堅(jiān)硬頂板工作面高靜載型回采巷道沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

＊楊博飛 孫宇俊 韋釗

（1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 712000 2.陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司 陜西 721500）

沖擊地壓又稱為巖爆災(zāi)害，是一種礦體或巖體平衡在內(nèi)部高應(yīng)力作用下受到破壞，形成突發(fā)性大能量釋放引發(fā)爆炸振動(dòng)的自然災(zāi)害類型之一。沖擊地壓災(zāi)害在煤礦生產(chǎn)過程中屬于發(fā)生頻率較高的災(zāi)害類型之一，因其造成的危害巨大已成為當(dāng)前我國煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中高度重視的災(zāi)害類型之一[1]。以我國平頂山己16.17煤層回采巷道為例，對(duì)堅(jiān)硬頂板工作面高靜載型回采巷道沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析，認(rèn)為對(duì)于該類型礦井而言厚硬砂巖層的存在容易導(dǎo)致回采巷道靜載荷高度集中，在長時(shí)間的高頻率作業(yè)環(huán)境下容易出現(xiàn)較為頻繁的沖擊地壓現(xiàn)象，會(huì)嚴(yán)重影響煤礦的正常、安全作業(yè)。以此為依據(jù)，本文提出了一種針對(duì)堅(jiān)硬頂板工作面高靜載型回采巷道沖擊地壓災(zāi)害的卸壓防治技術(shù)，為該地區(qū)煤礦災(zāi)害防治工作提供借鑒。

1.工程背景

(1)工程概況

平頂山己16.17回采巷道位于己二下延采區(qū)西翼，是平頂山煤礦主采工作面之一。工作面可采走向長度3770m，工作面長度118m，煤層傾角約15°，平均煤層厚度3.2m，留設(shè)3m煤柱。己16.17回采巷道上方賦存多組厚硬砂巖頂板，是一種較為典型的堅(jiān)硬頂板工作面。表1為該綜采工作面的綜合柱狀情況。

由表1數(shù)據(jù)可知，該綜采面煤層上方存在大量砂質(zhì)泥巖和砂巖，累計(jì)厚度超過630m。受到頂部堅(jiān)硬頂板的影響，該工作面在回采期間，可能會(huì)因?yàn)楹裼采皫r與下部砂質(zhì)泥巖層的相互剝離而出現(xiàn)離層，進(jìn)而導(dǎo)致煤層上方的巖層出現(xiàn)大面積懸頂。當(dāng)這種大面積懸頂引發(fā)的高靜載荷超過內(nèi)部儲(chǔ)能極限值以后，綜采巷道的內(nèi)部便容易出現(xiàn)底鼓、煤柱幫鼓等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象是煤層沖擊地壓顯現(xiàn)的重要特征[2]。

表1 己16.17回采巷道綜采柱狀情況

(2)當(dāng)前該礦井沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防舉措

目前該礦堅(jiān)定落實(shí)國家煤礦安全監(jiān)察局頒發(fā)的《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》，在綜采過程中堅(jiān)持“管理、裝備、培訓(xùn)”并重，堅(jiān)持按照沖擊傾向性檢定→采取防范措施→沖擊危險(xiǎn)預(yù)測預(yù)報(bào)→實(shí)行解危措施→進(jìn)行效果檢查的流程對(duì)礦內(nèi)綜采沖擊地壓災(zāi)害進(jìn)行預(yù)防。目前尚未出現(xiàn)因沖擊地壓形成災(zāi)害情況。但是隨著該礦綜采工作的進(jìn)行及國家對(duì)沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)防控工作重視程度的提升，對(duì)該礦開展沖擊地壓規(guī)律總結(jié)并提出更為科學(xué)、合理的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防舉措，成為該礦當(dāng)前工作的重點(diǎn)。

2.堅(jiān)硬頂板工作面高靜載型回采巷道沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律

(1)一般沖擊地壓形成機(jī)制

一般的礦井巷道巖體在開挖之前通常都處于三維應(yīng)力狀態(tài)。這種較為穩(wěn)定的三維應(yīng)力狀態(tài)會(huì)在礦井巷道所處區(qū)域的高應(yīng)力位置形成大量的巖體—巖體、巖體—煤體間的彈性應(yīng)變能。在礦井巷道中作業(yè)時(shí)，由于工程掘進(jìn)的動(dòng)作及工程機(jī)械等存在的振動(dòng)，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致這類高應(yīng)力位置的三維應(yīng)力平衡被打破，大量的彈性應(yīng)變能在巖體薄弱位置突然、急劇釋放，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致巖體或煤礦礦體突然噴出，進(jìn)而形成不同程度的沖擊低壓。

