空間煤柱影響下沖擊地壓防治技術研究

徐維正，許 斌，唐 鵬，史明偉，董文卓，張 沿

(1.山東科技大學 采礦工程研究院，山東 泰安 271000；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100089)

隨著煤礦開采深度的增加，沖擊地壓危害也越來越嚴重[1-3]。其中不合理的煤柱留設是誘發(fā)沖擊地壓的主要因素之一[4]。眾多學者針對上覆煤柱誘發(fā)沖擊地壓的理論及防控方面進行了研究。周連春[5]等以老石旦煤礦031604綜放工作面和031604工作面對接巷道以及上覆的9#、12#煤層的煤柱為背景通過數值模擬的方法獲得了上覆煤層煤柱下采掘工作面應力分布規(guī)律。褚福延[6]等通過對不同厚度的上覆煤柱的模擬得出了工作面應力場分布變化規(guī)律。

針對本煤層煤柱影響下沖擊地壓防控問題我國學者也進行了相關研究。張世平[7]等以梁寶寺煤礦采區(qū)為工程背景，采取現場實踐、數值模擬等方法分析不同采深、煤厚、大巷間距等因素對大巷孤立煤體沖擊地壓的影響，提出深井厚煤層大巷孤立煤體沖擊地壓的危險性評價方法。孫秉成[8]等分析了寬溝煤礦工作面開采過程中上覆堅硬厚頂板煤柱型沖擊地壓過程，設計了頂板斷頂預裂和煤體超前爆破兩種卸壓技術措施有效降低沖擊危險性。

隨著煤礦開采活動的逐步深入，采場往往處于上覆不規(guī)則煤柱與本煤層煤柱組合形成的空間煤柱作用之下，應力分布情況更加復雜，更容易發(fā)生沖擊地壓事故。然而針對空間煤柱影響下的沖擊地壓防治技術的研究較少。因此本研究以唐山礦Y390區(qū)域的Y396、Y394工作面為背景，采用理論分析、數值模擬分析的研究方法，系統(tǒng)研究了空間煤柱影響下容易發(fā)生沖擊的問題，提出沖擊地壓防控措施，旨在為類似條件下礦井工作面的安全生產提供依據。

1 工程背景

唐山礦位于河北省唐山市，其Y390區(qū)域埋深-895～-950 m，北部存有不規(guī)則煤柱和Y484、Y485、Y486采空區(qū)；南部為Y296、Y294、Y292采空區(qū)；東部為采區(qū)大巷和Y486外采空區(qū)；西部為實體煤；上部為5煤層不規(guī)則開采后遺留的大面積不規(guī)則煤柱；下部為尚未開采的實體煤。Y390區(qū)域工作面工程平面如圖1所示。

圖1 Y390區(qū)域工作面平面布置

Y396、Y394工作面平均煤層厚度9.8 m，存有多層0.2～4.0 m的夾矸，煤層傾角平均24°。5煤層均厚3.27 m；煤層傾角平均25°，工作面煤巖層分布如圖2所示。

圖2 工作面煤巖層分布

2 沖擊地壓主控因素分析

2.1 不規(guī)則煤柱分布形態(tài)與沖擊危險性分析

Y390區(qū)域上覆遺留的5煤層不規(guī)則煤柱(圖3)；5煤層與9煤層法向距離50 m，5煤層遺留煤柱所產生的應力能夠下傳至9煤層，并在9煤層局部區(qū)域造成應力集中；因煤柱尺寸存在較大差異，導致5煤層不規(guī)則煤柱上應力分布不均勻，顯然，煤柱上應力越高，傳播至9煤層的應力就越大，從而造成煤體內積聚的彈性能量越大，增加采掘期間沖擊危險性[9]。

Y390區(qū)域由Y362、Y394、Y396工作面組成，Y396工作面切眼及其以外局部巷道，Y394工作面的切眼、切眼以外運順局部區(qū)域、回風巷較大區(qū)域受5煤層不規(guī)則煤柱影響較大。

