特厚煤層區(qū)段煤柱寬度變化區(qū)沖擊危險性分析及防治實踐

凌志強，趙 森，頓長健

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.陜西煤礦安全監(jiān)察局咸陽監(jiān)察分局，陜西 西安 710054；3.陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500；4.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

沖擊地壓已經(jīng)成為彬長礦區(qū)主要的地質(zhì)災害，區(qū)段煤柱區(qū)域是沖擊地壓顯現(xiàn)的主要地點。對于沖擊地壓礦井，受采掘影響，煤柱區(qū)域往往受到多個高應力的疊加作用，導致煤柱附近易發(fā)生沖擊地壓，而沖擊危險性分析與評價是沖擊地壓預防的基礎。根據(jù)沖擊地壓啟動理論，微震、地音系統(tǒng)能夠連續(xù)監(jiān)測煤巖體破裂而為沖擊地壓提供的動載荷[1-2]，錨桿索軸力能反映出巷道支護質(zhì)量[3]，并可進一步分析區(qū)段煤柱所受靜載荷的大小。根據(jù)區(qū)段煤柱寬度的不同，從沖擊地壓啟動能量來源方面研究沖擊地壓相關參量的變化，進而確定沖擊危險性并提出合理的沖擊地壓防治措施[4-8]。

1 工程背景

40103回風巷為大佛寺煤礦40103工作面回采巷道，其北側(cè)為40103運輸巷，南側(cè)為40104灌漿巷及40104采空區(qū)。40104灌漿巷高3.5 m、寬4.0 m，采用向工作面埋管注黃泥漿的方法對40104采空區(qū)預防性滅火，當前已經(jīng)封閉。40103回風巷與40104灌漿巷之間煤柱由20.0 m調(diào)整為8.0 m，與40104采空區(qū)區(qū)段煤柱由44.5 m調(diào)整為32.5 m。工作面煤層埋深平均408 m，平均煤厚15 m，直接頂為泥巖，老頂為粉砂巖，底板為鋁質(zhì)泥巖。40103工作面回風巷布置如圖1所示，40103回風巷區(qū)段煤柱寬度變化后剖面如圖2所示。

圖1 40103回風巷平面布置示意圖

圖2 40103回風巷區(qū)段煤柱寬度變化后剖面圖

2 煤柱寬度變化區(qū)沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)采用微震臺網(wǎng)進行實時監(jiān)測，通過提供震源位置和發(fā)生時間來確定微震事件及其釋放的能量[9-10]，并結(jié)合微震事件分布的位置判斷潛在的礦山動力災害(沖擊地壓)活動規(guī)律，通過識別礦山動力災害活動規(guī)律進行危險性分析和預警[11-14]。ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測小范圍低位煤巖體破裂所產(chǎn)生的動載荷，能夠?qū)ΡO(jiān)測區(qū)域內(nèi)的地音事件進行實時監(jiān)測。

2.1 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)基本規(guī)律分析

對40103回風巷掘進期間調(diào)向前后微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表1所示。可以看出，40103回風巷調(diào)向后相較于調(diào)向前微震平均日頻次和日能量均大幅度升高。

表1 40103回風巷調(diào)向前后微震事件統(tǒng)計

40103回風巷微震事件平面分布如圖3所示，可見微震事件主要集中在40103回風巷掘進擾動區(qū)域。巷道調(diào)向前主要為1次方微震事件，占比達71%；調(diào)向后主要為2次方微震事件且多次出現(xiàn)3次方微震事件，占比達76%，并且巷道在掘進過程中，現(xiàn)場煤炮現(xiàn)象頻繁，頂板較破碎。

圖3 40103回風巷微震事件平面分布圖

通過上述分析可知，40103回風巷區(qū)段煤柱變化后，40103回風巷與40104采空區(qū)之間區(qū)段煤柱為32.5 m，40103回風巷與40104灌漿巷之間巷間煤柱寬度為8.0 m，微震事件頻發(fā)，能量大幅度增加，沖擊危險性增大，且8.0 m的巷間煤柱造成巷道圍巖穩(wěn)定性較差，削弱了煤柱的承載能力及穩(wěn)定性。

2.2 微震活動揭示沖擊危險區(qū)域

40103回風巷區(qū)段煤柱寬度變化區(qū)域微震能量分布云圖如圖4所示，圖中紅色區(qū)域微震能量較高，藍色區(qū)域微震能量較低。紅色區(qū)域主要分布在煤柱寬度變化后位置，區(qū)段煤柱寬度變化后微震能量E升高，沖擊危險性增強。

