官地礦1051工作面上保護(hù)層開采沖擊地壓防治技術(shù)研究

胡 璞

(山西西山煤電股份有限公司官地礦,山西 太原 030022)

采區(qū)邊界附近的應(yīng)力集中和上保護(hù)層采煤過程中剩余的煤柱是導(dǎo)致沖擊地壓的根本原因，通過沖擊地壓理論分析同時根據(jù)其發(fā)生類型及其所受的影響[1-4]提出了防治及其控制沖擊地壓的技術(shù)。沖擊地壓的預(yù)防和控制的實質(zhì)就是釋放煤層積聚的彈性勢能，從而達(dá)到消除沖擊地壓危險的目標(biāo)。因此防治沖擊地壓的技術(shù)關(guān)鍵必須依據(jù)三個方面：首先需要把煤巖體的沖擊傾向性降低，其次是使得應(yīng)力峰值區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移，最后是采取一定的措施解決沖擊地壓的危險，使其產(chǎn)生小規(guī)模的沖擊地壓，與此同時煤巖體中積聚的彈性能也得到了釋放。

1 工程背景

官地礦五采區(qū)3#煤層1051工作面位于廟前山東大約1250m，要子莊背面1100m處，西南大致以84-10官5號鉆孔為界，北東以原礦界為邊界，采區(qū)為一北西、南東向長方形，長約2km，寬約1km，面積為2.9km2。本采區(qū)內(nèi)，石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)，二迭系下統(tǒng)山西組(P1s)共含煤13層，從上而下依次為01、02、03、1、2、3、5、6、7、8上、8下、9、10， 其 中 01、02、03、1、5、8上、10號煤層發(fā)育不穩(wěn)定，常尖滅。2號煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為一穩(wěn)定可采煤層，煤層靠頂部含有一層灰黑色泥巖，厚度0.05～0.10m之間，煤層厚度2.67～3.44m之間。3#煤位于2#煤下約4.5～6.0m之間，為一層結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可采煤層，僅局部煤層夾有簡層狀炭質(zhì)頁巖透鏡體，厚度0.15m左右，煤層厚度2.9～4.2m之間。

2 1051工作面合理布置與支護(hù)現(xiàn)狀分析

在回采工作面或者煤柱的應(yīng)力集中區(qū)，采動一般會引起沖擊地壓，沖擊地壓發(fā)生的主要形式表現(xiàn)為巷道積聚的大量能量突然釋放并噴發(fā)出大量的煤體，對巷道或人員造成傷害。被保護(hù)煤層在采掘的時候，上部留設(shè)的邊界往往形成應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力會傳遞給下煤層，在選擇下煤層巷道時應(yīng)該盡量避開應(yīng)力高峰區(qū)，應(yīng)力集中也是引起沖擊地壓發(fā)生的重要因素之一。因此被保護(hù)層中的巷道位置必須選擇合理，同時巷道的掘進(jìn)應(yīng)該避免應(yīng)力集中區(qū)域，以上解危措施對防治沖擊地壓具有十分重要的作用。

巷道的掘進(jìn)位置、形狀尺寸經(jīng)過計算確定完畢以后，巷道自身的截面性質(zhì)、圍巖力學(xué)特征參數(shù)也隨之確定出來，降低沖擊地壓可以通過改變巷道的圍巖性質(zhì)。巷道支護(hù)以后自身的結(jié)構(gòu)性能具有一定的承載能力，不僅能承受靜載荷的沖擊，還必須要能承受強(qiáng)動力載荷的巨大沖擊，巷道具備的這些特點(diǎn)是抵御巷道發(fā)生沖擊地壓的一個極其重要的因素。

2.1 1051工作面巷道布置原則

（1）上保護(hù)層邊界影響下巷道布置

如圖1所示，當(dāng)4煤設(shè)計的巷道以及停采線位置位于上保護(hù)煤層區(qū)域時，2煤采區(qū)邊界的支承壓力對其影響較輕，巷道施工對圍巖的應(yīng)力擾動較小，與此同時巷道的支承壓力變化很小，巷道采掘過程中或者工作面停止回采的時候一般不會引起沖擊地壓的發(fā)生。若巷道的位置在原巖應(yīng)力區(qū)域或者集中應(yīng)力的過渡區(qū)域，引發(fā)上保護(hù)層煤體產(chǎn)生應(yīng)力集中的不穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致能量的釋放，同時造成下層煤體承載能力的進(jìn)一步降低，與此同時還會引起圍巖應(yīng)力的重新分布造成支承壓力發(fā)生嚴(yán)重的變化。

圖1 工作面邊界巷道布置圖

（2）1051工作面煤柱下部的巷道布置

當(dāng)煤柱寬度固定的時候，埋深不同的煤柱本身承載能力不同，垂直應(yīng)力分布的狀態(tài)各異，煤柱垂直應(yīng)力分布呈現(xiàn)出正態(tài)分布特征，煤柱中間垂直應(yīng)力變化較小，兩側(cè)變化較大。煤柱的寬度在不同埋深程度上呈現(xiàn)出M型的分布，同一深度的煤柱以及相同賦存的應(yīng)力集中的狀況小于窄煤柱應(yīng)力集中的狀況。在同一個水平面上，當(dāng)煤柱的中心線的距離達(dá)到一定時，煤柱的應(yīng)力影響范圍達(dá)到極限。根據(jù)上述結(jié)論，可以得出煤柱下部的煤層可以分為卸壓區(qū)和過渡區(qū)，如圖2所示，當(dāng)巷道位置處于卸壓區(qū)的時候，可以減少應(yīng)力集中分布的狀況。