沖擊低壓通常可以分為一般沖擊地壓和嚴(yán)重沖擊地壓。地壓規(guī)模的大小主要受到開采深度、水文條件、頂板巖層結(jié)構(gòu)特征、煤巖物理學(xué)特征及開采技術(shù)條件等因素的影響。一般情況下如果礦井巷道所處位置的礦體彈性高、頂板巖石或底板巖石為堅(jiān)硬巖體、礦體和圍巖裂隙少、礦體所處位置含水量高，則該通常礦井容易發(fā)生沖擊地壓。

(2)己16.17回采巷道沖擊地壓顯現(xiàn)特征

首先，己16.17回采巷道礦體所處位置含水量較低，可以基本忽略這兩點(diǎn)因素對(duì)該回采巷道沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)的影響；其次，己16.17回采巷道頂板巖石及底板巖石多為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖及中粒砂巖等，這些堅(jiān)硬巖體的存在會(huì)增加綜采面發(fā)生沖擊地壓的風(fēng)險(xiǎn)；再次，回采巷道礦體和圍巖存在一定量的裂隙，會(huì)對(duì)該綜采面形成沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)形成一定的影響；最后，己16.17回采巷道屬于高靜載型，煤柱與巖體之間的應(yīng)力較高且高度集中，也會(huì)對(duì)沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)的形成產(chǎn)生一定的影響。

(3)己16.17回采巷道沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律

對(duì)己16.17回采巷道堅(jiān)硬頂板工作面在高載荷作用下的實(shí)際工作情況進(jìn)行計(jì)算，分別以煤柱應(yīng)力、圍巖應(yīng)力、開采深度、煤層構(gòu)造帶特征等視角入手，對(duì)該煤礦己16.17煤層工作面的沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。

①煤柱應(yīng)力隨推采進(jìn)行先提升后緩慢下降至穩(wěn)定

表2是己16.17煤層在推采前，推采60m、120m、180m等不同階段時(shí)煤柱的垂直應(yīng)力變化情況。

表2 煤柱應(yīng)力隨推采進(jìn)行變化情況

隨著推采距離的提升，煤柱的垂直應(yīng)力逐漸由30.21MPa提升至45.20MPa，此時(shí)的推進(jìn)距離已經(jīng)達(dá)到了120m，表明隨著推采進(jìn)度及煤柱應(yīng)力峰值逐漸提升，此時(shí)堅(jiān)硬頂板工作面的沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)開始逐漸提升；隨著推進(jìn)距離提升至180m，煤柱垂直應(yīng)力緩慢降低至44.58MPa并最終穩(wěn)定在44.00MPa左右，表明當(dāng)推采進(jìn)度達(dá)到180m以后，該煤柱內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了高靜載荷集中現(xiàn)象，此時(shí)該礦井巷道已經(jīng)處于沖擊地壓顯現(xiàn)的邊緣。

②圍巖應(yīng)力應(yīng)力集中區(qū)域呈現(xiàn)“L”型分布

對(duì)己16.17煤層工作面煤、巖部分力學(xué)參數(shù)進(jìn)行收集和計(jì)算，得到表3所示的隨工作面推采進(jìn)行巷道圍巖應(yīng)力的變化與分布情況。

表3 圍巖應(yīng)力的變化與分布情況

隨著推采進(jìn)度提升，圍巖應(yīng)力逐漸由32.54MPa提升至37.75MPa，推采距離達(dá)到71m范圍內(nèi)時(shí)出現(xiàn)高應(yīng)力集中現(xiàn)象并一直持續(xù)至推采距離達(dá)到180m處。可見，圍巖應(yīng)力的提升在達(dá)到一定程度以后煤層回采巷道便會(huì)開始出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且出現(xiàn)的時(shí)間略快。

