化范圍距離巷道的垂高;sw、sh、sL分別為條帶弱化范圍的帶寬、帶高、帶長(平行巷道軸線方向的長度);fi為帶內(nèi)裂隙發(fā)育程度。圖4中頂板條帶弱化范圍模型內(nèi)各參數(shù)的選擇需要根據(jù)措施巷道位置、覆巖巖層結(jié)構(gòu)、致裂措施工藝及裝備性能進(jìn)行綜合分析,一定范圍內(nèi)致裂覆蓋范圍越大(帶寬sw)、致裂長度(帶長sL)、致裂程度越高(裂隙發(fā)育程度fi)、致裂高度越大(帶高sh),對(duì)于堅(jiān)硬頂板的弱化效果越好,所能起到的防沖效果更加顯著。

圖4 頂板條帶弱化范圍模型Fig.4 Model of roof strip weakening method

近年來超長定向鉆孔技術(shù)的快速發(fā)展和水力壓裂設(shè)備的不斷升級(jí)換代為新技術(shù)的研發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的理論以及實(shí)踐基礎(chǔ),本文提出的頂板條帶弱化法是基于中煤科工開采研究院所研發(fā)的超長孔水力壓裂技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的水力壓裂技術(shù)一樣,超長孔水力壓裂是指以高壓水為介質(zhì),在限定的封孔空間里,巖體在高壓水的作用下克服巖體的最小主應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度發(fā)生破裂并產(chǎn)生裂隙,巖體的原生裂隙和次生裂隙,通過氣、固、液多相多場(chǎng)耦合,使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展和延伸,形成具有一定寬度、長度的人工裂縫,從而實(shí)現(xiàn)致裂等目的。

3 頂板條帶弱化法防沖機(jī)制

從整體來看,條帶弱化范圍內(nèi)裂隙(原生裂隙和次生裂隙)得以充分?jǐn)U展,一方面會(huì)導(dǎo)致范圍內(nèi)巖體的彈性模量降低,一方面將堅(jiān)硬頂板進(jìn)行分層,降低堅(jiān)硬頂板厚度,因此從3個(gè)角度來闡釋條帶弱化法的防沖機(jī)制。

3.1 降低能量儲(chǔ)存

以堅(jiān)硬頂板中的一個(gè)單元體為研究對(duì)象,且該單元體處于三向非均壓受力平衡狀態(tài),假設(shè)堅(jiān)硬頂板中巖體的彈性模量為Er,泊松比為μr,厚度為hr,力學(xué)模型如圖5所示。三向應(yīng)力分別為最大水平正應(yīng)力(σrxH)、最小水平正應(yīng)力(σryh)和垂直正應(yīng)力(σrzv),在不同的正應(yīng)力作用方向上分別會(huì)形成相應(yīng)的正應(yīng)變?chǔ)舝xH、εryh、εrzv,單元體內(nèi)相互垂直的方向上受切應(yīng)力γrxy、γryz、γrzx作用,產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的切應(yīng)變?yōu)棣觬xy、τryz、τrzx、τrzy、τryx、τrxz,假設(shè)單元體的體積為V,則堅(jiān)硬頂板中巖體單元體在三向非均壓條件下的應(yīng)變能(Vc)如式(1)所示:

(1)

圖5 三向應(yīng)力下單元體力學(xué)模型Fig.5 Mechanical model of unite element under 3-direction stress

分析式(1)可知,堅(jiān)硬頂板所儲(chǔ)存的彈性能是與其自身物理力學(xué)性能(Er,μr,hr)和所處區(qū)域內(nèi)三向應(yīng)力(σrxH,σryh,σrzv)有關(guān)的函數(shù),其彈性模量越大高度越高,儲(chǔ)存的能量越大,也就是說堅(jiān)硬頂板可以儲(chǔ)存的能量較高,儲(chǔ)能越高越易受外界干擾而失穩(wěn)誘沖。

頂板條帶弱化法可以在巷道上覆堅(jiān)硬頂板中形成一定的弱化范圍,一定程度上降低措施范圍內(nèi)堅(jiān)硬頂板的等效彈性模量,并且對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行分層。依據(jù)式(1)可知,彈性模量降低,堅(jiān)硬頂板儲(chǔ)存的能量降低,也就是破壞其“儲(chǔ)能”能力,不利于巷道附近范圍內(nèi)高等級(jí)能量的集聚,如此有利于巷道沖擊地壓防治。

