高位厚層砂巖頂板條件沿空巷道強動壓消除技術*

祝凌甫，李春睿

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

0 引言

鄰近采空區的巷道往往受到強動壓影響而維護困難，工作面的超前支承壓力與側向支承壓力是鄰空巷道礦壓顯現重要的影響因素[1]。鄰空巷道強礦壓顯現主要受覆巖結構及圍巖自身強度等因素影響。因此，如何通過基于鄰空側強礦壓應力源控制的巷道卸壓技術，成為當前煤礦開采急需解決的問題。基于大量現場實踐，結合巷道高應力產生及應力轉移機理的分析可知，在已有硐室底部掘巷，同時采取適當的巷道松動爆破措施，可實現掘進巷內的高應力轉移[2-3]；工作面支架后方矸石及時冒落，釋放圍巖變形能，可將工作面集中應力區向煤巖深部轉移，達到工作面煤層卸壓目的[4]；對已有采空區下方掘巷，可取得巷道或硐室頂部卸壓的良好效果[5]；同時采用高強度、高預緊力的錨桿支護、注漿加固破碎圍巖，提高破碎圍巖殘余強度和錨桿錨固力，可實現深部巷道圍巖的穩定[6]；在特厚煤層內布置卸壓巷并結合松動爆破技術，可解決工作面沿空巷道難以維護的問題[7-9]。可見，對于巷道應力控制的問題雖已取得眾多研究成果，但鑒于巷道圍巖復雜的賦存環境，尤其是鄰空巷道的強礦壓顯現各不相同，高應力轉移機理和控制手段尚未達成統一共識。

為此，在分析該煤礦30202回采工作面回風巷道強礦壓顯現特征的基礎上，采用理論分析，深孔爆破圍巖控制及現場效果觀測等方法，探討工作面鄰空回風巷道強礦壓顯現機理，及深孔爆破后應力變化特征，以期為深部開采條件下鄰空巷道強動壓的消除提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工作面概況

工作面位置：該煤礦的30202工作面北側緊鄰30201工作面采空區，采空區的寬度為241 m，30202工作面與30201采空區之間留有寬20 m保護煤柱；南側為實體煤，東側為采區邊界，西側為工業廣場停采線，工作面的位置關系如圖1所示。30202工作面埋深達到630 m以上，煤體堅硬，單軸抗壓強度約為35.37 MPa。工作面煤層采高平均為5.5 m，煤層傾角1°～3°，平均為2°，采用全部垮落法管理頂板。

圖1 工作面位置

頂底板巖性：煤層直接頂為泥質粉砂巖，基本頂為中粒砂巖，基本頂上方為23 m的厚層粉砂巖，粉砂巖巖層強度平均值為61.34 MPa，煤層直接底為泥巖。煤層頂板巖性見表1。

表1 煤層頂底板賦存條件

1.2 礦壓危險性

危險性區域劃分：30202工作面主要受到區段煤柱、采空區側向壓力、采動超前支承壓力影響，巷道礦壓顯現嚴重區域集中在工作面單見方、聯巷口+三岔口、雙工作面見方影響區；礦方曾基于多因素耦合評價方法對危險區域進行了劃分，最終得到30202回風巷強危險區6個，中等危險區1個，巷道整體礦壓危險性較高，如圖2所示。

注：回風巷聯各巷口左右各20 m，均為強沖擊危險區圖2 30202工作面強礦壓危險性區域劃分示意

應力集中情況：為驗證回風巷圍巖應力分布情況，在回風巷正幫進行了鉆孔檢驗，結果發現鉆進至6～20 m時即出現明顯的卡鉆現象，可知高應力已集中在巷道圍巖附近。在巷道兩幫的煤層進行二輪、三輪大直徑卸壓孔，并增加了卸壓孔孔徑，鉆孔后發現巷幫淺部高應力區依然存在，大直徑卸壓并未起到良好的卸壓效果。根據煤層開采條件及圍巖分布特征分析得出，受30202工作面前方超前支承壓力、30201采空區側向應力和30202回風巷保護煤柱集中應力影響，使得30202工作面回風巷應力集中程度較高、煤炮聲頻繁、動壓現象明顯。其中3-1煤層上方所存在的近30 m厚的砂巖頂板，由于其層位完整致密，是側向應力傳遞的主要介質。因此，為了降低應力集中程度，應從應力源即回風巷附近的頂板入手，避免彈性能的集聚與傳播、阻斷應力傳遞路徑。