圖4 40103回風巷微震能量分布云圖

2.3 地音監(jiān)測數(shù)據(jù)基本規(guī)律分析

在40103回風巷掘進過程中使用地音探頭監(jiān)測圍巖微小破裂事件，探頭距工作面30 m，隨著巷道掘進，當工作面距探頭110 m時，將探頭移至工作面30 m位置，以此方式循環(huán)移動。地音偏差值曲線如圖5所示，由圖5可知，根據(jù)相對應的地音預警規(guī)則，2020-12-08至2020-12-13期間地音頻次和能量偏差值均明顯上升且呈波動狀態(tài)，地音預警危險等級升高。從時間分布上來看，40103回風巷區(qū)段煤柱由44.5 m調(diào)整為32.5 m期間地音頻次和能量偏差值顯著升高。

圖5 40103回風巷地音偏差值曲線

通過上述分析可知，區(qū)段煤柱調(diào)整后40103回風巷區(qū)段煤柱應力升高，在高應力區(qū)內(nèi)掘進時，應力集中所積聚的彈性能在40103回風巷與40104采空區(qū)相互擾動條件下釋放，巷道的沖擊危險性增高。

3 煤柱寬度變化區(qū)錨桿索軸力數(shù)據(jù)分析

利用錨桿索無損檢測儀對40103回風巷煤柱寬度變化區(qū)內(nèi)的錨桿索進行無損檢測，檢測儀可以在沒有損傷的情況下較為便捷地對錨桿索的工作軸力進行檢測。

根據(jù)40103回風巷工程地質(zhì)、開采條件和巷道支護等基礎資料及井下施工條件，在巷道掘進穩(wěn)定一段時間后，對3個不同區(qū)域開展現(xiàn)場錨桿索無損檢測，40103回風巷錨桿索軸力無損檢測位置圖如圖6 所示。為確保錨桿索施工質(zhì)量，錨桿索機械化施工，質(zhì)量監(jiān)督員全程監(jiān)督。

圖6 40103回風巷錨桿索軸力無損檢測位置圖

區(qū)域1：巷道調(diào)向前區(qū)域，在巷道煤柱幫50 m范圍內(nèi)分別抽檢20根錨桿和20根錨索。

區(qū)域2：巷道調(diào)向后區(qū)域，在巷道煤柱幫50 m范圍內(nèi)分別抽檢20根錨桿和20根錨索。

區(qū)域3：采取防沖措施區(qū)域，在巷道煤柱幫50 m范圍內(nèi)抽檢20根錨索。

上述3個區(qū)域地質(zhì)條件基本相同，此次共對 2個區(qū)域40根錨桿和3個區(qū)域60根錨索的軸力進行檢測，根據(jù)各個區(qū)域的軸力檢測結(jié)果進行統(tǒng)計分析，去除偏差較大數(shù)據(jù)。40103回風巷錨桿索平均軸力統(tǒng)計如表2所示。

表2 40103回風巷錨桿索平均軸力統(tǒng)計

通過上述分析可知，區(qū)段煤柱調(diào)整后煤柱幫錨桿索軸力均有不同程度的增加，巷道調(diào)向前巷道支護質(zhì)量最佳，巷道調(diào)向后巷道支護質(zhì)量最差，32.5 m區(qū)段煤柱相比44.5 m區(qū)段煤柱承受更高的側(cè)向支承壓力，導致巷道應力集中，錨桿索長時間高負荷承載，會造成巷道支護受損，沖擊危險性增大。

4 煤柱變化區(qū)沖擊危險性升高的原因分析

煤柱寬度變化后，微震、地音監(jiān)測到的事件能量和頻次明顯升高，40103回風巷煤柱寬度變化后沖擊危險性增大。44.5 m和32.5 m不同寬度區(qū)段煤柱側(cè)向支承壓力分布情況如圖7所示。