2.2 采場布置方式與沖擊危險性分析

由圖3可知，Y480區(qū)域及Y296采空區(qū)與Y390區(qū)域布置呈銳角，導致Y396、Y394、Y392工作面走向與Y480區(qū)域工作面走向呈銳角，Y390區(qū)域的工作面推進到Y480區(qū)域采空區(qū)附近時，在采場附近形成矩形煤柱、三角形煤柱，Y480區(qū)域側向支承壓力與Y390區(qū)域工作面超前支承壓力疊加，該區(qū)域的三角形煤柱、矩形煤柱的動態(tài)應力分布出現重大差異，局部區(qū)域的沖擊危險性明顯增加[10]。

Y396工作面推進到停采線附近時，其前方與側向將形成2個開放式三角形煤柱(A、B)，Y394工作面推進到停采線附近時，在其前方與側向形成封閉式三角形煤柱(B)和開放式三角形煤柱(C)，Y390區(qū)域煤柱分布如圖4所示。

圖4 Y390區(qū)域煤柱分布

Y390區(qū)域的幾何形狀、周邊采空形態(tài)導致Y396、Y394工作面推進到停采線附近時，形成3個三角形煤柱，該煤柱形態(tài)屬于不規(guī)則的孤島、類孤島煤柱，導致其開采末期和停采期間的沖擊地壓危險性增大[11，12]。

2.3 覆巖結構與沖擊危險性分析

Y394工作面所在的9煤直接頂為6.51 m粉砂巖，老頂為4.89 m中細砂巖，單軸抗壓強度分別為169.443 MPa、129.121 MPa，均屬較堅硬厚巖層，工作面內9煤層均厚9.8 m，堅硬頂板與煤層厚度比值為1.16>0.75。工作面堅硬厚層頂板與煤層厚度比值較大，頂板與煤層的組合結構有利于彈性能的聚集，具有沖擊危險性。

3 工作面應力分布數值模擬研究

3.1 模型建立及參數選取

選用FLAC3D6.0作為數值模擬軟件[13，14]。建立長×寬×高為550 m×350 m×330 m，傾角25°的模型，數值模型如圖5所示。

圖5 數值模型

3.2 應力演化規(guī)律

隨著Y396工作面的回采結束在上覆不規(guī)則煤柱影響下，Y394工作面形成3處垂直應力顯著升高區(qū)域。Y394工作面垂直應力分布如圖6所示。

圖6 Y394工作面垂直應力分布(Pa)

垂直應力顯著升高區(qū)域沖擊地壓危險性必然大于常規(guī)區(qū)域[15]。因此在Y394工作面的回采過程中主要研究A、B、C三處的應力場變化規(guī)律。Y394工作面回采期間垂直應力分布如圖7所示。

圖7 Y394工作面回采期間垂直應力分布(Pa)

根據數值模擬數據得出Y394工作面回采期間垂直應力場分布規(guī)律，具體統(tǒng)計結果見表1。由表1可知：Y394工作面回采過程中沖擊危險性最大的區(qū)域為C區(qū)域。

表1 垂直應力顯著區(qū)域各回采距離垂直應力統(tǒng)計

4 工程實踐

工作面回采期間沖擊地壓防治措施主要根據不同危險區(qū)域進行分級防控，但對Y396工作面?zhèn)热敲褐鶇^(qū)域、Y394工作面?zhèn)热敲褐鶇^(qū)域、Y394工作面回采初壓、見方等特殊區(qū)域采用沖擊地壓防沖關鍵技術進行防治[16]。

4.1 Y396工作面?zhèn)热敲褐鶇^(qū)域防控措施

針對Y486里采空區(qū)和Y396工作面運輸巷三角煤柱區(qū)域，在Y486里采空區(qū)側向支承壓力和Y396工作面超前支承壓力共同作用下，具有較高的沖擊危險；對該區(qū)域采取如下防沖關鍵技術處理，Y396工作面?zhèn)热敲褐鶇^(qū)域防沖技術實施工程平面如圖8所示。

