深部工作面沖擊地壓組合卸壓參數優(yōu)化實踐研究

賴 敏,陸澤淋,張 璐

(陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責任公司,陜西 寶雞 721000)

沖擊地壓是發(fā)生在煤礦開采過程中典型動力災害之一,沖擊地壓可能誘發(fā)煤與瓦斯突出、煤層自燃發(fā)火、冒頂等次生災害,造成更為嚴重的后果[1]。

至今為止,沖擊地壓的防治一般從區(qū)域防治和局部防治兩個方面進行。楊智文[2]通過分析忻州窯煤礦沖擊地壓發(fā)生位置和規(guī)律提出了堅硬頂板弱化爆破的沖擊地壓防治方案。齊慶新等[3]通過現場實踐和模擬分析,得出可以通過應力控制實現有效防治。李躍文等[4]通過分析徐莊煤礦臨近采空區(qū)側的巷道在堅硬頂板的條件下處于掘進期間的沖擊危險情況,并提出了頂板爆破、鉆孔卸壓及降低掘進速度的防治方法。陳法兵等[5]通過建立FLAC3D數值模型,分析了旋采情況下的應力分布,并提出通過放炮卸壓達到卸壓效果的防治方法。秦忠誠等[6]通過分析基本頂初次破斷能量與沖擊地壓臨界應力,提出大直徑鉆孔卸壓和頂板深孔預裂爆破等綜合卸壓措施,以達到釋放能量和降低應力的防治方法。

本文對于園子溝煤礦首采工作面1012001工作面的卸壓措施進行了效果分析及參數優(yōu)化,提出了組合卸壓解危方案。該方案針對與園子溝煤礦首采工作面具有相似條件的具體礦提出,以更有效地降低該條件下工作面發(fā)生沖擊地壓的可能性。

1 工程背景

1012001工作面是園子溝煤礦101盤區(qū)的首采工作面,工作面埋深為722～842 m,周邊工作面仍未采動,均為實體煤。正東位置是大巷群,南部為設計1012002工作面,主采2號煤層,厚8.05～14.95 m,平均10.37 m,采用綜放開采,煤層底板標高為+457 m～+512 m。工作面設計五條巷道,北部為一號回風巷和二號回風巷,二號回風巷南部是瓦斯高抽巷,位于工作面偏西北位置,工作面南部為帶式輸送機巷和輔助運輸巷。

主采煤層為2號煤層,其頂板為泥巖、砂質泥巖、細粒砂巖,底板為泥巖與粉砂巖。經相關研究單位鑒定,2號煤層及其頂板具有弱沖擊傾向性,底板無沖擊傾向性。根據1012001工作面巷道的底煤厚度統計可知,在工作面停采線前,巷道沿底掘進,回風巷區(qū)域留有1.5 m厚的底煤,帶式輸送機巷和輔助運輸巷區(qū)域留有1 m厚的底煤;停采線之后沿頂掘進,底煤厚度增加,平均厚度可以達到5～7 m。

根據工作面布置圖可以看出,1012001工作面一號回風巷北部有一條落差0～3 m的斷層DF27;工作面帶式輸送機巷和輔助運輸巷穿過斷層DF26,該斷層落差0～24 m;工作面南部有一條落差0～5 m的斷層DF25,B3背斜穿過1012001工作面中間部分,X2向斜靠近工作面東部101盤區(qū)輔助運輸巷。1012001工作面布置圖如圖1所示。

2 工作面回采期間卸壓方案及效果分析

2.1 卸壓區(qū)域劃分

根據圖1可以看出回風巷區(qū)域和運輸巷區(qū)域煤柱寬度有所不同,而根據停采線前后底煤厚度的不同劃分卸壓區(qū)域。

1012001工作面回采期間采用的預卸壓措施有幫部卸壓孔、底板卸壓孔以及水力壓裂三種,圖2為工作面回采期間卸壓措施施工范圍圖。為了能夠更有效進行卸壓,需要對每一種卸壓措施進行效果分析。在工作面范圍內選取每一種實施位置,確定不同卸壓方案的參數,并進行合理性分析,明確不同參數對卸壓措施的不同效果,得出結論確定最優(yōu)參數。其中綠色部分表示底板卸壓孔施工范圍,洋紅色部分表示幫部卸壓孔孔深為10 m的卸壓施工范圍,藍色部分為幫部卸壓孔孔深為20 m的卸壓施工范圍,黃色部分為水力壓裂施工范圍,紅色部分為幫部卸壓孔孔深為15 m的卸壓施工范圍。

2.2 幫部卸壓孔參數及效果分析

1)幫部卸壓孔參數。以園子溝煤礦現場的實際情況、國標規(guī)定以及煤礦現有的設備條件為基礎,確定如下參數:鉆孔孔徑153 mm,孔間距在1.0～3.0 m范圍內,可根據實際情況取值,工作面底板距離開孔的高度大約1.0～2.0 m左右的距離,工作面前方最少200 m的距離為幫部卸壓的卸壓范圍,卸壓孔采用單排布置的方式布置在巷道兩幫。表1為具體布置卸壓孔的參數,圖3為該方案布置圖。根據現場情況應當注意如果有沖孔等動力現象的發(fā)生應當立即停止施工,確保沒有任何安全問題再施工。