L—巷道與采空區(qū)的距離；σ—煤體應力；σ1—44.5 m煤柱區(qū)應力峰值；σ2—32.5 m煤柱區(qū)應力峰值。

由圖7可知，44.5 m區(qū)段煤柱應力峰值σ1小于32.5 m區(qū)段煤柱應力峰值σ2;巷道調(diào)向后，煤柱兩側(cè)的應力進一步疊加，煤柱應力集中程度升高。由于44.5 m區(qū)段煤柱由44.5 m調(diào)整為32.5 m導致煤柱應力集中程度增加是40103回風巷沖擊危險性升高的主要原因，并且由于20.0 m的巷間煤柱變?yōu)?.0 m，在近場圍巖擾動的情況下，圍巖體更加易破碎，進而導致圍巖支護質(zhì)量下降。

5 沖擊地壓防治實踐

根據(jù)煤柱寬度變化后沖擊地壓相關參量變化情況，采取了巷道局部分源防治的技術措施，使巷道四周形成卸壓區(qū)[15-20]，轉(zhuǎn)移巷道四周的高靜載荷，并有效防止動載荷誘發(fā)沖擊地壓，從而保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

1)弱化靜載荷源

為了消除40103回風巷圍巖掘進過程中積聚的靜載荷源，在工作面、回采幫和底板采取卸壓措施，卸壓參數(shù)如圖8所示。

圖8 大直徑鉆孔參數(shù)設計

采用?32 mm×200 g型炸藥對工作面和回采幫爆破卸壓，采用?153 mm鉆孔對底板卸壓，轉(zhuǎn)移和釋放圍巖靜載荷源。

2)增強煤柱穩(wěn)定性

40103回風巷煤柱幫采用注漿錨索，將錨索錨固段固定在深部圍巖中，為張拉錨索產(chǎn)生預緊力提供可靠的錨根。注漿能封閉錨索孔，擠出孔內(nèi)空氣和水，防治錨索腐蝕，增強錨索的耐久性；漿液通過裂隙滲透到圍巖體內(nèi)部，固結(jié)圍巖以增強圍巖穩(wěn)定性。

3)提高支護強度

將40103回風巷的兩幫螺紋鋼錨桿(長2.5 m、?22 mm)更換成錨索(長3.5 m、?21.8 mm)，通過錨索施加的預緊力可抵抗深部圍巖變形和破壞，提高巷幫的支護強度。

6 防沖效果檢驗

采取上述沖擊地壓防治措施后，采用ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)和煤柱幫錨桿索軸力無損檢測儀對40103回風巷沖擊危險性進行效果檢驗。

對調(diào)向后的40103回風巷采取防沖措施前后的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表3所示。

表3 40103回風巷采取防沖措施前后微震事件統(tǒng)計

相比兩個時間段微震平均日頻次和平均日能量，采取防沖措施后微震頻次和能量均明顯降低。

40103回風巷調(diào)向后，采取防沖措施后錨索軸力統(tǒng)計見表4，可以看出，巷道采取防沖措施后相比巷道調(diào)向后平均錨索軸力降低了30%，且處于合理區(qū)間。

表4 40103回風巷調(diào)向后、采取防沖措施后錨索軸力統(tǒng)計

通過上述分析可知，卸壓措施有效降低了圍巖內(nèi)的靜載荷，降低了巷道支護體的受力水平。通過采取針對性的防沖措施，實現(xiàn)了巷道的安全掘進。

7 結(jié)論

以大佛寺煤礦40103回風巷為例，根據(jù)沖擊地壓相關參量的變化情況，分析了沖擊危險性的變化原因，并提出針對性的防沖措施。

1)采用微震、地音監(jiān)測系統(tǒng)對特厚煤層區(qū)段煤柱寬度變化區(qū)進行了沖擊危險性分析，并指出煤柱的變化是造成沖擊危險性增大的主要原因。

2)以實測錨桿索軸力為參數(shù)，對40103回風巷支護質(zhì)量進行了評價，巷道調(diào)向后支護質(zhì)量最差。

3)經(jīng)過分析，區(qū)段煤柱由44.5 m調(diào)整為32.5 m，導致采空區(qū)側(cè)支承壓力集中程度增加，20.0 m巷間煤柱變?yōu)?.0 m巷間煤柱導致2條巷道的側(cè)向支承壓力疊加且圍巖體破碎，進而導致沖擊危險性增強。

4)實施弱化靜載荷源、增強煤柱穩(wěn)定性和提高支護強度等防治措施，并通過微震事件相關參量的變化趨勢和實測錨索軸力進行對比分析，對沖擊地壓防治措施效果加以驗證，實現(xiàn)了40103回風巷安全掘進。