褶曲構(gòu)造影響區(qū)內(nèi)翼部煤層開(kāi)采礦壓機(jī)理及防治技術(shù)

段云鵬

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 勘察設(shè)計(jì)院有限公司,山西 晉城 048006)

褶曲構(gòu)造是煤炭地下開(kāi)采期間經(jīng)常遇到的一種地質(zhì)構(gòu)造類型,受其影響將會(huì)導(dǎo)致賦存于地下的煤層傾角變化較大[1-2]。褶曲構(gòu)造的翼部區(qū)域內(nèi)煤層傾角往往較大,嚴(yán)重時(shí)煤層甚至處于急傾斜的賦存條件,當(dāng)賦存煤層厚度足夠大時(shí),往往采用水平分層開(kāi)采的方法對(duì)翼部區(qū)域內(nèi)煤層進(jìn)行開(kāi)采[3]。以往文獻(xiàn)針對(duì)急傾斜煤層水平分層開(kāi)采的研究多側(cè)重于巷道圍巖應(yīng)力分布以及覆巖運(yùn)移規(guī)律方面[4-6],并沒(méi)有針對(duì)急傾斜煤層內(nèi)的應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析,這導(dǎo)致相應(yīng)的治理措施存在一定的盲目性。

本文從急傾斜煤層水平分層開(kāi)采期間煤層內(nèi)應(yīng)力分布特征的角度出發(fā),側(cè)重研究了工作面開(kāi)采期間受高靜載應(yīng)力影響的范圍,同時(shí)基于動(dòng)靜載疊加機(jī)理揭示了強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的原因及相應(yīng)的影響區(qū)域,并針對(duì)性地提出了相應(yīng)的卸壓爆破措施,為具有類似地質(zhì)條件的煤層開(kāi)采提供指導(dǎo)和借鑒意義。

1 工程地質(zhì)背景概況

位于山西省晉城市境內(nèi)的某井田受褶曲地質(zhì)構(gòu)造的影響而致使賦存其中的煤層傾角變化范圍較大,尤其針對(duì)位于向斜構(gòu)造影響范圍翼部區(qū)域內(nèi)的煤層因?yàn)槊簩觾A角較大而無(wú)法采用常規(guī)的開(kāi)采工藝。根據(jù)地質(zhì)鉆孔勘測(cè)結(jié)果得知,此向斜構(gòu)造影響范圍翼部區(qū)域內(nèi)的煤層傾角約為56°,屬于急傾斜煤層開(kāi)采條件。由于此向斜構(gòu)造影響翼部區(qū)域內(nèi)主采6號(hào)煤層賦存厚度為55.8～63.7 m,平均厚度約為59.2 m,因此選用綜采放頂煤的開(kāi)采工藝對(duì)其進(jìn)行水平分層開(kāi)采。+255 m水平位置處所布置的3605綜放面直接開(kāi)采高度為3.5 m,放頂煤厚度為11.5 m,采放比接近1∶3.3,而工作面沿水平方向?qū)挾燃s為70 m.關(guān)于向斜構(gòu)造影響范圍翼部區(qū)域內(nèi)的煤層分層開(kāi)采示意情況如圖1所示。

圖1 褶曲翼部區(qū)域內(nèi)煤層分層開(kāi)采示意

圖1中主采6號(hào)煤層左側(cè)為頂板巖層,其由下向上依次為砂質(zhì)泥巖層(厚度為2.6 m)、細(xì)砂巖層(厚度為7.2 m)、鋁質(zhì)泥巖層(厚度為1.3 m)、中粒砂巖層(厚度為12.9 m)、炭質(zhì)泥巖層(厚度為3.1 m)、粗砂巖層(厚度為15.3 m)和細(xì)砂巖層(厚度為48.5 m)等,這其中厚度為2.6 m的砂質(zhì)泥巖層可被視作直接頂,厚度為12.9 m的中粒砂巖層可被視作亞關(guān)鍵層,而厚度為48.5 m的細(xì)砂巖層可被視作主關(guān)鍵層。6號(hào)煤層右側(cè)為底板巖層,其由上向下依次為粗砂巖層(厚度為3.9 m)和砂礫巖層(厚度為46.3 m),可分別被視作直接底和基本底。

2 翼部?jī)A斜煤層內(nèi)煤體受力分析

3605綜放面回采推進(jìn)期間,礦壓顯現(xiàn)頻發(fā),并多次發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)事故,造成工作面內(nèi)液壓支架的壓架,同時(shí)運(yùn)輸巷較軌道巷發(fā)生了嚴(yán)重的巷道底板鼓起,兩幫部嚴(yán)重內(nèi)擠變形,頂煤破碎支護(hù)困難,具體現(xiàn)場(chǎng)實(shí)照如圖2所示。