圖2 遺留煤柱下巷道布置圖

2.2 1051工作面巷道支護(hù)方式

近距離保護(hù)層開采后，受保護(hù)層采動的影響，1051試驗工作面的底板受到強(qiáng)烈破壞，同時巷道的頂板巖體松散破碎，支護(hù)重點(diǎn)在于保持頂板的完整性。在常規(guī)支護(hù)的基礎(chǔ)上易采用斜拉錨索加固頂板，使巷道頂板成為一體，加強(qiáng)了巷道圍巖的強(qiáng)度，保持了巷道圍巖的完整性。

當(dāng)保護(hù)層的層間距很大的時候，為了減少沖擊地壓造成的動力災(zāi)害，其主要支護(hù)方式為讓壓缷壓，一般都是應(yīng)用高強(qiáng)預(yù)緊力的錨桿錨索進(jìn)行支護(hù)。讓壓管起到變形作用，錨索起到一定的卸壓作用，錨索受到?jīng)_擊載荷的破斷情況就不會發(fā)生，同時可以通過減小錨索的直徑，有效地減少支護(hù)的成本。

3 1051工作面遺留煤柱區(qū)域卸壓

若上保護(hù)層開采后遺留的煤柱不進(jìn)行有效的處理，兩側(cè)工作面采空區(qū)遺留的煤柱，集中的應(yīng)力將在煤柱處形成并且轉(zhuǎn)移到底板的巖石中，如圖3中的虛線所示，煤柱進(jìn)行卸壓可以通過大直徑的鉆孔卸壓技術(shù)以及爆破卸壓技術(shù)，煤柱應(yīng)力集中將向兩側(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，降低被保護(hù)層工作面的沖擊危險。

圖3 卸壓前后工作面受力圖

圖4為官地煤礦1051、1052工作面遺留煤柱分布情況，針對遺留煤柱分布特點(diǎn)，遺留煤柱的分布區(qū)域可以看成三角區(qū)域和矩形區(qū)域，在F15斷層的影響下，三角區(qū)域的底板應(yīng)力集中更為明顯。煤柱區(qū)域必須進(jìn)行破壞，同時 “貫通式無核區(qū)”的處理方式必須實施。

圖4 遺留煤柱實際分布圖

4 沖擊地壓局部解危措施

4.1 鉆孔卸壓

鉆孔卸壓法是最有效減少和控制沖擊地壓的措施。鉆孔卸壓法的原理是鉆孔時產(chǎn)生的沖擊現(xiàn)象。每一個鉆孔周圍都會形成一定的破碎區(qū)域，特別是當(dāng)鉆孔越接近高應(yīng)力區(qū)域的時候，煤的儲能越高，鉆孔沖擊頻率也越高，產(chǎn)生的沖擊強(qiáng)度越大，當(dāng)這個鉆孔產(chǎn)生的破碎區(qū)域相互靠近時，煤層便發(fā)生破壞和卸壓。如圖5所示煤層支撐壓力峰值位置上鉆孔的斷裂和壓力釋放。鉆孔卸壓的本質(zhì)是處于高應(yīng)力的條件下，將煤層中積聚的彈性能量釋放從而破壞周圍煤層，消除沖擊地壓危險性。

圖5 鉆孔的卸壓作用（Φ=76～500mm）

4.2 爆破卸壓

當(dāng)局部已經(jīng)形成沖擊地壓的時候，采用鉆孔爆破技術(shù)可以有效釋放彈性能量，該方法的使用可以對沖擊地壓進(jìn)行局部解危。即使煤層中出現(xiàn)大量的裂隙，煤體的完整性遭到了嚴(yán)重的破壞。裂隙存在降低了煤體的強(qiáng)度，煤體的彈性模量減小，煤體內(nèi)部積聚的彈性能也降低，將有效的降低沖擊地壓發(fā)生的必要條件。

爆破卸壓在實際的生產(chǎn)中卸壓效果良好，并且簡單可行，是煤礦防治沖擊地壓發(fā)生的主要的技術(shù)方法。在煤巖體中合理布置炮眼的間距及合理確定爆破參數(shù)，是卸壓爆破成功的關(guān)鍵因素。

5 結(jié)論

本文探討了官地礦上保護(hù)層開采引起沖擊地壓的區(qū)域防治技術(shù)以及局部危險緩解的措施，防治沖擊地壓發(fā)生的局部解危措施包括合理布置巷道及支護(hù)、遺留煤柱卸壓，巷道應(yīng)該布置在上覆煤層卸壓區(qū)域，有效地消除沖擊危險性，通過煤柱“分段式無核區(qū)卸壓”處理的方式，實現(xiàn)從不完全保護(hù)向完全保護(hù)的有效方式。解除局部危險的主要措施是通過在危險的沖擊區(qū)域合理應(yīng)用鉆孔和爆破進(jìn)行泄壓，實現(xiàn)斷層以及邊界區(qū)域的卸壓，從而降低沖擊地壓的危險性。