3.2 增加能量耗散

與非措施范圍相比,條帶弱化范圍內(nèi)裂隙發(fā)育程度較高,在外部載荷作用下,處于不利方位的裂隙會(huì)在尖端形成集中應(yīng)力,當(dāng)滿足裂隙擴(kuò)展準(zhǔn)則時(shí)便會(huì)再次發(fā)育形成新的裂隙表面,增加裂隙的空間體積,原本會(huì)被巖體吸收的能量被消耗用于裂隙尖端的擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)力波傳播至條帶弱化范圍時(shí),賦存大量裂隙的條帶弱化范圍可以被抽象為“墊層”或者“夾層”,因此將這一過程簡化為一維線波穿越夾層的力學(xué)模型,H代表上覆堅(jiān)硬巖層,F代表壓裂層,N代表下位巖層,如圖6所示。

圖6 一維線性波穿越夾層力學(xué)模型Fig.6 Mechanical model of the interlayer crossed by one-dimensional linear waves

下文中,di、ρi、ci、ηi、Si、σi(i=H、F、N),分別表示H層、F層和N層巖體的等效寬度、等效波阻抗、等效能量衰減指數(shù)、波速、等效面積、峰值應(yīng)力。應(yīng)力波穿越HF界面時(shí)入射應(yīng)力(σHi)可以由式(2)[25]表示:

(2)

其中,A0為正弦波的振幅;ω0為正弦波的頻率;φ0為正弦波的初始相位;x為距離;t為時(shí)間。依據(jù)動(dòng)量守恒原理可得穿過HF界面時(shí)在界面形成的透射應(yīng)力(σHt)和進(jìn)入F層的能量(WFt)如式(3)、(4)所示:

(3)

(4)

式中,EF為下層的等效彈性模量。

當(dāng)F層內(nèi)應(yīng)力波傳播至FN界面時(shí)繼續(xù)會(huì)發(fā)生反射和透射,此時(shí)穿越FN界面進(jìn)入N層的透射應(yīng)力(σNt)和能量(WNt)可用式(5)和式(6)表示:

(5)

(6)

由上述分析可知,模型中應(yīng)力波首先在H層進(jìn)行傳播,經(jīng)過HF界面發(fā)生一次透射和反射,然后進(jìn)入F層繼續(xù)進(jìn)行傳播,再次經(jīng)過FN界面發(fā)生第2次透射和反射,然后進(jìn)入N層進(jìn)行傳播。

聯(lián)立式(2)～(6)得到在F層耗散的能量WF為

(7)

分析式(7)可知,當(dāng)F層的厚度dF越大、密度越小、波速越小、彈性模量越小,則在F層的能量耗散越大,也就是說頂板條帶弱化范圍的存在對(duì)應(yīng)力波具有明顯的能量耗散作用,且頂板條帶弱化范圍的厚度越大、內(nèi)部裂隙越發(fā)育,條帶弱化范圍耗散的能量越多。

3.3 局部結(jié)構(gòu)調(diào)整

回采工作面堅(jiān)硬頂板走向方向上可以被理解為是被大量節(jié)理或構(gòu)造分割形成的相互擠壓呈鉸接狀態(tài)的有限個(gè)薄板[26],因此將巷道上方局部范圍內(nèi)的堅(jiān)硬頂板簡化為一承受均布載荷的薄板,如圖7[27]所示。在分析時(shí)認(rèn)為該薄板滿足以下假設(shè):① 變形前后垂直于薄板中面的直線段法線均為長度不變的直線(基爾霍夫假設(shè));② 平行于薄板中面的各平行層之間幾乎沒有相互作用力;③ 薄板發(fā)生彎曲變形時(shí),中面內(nèi)各點(diǎn)只有垂直位移且遠(yuǎn)小于薄板的厚度。對(duì)該薄板進(jìn)行受力分析時(shí),可以認(rèn)為薄板在均布載荷的作用下會(huì)發(fā)生一定的彎曲,在薄板內(nèi)取一單元體hdxdy,由文獻(xiàn)[28]可知薄板的彎矩Mxdx、Mydy和扭矩Mxydy、Myxdx分別如式(8)～(10)所示,彎矩為正時(shí)表示板中面以下處于受拉狀態(tài),中面以上是受壓狀態(tài);當(dāng)彎矩用向量表示時(shí),界面外法線方向?yàn)檎?/p>

圖7 回采工作面鉸接薄板模型[27]Fig.7 Linked plate model of mining face[27]

(8)

(9)

(10)

(11)