針對(duì)翼部?jī)A斜煤層內(nèi)煤體可以建立二維平面應(yīng)變力學(xué)模型,關(guān)于所構(gòu)建的煤體受力分布情況如圖3所示。

圖3 翼部?jī)A斜煤層內(nèi)煤體受力示意

由圖3可知,3605綜放面開(kāi)采期間可以劃分為I和II兩個(gè)煤體區(qū)域,因此有必要針對(duì)這2個(gè)煤體區(qū)域分別進(jìn)行受力分析。

2.1 I煤體區(qū)域受力分析

I煤體區(qū)域?yàn)橐恢苯侨切?其中AB面受到上分層采空區(qū)內(nèi)壓實(shí)矸石對(duì)其施加的載荷為Pz,底板側(cè)BC面受到的側(cè)向支承應(yīng)力載荷為σ2,煤體內(nèi)部分界AC面可認(rèn)為受到均布載荷σ1,I煤體區(qū)域具體受力情況如圖4所示。

圖4 I煤體區(qū)域受力示意

基于圖4建立其沿BC和AC方向的受力平衡方程組,如公式(1)所示。

(1)

式中:lAB、lBC分別為AB面和BC面上任意微小長(zhǎng)度段;Gt為I煤體區(qū)域內(nèi)煤體的自重,滿足Gt=m2cotθγc;γc為6號(hào)煤層的平均容重,取1.35 kN/m3;m為6號(hào)煤層的平均厚度,取59.2 m.

考慮到液壓支架對(duì)其上方頂煤的支撐力pv可由公式(2)計(jì)算得到。

(2)

式中:d為單一液壓支架內(nèi)任意支柱的直徑值,取0.22 m;b為單一液壓支架的寬度,取1.6 m;Lc為單一液壓支架的控頂長(zhǎng)度,取4.5 m;pc為液壓支架內(nèi)任意支柱的平均支撐力,MPa.

當(dāng)3605綜放面發(fā)生某一次典型的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)時(shí),此時(shí)關(guān)于3605綜放面開(kāi)采期間液壓支架內(nèi)任意支柱的平均支承力數(shù)據(jù)可由相關(guān)壓力表監(jiān)測(cè)得到,其對(duì)應(yīng)的液壓支架對(duì)其上方頂煤的支承力數(shù)據(jù)可依據(jù)公式(2)計(jì)算確定。最終得到的工作面內(nèi)壓力相關(guān)數(shù)據(jù)如圖5所示。

基于圖5所示3605綜放面開(kāi)采期間壓力相關(guān)數(shù)據(jù),采用如公式(3)可以計(jì)算得到3605綜放面開(kāi)采期間其內(nèi)部液壓支架所受到的頂板垂向壓力。

(3)

式中:lA1B1、lC1D1分別為頂板側(cè)均布載荷pv-roof和底板側(cè)均布載荷pv-floor所承載液壓支架的長(zhǎng)度段,分別取6 m和8 m;lA1D1整個(gè)工作面的寬度值,取70 m;i為1～33中的奇數(shù)值。

而關(guān)于底板側(cè)BC面在3605綜放面未開(kāi)采時(shí)所受到的支承壓力可由公式(4)所示。

(4)

聯(lián)立公式(1)～(4)可以計(jì)算求解得到3605綜放面未開(kāi)采時(shí)[FBC]ini為8.3×105kN,3605綜放面開(kāi)采期間FBC為2.7×104kN,σ1為0.82 MPa.可見(jiàn)滿足FBC<<[FBC]ini,當(dāng)3605綜放面開(kāi)采期間I煤體區(qū)域由初始的彈性狀態(tài)過(guò)渡至塑性狀態(tài)而承載力下降,進(jìn)而主要由II煤體區(qū)域承受高應(yīng)力載荷。

2.2 II煤體區(qū)域受力分析

II煤體區(qū)域具體受力情況如圖6所示。

圖6 II煤體區(qū)域受力示意

根據(jù)圖6所示的II煤體區(qū)域受力特征,基于極限平衡理論可以建立沿x軸方向任意區(qū)段內(nèi)煤體的平衡方程,如公式(5)所示。

m(σx+dσx)-mσx-2σyfdx=0

(5)

式中:f為煤巖層交界處的摩擦系數(shù)大小。

同時(shí)考慮到在x=0處應(yīng)力邊界條件滿足如公式(6)所示。

(6)

式中:c為6號(hào)煤層內(nèi)煤體的黏聚力,取3.8 MPa;φ為6號(hào)煤層內(nèi)煤體的內(nèi)摩擦角,取29°.