圖8 Y396工作面?zhèn)热敲褐鶇^(qū)域防沖技術實施工程

Y390煤邊眼在拐點沿拐前方向外延長15 m，然后平行于Y396運輸巷道走向延長10 m，從而形成卸壓巷道；在卸壓巷道內部迎頭向三角煤柱區(qū)域煤層施工3個鉆孔長度為15 m，直徑42 mm，傾角分別為：35°、32°、27°；單個藥卷長300 mm，質量300 g，每孔裝入15個藥卷；2個雷管；封孔長度5 m。孔內并聯、孔間串聯，正向裝藥，3孔同時起爆。

在距離Y390煤邊眼拐點45 m處，垂直于Y396運輸巷走向開挖寬2 m，高2 m，深4 m的卸壓硐室；在卸壓硐室內迎頭向三角煤柱區(qū)域煤層施工3個與卸壓巷內布置的鉆孔交錯布置，長度15 m，直徑42 mm的鉆孔，傾角為：96°、95°、93°；單個藥卷長300 mm，質量300 g，每孔裝入15個藥卷；2個雷管；封孔長度5 m。孔內并聯、孔間串聯，正向裝藥，3孔同時起爆。

4.2 Y394工作面?zhèn)热敲褐鶇^(qū)域防控措施

該三角煤柱在Y486外里采空側向支承壓力和本工作面超前支承壓力共同作用下，具有較高的沖擊危險。對該區(qū)域采取如下防沖關鍵技術處理。

在三角煤柱寬度15 m以內(Y396運輸巷拐點處0～32 m范圍內)的區(qū)域在Y394運輸巷施行煤層鉆孔卸壓，鉆孔直徑110 mm，孔深15 m，鉆孔間距1 m，垂直于煤壁方向布置，對穿三角煤柱，Y394工作面?zhèn)热敲褐罌_技術實施方案如圖9所示。

圖9 Y394工作面?zhèn)热敲褐罌_技術實施方案

在Y390煤邊眼及Y394運輸巷內向三角煤柱實施鉆孔爆破，鉆孔直徑均為42 mm，封孔長度為孔深的1/3，孔內并聯、孔間串聯，正向裝藥，3孔同時起爆；其他卸壓爆破鉆孔布置參數見表2。

表2 卸壓爆破鉆孔布置參數

在Y394運輸巷和Y390煤邊眼內布置寬2 m，高2 m，深4 m的硐室；Y390煤邊眼內硐室布置在距Y394運輸巷28 m處，Y394運輸巷內硐室布置在距Y390煤邊眼68 m處；Y390煤邊眼內卸壓硐室布置1個鉆孔，鉆孔直徑42 mm，鉆孔長度為15 m，與硐室迎頭煤壁形成25°夾角；Y394運輸巷內的卸壓硐室布置3個鉆孔，直徑42 mm，長度為15 m，與硐室迎頭煤壁角度分別為129°、64°、32°；單個藥卷長300 mm，質量為300 g，每孔裝入15個藥卷；2個雷管；封孔長度為孔深的1/3。正向裝藥，孔內并聯、孔間串聯，3孔同時起爆，Y394工作面?zhèn)热敲褐鶇^(qū)域防控技術實施工程如圖10所示。

圖10 Y394工作面?zhèn)热敲褐鶇^(qū)域防控技術實施工程

4.3 上層5煤柱下壓區(qū)域防控措施

Y394工作面的初次來壓、見方來壓因受上部5煤層不規(guī)則煤柱影響沖擊危險性較大，需要提前進行沖擊地壓防治。

工作面回采前，在預測的Y394工作面老頂初次來壓位置及其前、后10 m處，于回采區(qū)域實施高度達到煤層直接頂的頂板扇形深孔爆破沖擊地壓防控技術，工作面巷道走向直接頂防控技術斷面布置方案如圖11所示。