分析式(11)可知,彈性薄板彎曲變形能與其板厚度的三次方呈正比例關(guān)系,與彈性模量呈正相關(guān),也就是說堅(jiān)硬頂板的厚度和彈性模量越大,易形成可以集聚較高能量的覆巖空間結(jié)構(gòu),當(dāng)達(dá)到儲(chǔ)能極限時(shí)釋放的能量越大,由此導(dǎo)致作用在下位巷道的動(dòng)載的等級(jí)越高,越容易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害;如果堅(jiān)硬頂板的厚度和彈性模量降低,則會(huì)優(yōu)化覆巖空間結(jié)構(gòu),從而減小破斷時(shí)傳遞至巷道的動(dòng)載荷等級(jí),降低巷道所承受的動(dòng)靜疊加載荷的等級(jí),達(dá)到防沖的目的。

筆者所分析的頂板條帶弱化范圍的效果之一就是在堅(jiān)硬頂板內(nèi)形成大規(guī)模的縱橫交錯(cuò)的裂隙網(wǎng),其一方面將堅(jiān)硬頂板進(jìn)行分層,也就是降低了堅(jiān)硬薄板的厚度,另一方面可以降低堅(jiān)硬頂板的彈性模量。整體來看也可以認(rèn)為是堅(jiān)硬頂板分層和弱化的實(shí)現(xiàn)調(diào)整了后方采空區(qū)(回采巷道范圍內(nèi))覆巖空間結(jié)構(gòu)的形態(tài),降低了前方回采巷道應(yīng)力等級(jí),在實(shí)際過程中,頂板條帶弱化范圍內(nèi)的裂隙在礦壓的作用下會(huì)形成再次擴(kuò)展,進(jìn)一步弱化堅(jiān)硬頂板的強(qiáng)度和完整性。通常情況下,在超前支承應(yīng)力影響范圍內(nèi),垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力,此時(shí)會(huì)誘導(dǎo)原有處于水平方向的裂隙向上擴(kuò)展,形成切割裂隙,從而構(gòu)建更加復(fù)雜的立體裂隙網(wǎng)絡(luò),進(jìn)一步降低巷道圍巖的基礎(chǔ)應(yīng)力等級(jí),從而降低沖擊地壓的發(fā)生。

由上述分析可知,采用頂板條帶弱化法防治巷道沖擊地壓主要有3方面的作用:降低能量儲(chǔ)存、增加能量耗散和局部結(jié)構(gòu)調(diào)整,其中與非采動(dòng)巷道相比,局部結(jié)構(gòu)調(diào)整更側(cè)重于回采巷道防沖目的的實(shí)現(xiàn)。因此結(jié)合孟村煤礦中央大巷的地質(zhì)賦存現(xiàn)狀和開拓布置現(xiàn)狀,可以采用頂板條帶弱化法降低上覆堅(jiān)硬頂板的彈性模量,破壞其“儲(chǔ)能”能力,防止其集聚較高等級(jí)的能量;在致裂頂板的同時(shí)可以消耗一部分已經(jīng)集聚的能量,人工形成的裂隙在外部載荷的作用下進(jìn)行更加復(fù)雜的擴(kuò)展過程也同樣可以消耗一部分能量,也就是說通過增加能量耗散,進(jìn)一步降低堅(jiān)硬頂板集聚的能量;通過上述2種途徑來實(shí)現(xiàn)孟村煤礦中央大巷防沖的目的。

4 頂板條帶弱化法防沖實(shí)踐

4.1 防沖設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)布置

由中央大巷南側(cè)T8煤層柱狀圖可知,大巷區(qū)段煤柱上方約45.00 m處存在厚度為21.00 m的堅(jiān)硬頂板(粉砂巖),基于頂板條帶弱化法防沖機(jī)制,認(rèn)為對(duì)該堅(jiān)硬頂板的弱化可以實(shí)現(xiàn)中央大巷防沖的目的。因此,將該堅(jiān)硬頂板設(shè)計(jì)為措施層,結(jié)合以往超長孔水力壓裂工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),同時(shí)考慮到中央大巷的布置形式,本次壓裂共設(shè)計(jì)5個(gè)壓裂孔,其中1、2、3、4號(hào)孔間距約40.00 m,5號(hào)孔位于大巷保護(hù)煤柱上方,與4號(hào)孔間距約70.00 m,共計(jì)鉆孔長度約為2 115.00 m,分段距離15.00 m左右,分段壓裂時(shí)間不小于30 min。為了壓裂設(shè)備的布置以及壓裂液返排水的簡便處理,壓裂鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)位于中央運(yùn)輸大巷里程600.00 m的位置,如圖8所示。為了對(duì)頂板條帶弱化法防治巷道沖擊地壓效果進(jìn)行評(píng)價(jià),采用SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)壓裂前和壓裂后措施范圍內(nèi)巖層破斷釋放的信號(hào),措施范圍內(nèi)微震布置如圖8所示。