聯(lián)立公式(5)～(6)可以計(jì)算求解得到頂板側(cè)支承應(yīng)力峰值σsm為69.7 MPa,其沿x軸方向投影點(diǎn)的距離x0為18.6 m.可知,頂板側(cè)支承應(yīng)力峰值距離3605綜放面距離較近,容易對(duì)運(yùn)輸巷及其鄰近工作面段造成高應(yīng)力集中影響。

3 動(dòng)靜載疊加誘發(fā)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)分析

基于上述分析可知,3605綜放面分屬于I和II兩個(gè)煤體區(qū)域,由于I煤體區(qū)域處于塑性狀態(tài)而將高集中應(yīng)力向II煤體區(qū)域轉(zhuǎn)移,致使II煤體區(qū)域內(nèi)的3605綜放面圍巖受到較高的集中靜載影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)某一次典型強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)發(fā)生時(shí)的微震能量事件進(jìn)行定位,其剖面定位結(jié)果如圖7所示。

圖7 微震能量事件定位剖面圖

從圖7中可以看出微震能量在105～106J的大能量事件主要集中于煤層頂板內(nèi)厚度為12.9 m的中粒砂巖層內(nèi),其中釋放能量值最高達(dá)到了2.4×106J;微震大能量事件發(fā)生位置距離煤層頂面平均垂直間距約為14.5 m,距離運(yùn)輸巷距離約為16.0 m.

考慮到大能量微震事件所釋放的彈性應(yīng)變能以應(yīng)力波的形式向開(kāi)采空間周圍煤巖體內(nèi)傳播,這其中橫波(S波)對(duì)煤巖體造成的擾動(dòng)影響將會(huì)導(dǎo)致煤巖體產(chǎn)生動(dòng)態(tài)破壞[7-8],而關(guān)于橫波所形成的動(dòng)載擾動(dòng)強(qiáng)度值在距離震源距離為時(shí)所形成的動(dòng)載滿足如公式(7)所示。

(7)

式中:ρ為頂板巖層的平均密度,取2 450 kg/m3;CS為橫波的傳播速度,取2 520 m/s;vpsm為微震能量在105～106J的大能量事件所形成的橫波峰值點(diǎn)振動(dòng)速度,取12.2 m/s.

考慮到6號(hào)煤層的單軸抗壓強(qiáng)度值為12.9 MPa,且根據(jù)相關(guān)研究資料可知當(dāng)煤體的單軸抗壓強(qiáng)度值小于16 MPa時(shí),其發(fā)生強(qiáng)礦壓動(dòng)力顯現(xiàn)所需要的最小臨界載荷值為70 MPa.

根據(jù)上述理論分析計(jì)算已得知頂板側(cè)支承應(yīng)力峰值σsm為69.7 MPa,當(dāng)其與動(dòng)載擾動(dòng)σdS(ld)疊加后的動(dòng)靜載疊加載荷值大于70 MPa時(shí),將會(huì)在煤體內(nèi)形成強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)啟動(dòng)區(qū)。結(jié)合公式(7)計(jì)算可以確定沿著頂板側(cè)支承應(yīng)力峰值σsm方向在煤體內(nèi)一定長(zhǎng)度段lcb內(nèi)動(dòng)靜載疊加載荷值均大于70 MPa,相應(yīng)的lcb取值為16.2 m,如圖8所示。

圖8 動(dòng)靜載疊加誘發(fā)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)示意

根據(jù)圖8首先確定了強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)啟動(dòng)區(qū)的長(zhǎng)度值,而關(guān)于工作面內(nèi)液壓支架因?yàn)閴毫χ党薅鴵p壞的范圍則需要進(jìn)一步計(jì)算確定。基于公式(2)可推導(dǎo)出工作面內(nèi)液壓支架損壞時(shí)所需要的額外載荷Δpv值,其滿足如公式(8)所示。

(8)

式中:pc-max為液壓支架的極限支撐力,取65 MPa.

由圖7可知,在3605綜放面底部煤體內(nèi)也存在微震能量在104～105J的較大能量事件,距離工作面內(nèi)液壓支架的距離較近,同樣將相關(guān)參數(shù)帶入公式(7)可以計(jì)算得到其傳播至工作面內(nèi)液壓支架位置處時(shí)的額外動(dòng)載荷ΔσdS值,當(dāng)其值大于液壓支架損壞所需額外載荷Δpv值時(shí),液壓支架受動(dòng)載擾動(dòng)影響而發(fā)生損壞,如圖9所示。

圖9 液壓支架發(fā)生損壞判定曲線

由圖9可知,從運(yùn)輸巷附近開(kāi)始的1號(hào)～21號(hào)液壓支架均滿足ΔσdS-Δpv>0,這意味著這些液壓支架均發(fā)生了不同程度的損壞。考慮到液壓支架的寬度值為1.6 m,21架液壓支架的總寬度值為33.6 m,進(jìn)而可以確定三角形狀的強(qiáng)礦壓影響區(qū)域的另外一邊ld＇的長(zhǎng)度為27.6 m.現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果表明此次典型強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)發(fā)生時(shí),3605綜放面內(nèi)1號(hào)～23號(hào)液壓支架均發(fā)生了不同程度的損壞,與理論計(jì)算分析結(jié)果基本相吻合。