2)卸壓效果分析。沖擊地壓的發(fā)生受到地質因素和開采技術因素的影響,為了避免這兩種因素對卸壓效果的分析造成影響,選取了三個區(qū)域的卸壓孔進行參數分析,分別為工作面進尺在160～260 m范圍內的二號回風巷煤柱側、帶式輸送機巷煤柱側以及進尺在20～50 m范圍內的輔助運輸巷煤柱側,每一個區(qū)域的具體鉆孔參數及施工方式如表2所示。

表2 選定區(qū)域內幫部卸壓孔參數表Table 2 Parameters of pressure relief holes of sidewalls in the selected area

由于考慮煤柱存在的因素,對煤厚對應的取值標準都是一致的,因此僅考慮分析大直徑鉆孔深度對卸壓效果的影響。圖4為不同大直徑鉆孔深度鉆屑量平均值的變化曲線。由圖可以看出,鉆孔深度為10 m時,其鉆屑量平均值雖未超鉆屑量預警值,但其鉆屑量大于15 m和20 m孔深的大直徑鉆孔,證明孔深為10 m時卸壓效果相對較差。而分析孔深為15 m和20 m的曲線,可以發(fā)現在2～6 m范圍內孔深20 m的鉆孔鉆屑量平均值較高;但是在6 m之后逐漸降低,整體效果可得知孔深為20 m時鉆屑量最低,卸壓效果最好。

圖4 不同大直徑鉆孔深度鉆屑量平均值Fig.4 Mean of drilling cuttings of large-diameter boreholes at different depths

綜上所述,在基礎開采條件相同的情況下,幫部卸壓措施鉆孔深度為10 m時卸壓效果最差,20 m時卸壓效果最優(yōu),因此增大幫部大直徑卸壓孔孔深有助于優(yōu)化卸壓效果。

2.3 底板卸壓孔參數及效果分析

根據園子溝煤礦1012001工作面的資料可知,停采線后移段增加,煤厚也相對增加,厚度大于5 m。為了避免底煤積聚能量導致沖擊地壓的發(fā)生,因此在此范圍內采用底板卸壓的方式。工作面底板大直徑鉆孔施工的范圍如圖5所示。

圖5 底板大直徑鉆孔施工范圍示意圖Fig.5 Construction range of large-diameter floor boreholes

圖6中,①號區(qū)域位于帶式輸送機巷,②號區(qū)域分布在二號回風巷和帶式輸送機巷;①號區(qū)域一排布置兩個鉆孔,②號區(qū)域一排則布置4個鉆孔,鉆孔間距為1 m,孔徑153 mm,鉆孔的傾角為30°～45°,鉆孔深度見巖為止。

(a) 二號回風巷

(b) 帶式輸送機巷①號區(qū)域

(c) 帶式輸送機巷、二號回風巷②號區(qū)域

圖7所示為1012001工作面帶式輸送機巷底板大直徑鉆孔加密前后微震監(jiān)測數據對比。由圖可以看出,底板大直徑鉆孔加密前日頻次、日總能量和日最大能量這3個參數波動很強烈,加密后相對穩(wěn)定,證明加密后卸壓有效控制了底煤彈性能的釋放,一定程度降低了沖擊地壓的發(fā)生危險。而加密前后日頻次和日最大能量均未超過臨界預警值,證明底板卸壓方案的有效性。從圖中還可以看出,大直徑鉆孔加密前日總能量有超出臨界預警值的情況,而加密后沒有;但加密前也僅僅在弱沖擊危險的范圍內,由此可以證明底板卸壓方案可以達到卸壓效果,且加密效果更好,因此一排布置4個鉆孔為更優(yōu)方案。此處考慮卸壓孔的布置方案對卸壓效果的影響,因此只討論了底板卸壓方案。

圖7 帶式輸送機巷底板大直徑鉆孔加密前后微震監(jiān)測數據對比Fig.7 Comparison of microseismic monitoring data before and after densification of large-diameter floor boreholes in belt conveyor lane

2.4 水力壓裂及效果分析

根據園子溝煤礦1012001工作面的頂板資料可知,該工作面上方存在堅硬的厚砂巖頂板,工作面回采會有懸頂現象發(fā)生,增加沖擊危險性,因此選擇在二號回風巷和帶式輸送機巷的部分采用水力壓裂的卸壓方式,以處理頂板。對于目前回采的情況來說,上方直接頂影響的程度較高,而上方較厚細砂巖層并未垮落,因此僅考慮直接頂對于煤層沖擊地壓災害發(fā)生的影響。鉆孔壓裂的順序是倒退式壓裂,壓裂從鉆孔底部開始,分3次向孔口壓裂,3個位置分別距離孔口15 m和21 m,最后一個便是鉆孔底部,施工的范圍如圖8所示,施工的鉆孔布置如圖9所示,水力壓裂的施工參數如表3所示。