2 沿空高位厚層砂巖載荷傳遞機制

2.1 傳遞機制

依據30202工作面埋藏深度、煤層厚度及頂底板巖性特征，分析得出隨著工作面的不斷推進，采空區側向覆巖未能及時冒落[10-12]，當覆巖破斷到基本頂時，裂隙帶高度已發展到最大。其中把垮落帶及裂隙帶覆巖統稱為低位覆巖，而直覆的厚層砂巖只產生了彎曲下沉，直覆巖即為高位覆巖。而根據煤礦的實際情況，側向支承壓力由低位破斷覆巖產生的自重載荷及高位未破斷覆巖產生的懸臂載荷共同決定，巷道側向覆巖結構及側向支承壓力分布曲線如圖3所示。其中直接頂巖層所承受應力為自重載荷；基本頂巖層所承受應力為自重載荷、采空區懸露的一部分重量；直覆巖層所施加應力是將自重載荷通過以兩端“固支梁”的形式存在，通過兩端支點以集中力的形式向下覆煤巖層傳遞載荷。

圖3 堅硬覆巖結構及側向支承壓力分布曲線

2.2 典型特征

內外應力場共同作用：這種載荷傳遞機制的典型特征是在側向煤體中產生內、外應力場，即由低位破斷覆巖載荷所控制的內應力場，與高位未破斷覆巖載荷相聯系的外應力場共同作用。其特征是內、外應力場形成的條件為同時存在破斷及非破斷覆巖；內、外應力場是伴生關系，二者同時存在又此消彼長，在同一地質條件下，內應力場范圍及應力幅值的增大，將導致外應力場范圍及幅值的降低。即，未斷裂巖層與斷裂巖層在側向煤體產生的附加應力進行疊加，得到側向煤體應力分布特征，如圖4所示。圖中，Δσi為第i層巖層懸露部分自重在側向煤體產生的附加應力；Δσimax第i層巖層懸露部分自重在側向煤體產生的附加應力峰值。

圖4 側向產生的附加應力疊加原理示意

附加應力疊加的影響：①鄰空側向各層位巖層懸露部分自重產生的附加載荷要遠大于鉸接力產生的附加載荷，懸露部分自重是造成側向煤體高應力的主因；②隨著距煤層底板的高度增加，鉸接結構產生的鉸接力對側向煤體的作用逐漸減弱；③不同層位巖層懸露部分自重產生的附加載荷在側向煤體中產生的附加應力峰值基本相同；④低位巖層在側向煤體中產生的附加應力影響范圍小，但是影響程度高；⑤高位巖層附加載荷在側向煤體中產生的附加應力影響范圍大，但是影響程度低；⑥覆巖破斷高度越大，附加應力在側向煤體中傳播距離越遠[13-14]。

3 深孔爆破高位強動壓消除效果分析

3.1 深孔爆破卸壓

造成高應力區集中的原因：根據鄰空側向覆巖傳遞機制分析得出，覆巖破斷高度越大，使得附加應力在側向煤體中傳播距離越遠。并且該煤礦30202工作面高應力區主要為回風巷一側，說明主要原因是由于30201工作面頂板未及時充分垮落造成。

卸壓方法的選擇：①方法的選擇。受30201工作面采空區頂板應力傳遞的影響，回風巷兩幫變形較大、應力普遍較高，需對回風巷頂板采用深孔爆破卸壓的辦法，削弱巷道煤幫應力，避免發生動力災害。其中從覆巖進行卸壓應包括2部分，分別為老空區應力傳遞路徑的阻斷和本工作面的超前支承壓力傳遞路徑的弱化。②老空區應力傳遞路徑的阻斷。主要是在回風巷斜上方頂板進行預裂，人為的沿著工作面走向形成一條裂縫帶。③工作面超前支承壓力卸壓。人為的將厚層堅硬頂板強度弱化，不但可降低周期來壓強度和縮小周期來壓步距，而且能夠避免應力累積形成“見方性”強礦壓。此外，對本工作面的頂板預裂松動后，能消除大采高工作面超前支承壓力的傳播范圍，做到從本質上卸壓。

3.2 實施方案

結合現場實際情況，在30202工作面回風巷867 m(回采里程)開始向北施工深孔爆破卸壓工程。每組2個炮孔沿巷道斷面平行布置，組間距5 m，如圖5所示，分別為實體煤一側的A孔、煤柱側的B孔。A孔深50 m，傾角45°，B孔深37 m，傾角65°。