圖11 工作面巷道走向直接頂防控技術斷面布置方案

在上述位置向回采區(qū)域頂板各實施一組3個鉆孔，鉆孔直徑均為75 mm，1#鉆孔長度為12 m與水平方向呈45°夾角、2#鉆孔長度為13 m水平方向呈60°夾角、3#鉆孔長度16 m與水平方向呈75°夾角，形成一個高11.5 m、寬11.5 m的區(qū)域；裝藥參數：單個藥卷長300 mm，質量300 g，三個一捆，每米裝藥量為2.7 kg，1#鉆孔裝藥量16.2 kg、2#鉆孔裝藥量18 kg、3#鉆孔裝藥量21.6 kg，每孔2個雷管；封孔長度為孔深的1/2。正向裝藥，孔內并聯、孔間串聯，3孔同時起爆。

Y394工作面回采前，在一次和二次見方預測位置及其前、后各10 m處，于回采區(qū)域內實施高度達到煤層直接頂的頂板扇形深孔爆破沖擊地壓防控技術，工作面巷道走向基本頂防控技術斷面布置方案如圖12所示。

圖12 工作面巷道走向基本頂防控技術斷面布置方案

在上述位置向工作面回采區(qū)域內頂板各實施一組3個鉆孔，鉆孔直徑75 mm，1#鉆孔長度16 m與水平方向呈45°夾角、2#鉆孔長度為18 m水平方向呈60°夾角、3#鉆孔長度為22 m與水平方向呈75°夾角，形成一個高15.5 m、寬15.5 m的區(qū)域；裝藥參數：單個藥卷長300 mm，質量300 g，三個一捆，每米裝藥量為2.7 kg，1#鉆孔裝藥量21.6 kg、2#鉆孔裝藥量24.3 kg、3#鉆孔裝藥量29.7 kg，每孔2個雷管；封孔長度為孔深的1/2。正向裝藥，孔內并聯、孔間串聯，3孔同時起爆。

5 效果檢驗

Y396、Y394工作面在實施沖擊地壓防控技術前后，采用鉆屑法進行沖擊地壓防治效果檢驗[17，18]。鉆孔長度15 m，直徑42 mm，鉆孔間距5 m，鉆孔距離底板1.5 m，單排布置，鉆孔水平垂直于巷幫。鉆屑法監(jiān)測為每天一組，每組7個鉆孔，主要監(jiān)測鉆孔的鉆屑量，單位為kg。

根據唐山礦以往鉆屑法監(jiān)測情況，結合理論分析暫定如Y396、Y394工作面鉆屑量預警值。主要針對實施沖擊地壓防治技術的區(qū)域進行監(jiān)測，并選取Y396回風巷370～400 m、Y394運輸巷500～530 m和Y394回風巷560～590 m三處的鉆屑法監(jiān)測數據進行分析，根據監(jiān)測所得數據3組典型區(qū)域均未超過規(guī)定范圍內的鉆屑法預警值，表明區(qū)域內沖擊地壓危險已消除[19，20]。

6 結 論

1)基于Y396、Y394工作面的地質條件和開采技術條件，確定了誘發(fā)工作面采掘期間沖擊地壓的主導因素為上部壓覆5煤層遺留的不規(guī)則煤柱及本煤層開采形成的不規(guī)則煤柱。

2)通過FLAC3D數值模擬，分析得出了Y394工作面在回采期間的三個異常應力升高區(qū)。

3)確定了工作面主要沖擊地壓防控區(qū)域；對停采線以外區(qū)域(三角煤柱區(qū)域)，實施卸壓巷與硐室耦合爆破卸壓的防控技術；Y394工作面初次來壓區(qū)域實施工作面巷道走向直接頂防控技術，Y394工作面見方來壓區(qū)域實施工作面巷道走向基本頂防控技術，并通過鉆屑法檢驗，確定該區(qū)域內沖擊地壓危險已消除。