圖8 1～5號(hào)壓裂孔布置及監(jiān)測(cè)布置示意Fig.8 Layout of No. 1-5 fracturing boreholes and monitoring stations

4.2 效果分析

2020-07-01—2020-08-11完成5個(gè)孔的全部壓裂工作,壓裂過程中對(duì)孔口壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè),5個(gè)鉆孔共計(jì)壓裂45次,每次壓裂時(shí)間不等,但均超過設(shè)計(jì)的壓裂時(shí)間,在壓裂過程中井下煤炮聲時(shí)有發(fā)生,7月25日典型壓力-時(shí)間曲線如圖9所示。

圖9 7月25日典型壓力-時(shí)間曲線Fig.9 Typical pressure-time curve on July 25

從1～5號(hào)壓裂孔施工過程中對(duì)于巖屑和壓力的分析來看,頂板起伏較大,并非平整展布,且中央大巷頂板沿東西方向不同位置的巖石堅(jiān)硬程度不一,由南到北壓裂層巖石的強(qiáng)度有下降的趨勢(shì),靠近斷層的位置巖石的起裂壓力較低,在向斜構(gòu)造附近巖石的起裂壓力局部升高。

由于超長孔水力壓裂過程中所產(chǎn)生的能量較低,且井下破裂信號(hào)繁雜,所以會(huì)存在壓裂信號(hào)被湮沒的現(xiàn)象,因此本次分析以長時(shí)間段的整體固定區(qū)域監(jiān)測(cè)為主,分析監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)微震事件的相對(duì)變化情況。本次分析所選取的微震數(shù)據(jù)分別包括措施前的2020-06-01—07-12,措施后的2020-08-16—10-09兩個(gè)階段,微震事件能量及定位如圖10所示。

根據(jù)中央大巷微震事件定位及不同能量等級(jí)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,認(rèn)為在措施前(06-01—07-12)復(fù)合構(gòu)造區(qū)內(nèi)中央大巷的微震事件主要集中在D29斷層區(qū)、二輔運(yùn)4號(hào)聯(lián)絡(luò)巷區(qū)和塬子口向斜區(qū)3塊區(qū)域內(nèi),共監(jiān)測(cè)到微震事件70次,其中能量W>104J的微震事件3次,104J>E>103J的事件24次,103J>W>102J的事件37次,102J>W的事件6次。措施后(08-16—10-09)期間共監(jiān)測(cè)到微震事件28次,能量W>104J的微震事件0次,104J>W>103J的事件6次,103J>W>102J的事件15次,102J>W的事件7次,且微震事件主要集中在二輔運(yùn)4號(hào)聯(lián)巷和2號(hào)通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷區(qū)域附近。整體來看措施后監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)再無W>104J的微震事件出現(xiàn),其他等級(jí)的能量均出現(xiàn)明顯的下降,且能量的集聚區(qū)域也發(fā)生了一定的改變。微震監(jiān)測(cè)結(jié)果說明原集聚的能量得到一定的釋放,且措施后壓裂范圍內(nèi)集聚能量的程度下降,表明措施范圍內(nèi)堅(jiān)硬頂板的完整性和儲(chǔ)能能力降低,改善了其儲(chǔ)能環(huán)境,從而可以減小傳遞至下方巷道動(dòng)載的等級(jí),避免其破斷失穩(wěn)而誘發(fā)沖擊地壓,有利于措施范圍內(nèi)巷道防沖減危目的的實(shí)現(xiàn)。

圖10 中央大巷微震事件平面分布Fig.10 Distribution location of micro seismic events in central roadway

5 結(jié) 論

(1)中央大巷賦存地應(yīng)力等級(jí)高、強(qiáng)沖擊傾向性、多巷平行布置造成的應(yīng)力集中和上覆易“儲(chǔ)能”的堅(jiān)硬頂板是導(dǎo)致孟村煤礦中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)沖擊地壓災(zāi)害頻發(fā)的主要因素。

(2)頂板條帶弱化就是指在巷道正上方一定范圍的堅(jiān)硬頂板內(nèi)通過人工措施沿頂板順層方向制造平行于巷道軸向的條帶狀弱化范圍,其主要作用是降低能量存儲(chǔ)、增加能量耗散和局部結(jié)構(gòu)調(diào)整,該措施可以通過采用超長孔水力壓裂技術(shù)而實(shí)現(xiàn)。

(3)在中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)實(shí)施頂板條帶弱化法來進(jìn)行防沖實(shí)踐,措施后監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)再無W>104J的微震事件出現(xiàn),表明頂板條帶弱化法取得良好的防沖效果,同時(shí)也表明該技術(shù)可以為巷道防沖提供新的技術(shù)手段。