圖5 深孔爆破卸壓工程剖面

3.3 效果分析

鉆孔應力計數據對比：①鉆孔應力計布置。工作面二次見方區域為距切前方730～930 m范圍，該200 m范圍在回風巷兩幫都進行了鉆孔應力計的安設，在生產幫每隔25 m布置一組深淺孔應力計(分別孔深8 m、14 m)，煤柱幫每隔25 m布置了一組淺孔應力計(孔深8 m)。第1組爆破孔與應力計安裝位置對應圖，如圖6所示。②生產幫爆破區域與未爆破區域應力對比。生產幫和煤柱幫未采取深孔爆破的區域與已采取深孔爆破區域的鉆孔應力計的應力變化情況，如圖7、8所示。由圖7可以看出，生產幫20#、21#鉆孔應力計處在未采取深孔爆破區域，實體煤幫23#、24#鉆孔應力計處在已采取深孔爆破的區域。由圖7可知，生產幫未爆破區域，21#孔深部應力計峰值為13 MPa、淺部峰值為9 MPa，20#孔深部應力計峰值為24 MPa、淺部峰值為21 MPa。可見，未爆破區域的20#鉆孔應力計處應力峰值增量較大，且在工作面前方18 m左右開始具有陡然增高趨勢。而爆破區域23#孔深部應力計峰值為7.3 MPa、淺部峰值為10 MPa，24#孔深部應力計峰值為5.4 MPa、淺部峰值為7.8 MPa。可見，爆破區域的23#、24#鉆孔應力計處應力峰值絕對值較小，且在工作面前方20 m左右開始呈現緩慢增高趨勢。得到鉆孔應力計測站卸壓數據對比表，見表2。③煤柱幫爆破區域與未爆破區域應力對比。根據應力數據，深孔爆破卸壓后的鉆孔應力計深部峰值降低至30.41%、41.53%，淺部鉆孔應力計監測的數據顯示卸壓后峰值降低至47.61%、86.66%，可見對實體煤幫14 m處卸壓效果比8 m處更為明顯。由圖8可知，煤柱幫未爆破區域，15#孔應力計峰值為8 MPa、16#孔深部應力計峰值為13.5 MPa。而爆破區域，21#孔應力計峰值為7.8 MPa、22#孔深部應力計峰值為5 MPa。并得到鉆孔應力計測站卸壓數據對比表，見表3。根據深孔爆破卸壓后的煤柱內的鉆孔應力測定，應力峰值分別由15#、16#鉆孔的8 MPa、13.5 MPa，降低至21#、22#鉆孔的7.8 MPa、5 MPa。卸壓后峰值降低至57.77%、62.5%，可見對煤柱幫的應力有所降低，但降低的幅度沒有實體煤幫大。

圖6 鉆孔應力計布置位置

圖7 生產幫爆破區域與未爆破區域應力對比

表2 生產幫鉆孔應力計測站數據對比表

圖8 煤柱幫爆破區域與未爆破區域應力對比

表3 煤柱幫鉆孔應力計測站數據對比表

微震監測能量事件對比：30202工作面采用了ARAMIS微震監測系統對工作面微震能量事件進行了監測。圖9為工作面深孔爆破區域和未爆破區域頂板微震事件監測的分布圖，其中剔除了爆破振動事件行為。根據爆破前后微震事件分布得到，深孔爆破后大能量級事件(105J)多發生在高位的80 m的上方，且離回風巷距離較遠，可見是更高位覆巖的能量集聚造成的。中能量級的事件(103～104J)從每天發生的次數上有所增多，且事件空間位置向回風巷一側偏移，說明大能量在分解、緩釋。

圖9 爆破前后微震事件分布

4 結論

(1)沿空回風巷應力集中主要受30201采空區側向應力和煤柱集中應力影響。而煤層上方存在的厚層砂巖頂板，完整致密，是側向應力傳遞的主要介質。采空區側向支承壓力由低位破斷覆巖產生的載荷及高位未破斷覆巖產生的載荷共同決定，并在側向煤體中形成了由低位破斷覆巖載荷所控制的內應力場，與高位未破斷覆巖載荷相聯系的外應力場。

(2)為了解決沿空巷道的強礦壓顯現，提出了老空區應力傳遞路徑的阻斷和本工作面的超前支承壓力弱化相結合的頂板深孔預裂方案。深孔爆破卸壓后，生產幫和煤柱幫的應力數據均有不同幅度的降低，同時微震事件在空間位置變得分散、大能量事件消除，說明大能量在分解、緩釋，間接證明了深孔預裂爆破起到了良好的卸壓效果。