表3 水力壓裂施工參數Table 3 Hydraulic fracturing construction parameters

圖8 水力壓裂施工范圍圖Fig.8 Hydraulic fracturing construction range

圖10是水力壓裂措施實施前后的工作面周期來壓步距統計的對比圖。據圖可知,卸壓前平均來壓步距為20.0 m,卸壓后為18.7 m,水力壓裂的卸壓方式有效降低了平均頂板的來壓步距,一定程度上降低了沖擊地壓危險性。

圖11為水力壓裂前后微震日頻次、總能量、日總能量的統計情況對比分析。據圖可知,水力壓裂前工作面的日總能量存在個別超出預警值的情況,不過為弱沖擊危險,但是3個參數在水力壓裂后均有明顯的降低的情況,由此可說明水力壓裂的措施可有效降低頂板破斷釋放的能量,降低頂板的活動強度。

綜上所述,園子溝煤礦1012001工作面回采期間的卸壓方案效果較好,得出如下結論:①幫部卸壓方案中,卸壓鉆孔孔深10 m時,對比15 m和20 m卸壓效果最差,孔深達到20 m卸壓效果最強,因此對于幫部卸壓最優(yōu)方案是增加鉆孔孔深;②底板卸壓方案中,底板大直徑鉆孔有一排2個鉆孔和一排4個鉆孔兩種,通過加密鉆孔可優(yōu)化底板鉆孔卸壓效果;③水力壓裂方案中,實施卸壓后頂板來壓步距降低,可以證明該方案有效降低了沖擊地壓危險性,效果較好。

3 優(yōu)化后組合卸壓解危方案

根據工作面預卸壓方案的卸壓效果分析,可知幫部、底板卸壓孔和水力壓裂的方案均可以初步達到卸壓效果;但是經過效果分析,采取卸壓方案后仍能監(jiān)測到沖擊危險,必要采取解危措施,設計采用大直徑鉆孔補強卸壓;如果仍達不到效果,則考慮煤體解危爆破和底板解危爆破。

3.1 優(yōu)化后卸壓方案

經過回采期間卸壓方案的效果分析,可對原卸壓方案的參數進行優(yōu)化處理:幫部卸壓孔參數將孔深調整為20 m;底板卸壓孔的爆破孔布置由一排2個鉆孔調整為一排布置4個鉆孔;最后在原有基礎之上增加水力壓裂卸壓措施,能夠更好地處理頂板,減小沖擊危險性。

3.2 補強卸壓方案

1)大直徑鉆孔補強卸壓。鉆孔孔間距幫部和底板均不大于1 m;幫部鉆孔深度增加不小于5 m,而底板的鉆孔深度為入巖0.5～1.0 m,幫部煤柱側鉆孔深度不再增加;幫部和底板孔徑不得大于125 mm;卸壓范圍為異常區(qū)域前后10 m。其余的參數和預卸壓措施的鉆孔參數一樣。

2)煤體解危爆破。在幫部大直徑鉆孔補強卸壓措施不足以消除沖擊危險的情況下,實施煤體解危爆破,其施工參數如表4所示。在完成爆破孔裝藥后,爆破順序設計為由里向外。

3)底板解危爆破。底板大直徑鉆孔補強卸壓仍無法消除沖擊危險的情況下,采用底板解危爆破,其施工參數如表5所示,最終爆破有效長度根據爆破效果決定,達到解危效果為止。

4)頂板深孔爆破。根據第2節(jié)分析結果,頂板水力壓裂可以保證良好的卸壓效果,為了保證厚度變化對解危卸壓效果的影響,設計在特殊區(qū)域增加頂板深孔爆破輔助解危。

4 結論

本文根據園子溝煤礦1012001工作面的地質資料和基本信息,介紹了回采期間的三種卸壓方案,針對每種方案的效果進行細化分析,將卸壓參數進行優(yōu)化處理,并結合解危措施設計了組合卸壓解危方案,得出如下結論:

1)幫部卸壓孔孔深10 m時卸壓效果最差,孔深20 m時卸壓效果相對更優(yōu);底板卸壓孔單排4孔布置要比單排雙孔布置效果更好,水力壓裂卸壓方案能夠更好地減小來壓步距達到較好頂板卸壓效果。

2)卸壓后仍不能消除危險,則采用大直徑鉆孔補強卸壓的解危方案,若仍存在高應力或沖擊危險,則幫部采用煤體爆破解危的方案,底板采用底板爆破解危措施。

3)考慮到煤層厚度的變化影響,在特殊區(qū)域補充設計頂、底板深孔爆破輔助解危。