4 強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)防治技術(shù)

4.1 卸壓爆破技術(shù)

基于上述分析可知,3605工作面靠近運(yùn)輸巷側(cè)的部分工作面及運(yùn)輸巷處于II煤體區(qū)域內(nèi),其開(kāi)采空間周圍煤巖體受到較高的集中靜載影響,同時(shí)覆巖內(nèi)堅(jiān)硬頂板破斷所形成的劇烈動(dòng)載疊加效應(yīng)進(jìn)一步導(dǎo)致了強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的頻發(fā)[9]。針對(duì)3605綜放面開(kāi)采期間所面臨的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)難題,后續(xù)采取對(duì)其運(yùn)輸巷超前段100 m范圍內(nèi)上側(cè)覆巖內(nèi)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行深孔卸壓爆破措施,同時(shí)對(duì)巷道底煤進(jìn)行卸壓爆破措施,具體施工措施參數(shù)情況如圖10所示。

圖10 卸壓爆破參數(shù)示意

4.2 卸壓效果檢驗(yàn)

3月26日夜班開(kāi)始在3605工作面的運(yùn)輸巷內(nèi)進(jìn)行如圖10所示的卸壓爆破措施,并對(duì)卸壓效果進(jìn)行檢驗(yàn),所監(jiān)測(cè)到的相關(guān)數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 卸壓效果檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖11(a)所監(jiān)測(cè)到的鉆屑量數(shù)據(jù)可知,剛開(kāi)始對(duì)3605工作面的運(yùn)輸巷實(shí)施卸壓措施時(shí),3月26日測(cè)得的巷道圍巖鉆屑量數(shù)值整體偏高,甚至超過(guò)了臨界煤粉量。后續(xù)實(shí)施卸壓措施5 d后,3月31日測(cè)得的巷道圍巖鉆屑量數(shù)值整體下降至低于臨界煤粉量,這意味著巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境得到改善,其原有的高集中靜載被轉(zhuǎn)移和釋放;由圖11(b)所監(jiān)測(cè)到的微震總能量、頻次數(shù)據(jù)可知,隨著對(duì)3605工作面的運(yùn)輸巷實(shí)施卸壓措施的時(shí)間延續(xù),初始階段其頂板內(nèi)微震總能量、頻次較高,說(shuō)明實(shí)施卸壓措施的時(shí)間較短,并未對(duì)頂板起到明顯的卸壓作用。中期階段其頂板內(nèi)微震總能量開(kāi)始下降,而總頻次卻顯著升高,說(shuō)明實(shí)施卸壓措施一定時(shí)間后,頂板內(nèi)裂隙開(kāi)始充分發(fā)育而致使總頻次升高,同時(shí)裂隙的充分發(fā)育卻導(dǎo)致了頂板破斷時(shí)所釋放的能量減小。最后階段其頂板內(nèi)微震總能量、頻次均處于較低的水平,說(shuō)明實(shí)施卸壓措施的時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),頂板已經(jīng)發(fā)生破斷而形成穩(wěn)定鉸接結(jié)構(gòu)。

可見(jiàn),對(duì)3605工作面的運(yùn)輸巷實(shí)施卸壓措施后,能夠有效地降低巷道圍巖所受到的高集中靜載,同時(shí)弱化頂板內(nèi)所形成的動(dòng)載擾動(dòng)強(qiáng)度,進(jìn)而有效防治3605工作面開(kāi)采期間強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的發(fā)生。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 褶曲構(gòu)造影響區(qū)內(nèi)翼部煤層進(jìn)行水平分層開(kāi)采期間其工作面圍巖受力特性可被劃分為I和II兩個(gè)煤體區(qū)域,其中I煤體區(qū)域因處于塑性狀態(tài)而承載力下降,進(jìn)而主要由II煤體區(qū)域承受高應(yīng)力載荷。

2) 3605綜放面開(kāi)采期間對(duì)某一次典型強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)發(fā)生時(shí)的微震能量事件進(jìn)行研究,理論計(jì)算分析確定了動(dòng)靜載疊加作用下工作面底部所存在的三角形強(qiáng)礦壓影響區(qū)域尺寸,對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的精確性。

3) 當(dāng)對(duì)3605綜放面運(yùn)輸巷超前段100 m范圍內(nèi)上側(cè)覆巖內(nèi)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行深孔卸壓爆破措施和對(duì)巷道底煤進(jìn)行卸壓爆破措施前后,對(duì)比分析鉆屑量和微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況得知該卸壓方法能夠有效地降低巷道圍巖所受到的高集中靜載,同時(shí)弱化頂板內(nèi)所形成的動(dòng)載擾動(dòng)強(qiáng)度。