圍巖應(yīng)力提升至35.75MPa后，應(yīng)力集中處位于工作面及臨近回風(fēng)巷一側(cè)，應(yīng)力集中區(qū)域呈現(xiàn)“L”型分布。根據(jù)劉永立等[3]相關(guān)研究，這種“L”型堅(jiān)硬頂板高靜載型回采巷道可以采用圍巖應(yīng)力向遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)移的泄壓措施。這類泄壓措施通常包括：開孔應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)、掘進(jìn)工作面前方應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)、巷道一側(cè)或兩側(cè)布置泄壓巷技術(shù)等。

③開采深度值高，煤層工作面發(fā)生沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)較大

一般情況下我國的煤礦在首次發(fā)生沖擊地壓時(shí)的開采深度均集中在200m～600m范圍內(nèi)，深度越大則通常發(fā)生沖擊地壓的風(fēng)險(xiǎn)越高。而本文所述的平頂山己16.17煤層工作面開采深度為636.98m，已經(jīng)超過了一般發(fā)生沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)的最高值，表明該礦己16.17煤層工作面發(fā)生沖擊地壓的風(fēng)險(xiǎn)較大。但該煤層的分布傾斜角度不大，煤層的深度整體較為平均，不存在隨著開采深度加大而持續(xù)增加爆發(fā)沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)。

④煤層構(gòu)造帶不存在明顯的斷層、褶曲

一般來說，如果煤礦巷道所處的地區(qū)存在較大的斷層、褶曲時(shí)，則其附近的巷道及工作面容易出現(xiàn)沖擊地壓。這是因?yàn)閿鄬印Ⅰ耷@種不穩(wěn)定的山體現(xiàn)象會(huì)加劇煤礦巷道中的地質(zhì)活動(dòng)，在頻繁的地質(zhì)活動(dòng)影響下巷道容易爆發(fā)沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)。已知平頂山己16.17煤層工作面所處地區(qū)并不存在較為明顯的斷層、褶曲等，地質(zhì)構(gòu)造帶中也沒有明顯的向背斜。因此，該地區(qū)煤礦巷道的沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)并不會(huì)受到煤層構(gòu)造帶特征的明顯影響。

3.堅(jiān)硬頂板工作面高靜載型回采巷道沖擊地壓防治

(1)技術(shù)視角

①大直徑鉆孔卸壓

大直徑鉆孔卸壓是處理煤礦回采巷道高應(yīng)力集中區(qū)域，降低該區(qū)域沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)的重要技術(shù)手段。然而，對(duì)于堅(jiān)硬頂板工作面高靜載型回采巷道而言，一般的127mm直徑鉆孔卸壓效果并不明顯[4]。本文所述的平頂山己16.17煤層工作面可以在提升一定鉆孔直徑或改變其他鉆孔參數(shù)的基礎(chǔ)上再嘗試采用大直徑鉆孔卸壓技術(shù)以實(shí)現(xiàn)沖擊地壓防治。表4所示是在改變鉆孔長度、鉆孔直徑等參數(shù)的基礎(chǔ)上，回風(fēng)巷兩測附近高應(yīng)力集中的降低比例。

表4 大直徑鉆孔卸壓效果

方案A與方案B相比，鉆孔長度不變、孔徑增大，煤柱側(cè)與工作面?zhèn)鹊膽?yīng)力降比均是方案B更為優(yōu)秀，表明單純?cè)黾鱼@孔直徑可以有效提升回風(fēng)巷兩幫附近的高應(yīng)力降比；方案B與方案C相比，鉆孔長度不變、孔徑增大，煤柱側(cè)與工作面?zhèn)鹊膽?yīng)力降比均是方案C更為明顯，表明鉆孔長度的提升也會(huì)顯著提升方案的卸壓效果。因此，本文認(rèn)為在傳統(tǒng)的127mm直徑大直徑鉆孔卸壓基礎(chǔ)上，可以通過提升鉆孔長度和孔徑的方式增強(qiáng)沖擊低壓風(fēng)險(xiǎn)的抵御能力，滿足堅(jiān)硬頂板工作面高靜載型回采巷道的實(shí)際需求。

②頂板爆破

平頂山己16.17煤層工作面上方巖層厚度為5.95m，根據(jù)徐軍見[5]關(guān)于適用頂板爆破方式煤層結(jié)構(gòu)與上訪巖層厚度的分析可知，當(dāng)煤層上方巖層厚度超過5m時(shí)，可以采用頂板爆破的方式對(duì)工作面進(jìn)行卸壓。不過，由于己16.17煤層工作面上方巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此除了采用頂板爆破卸壓外，還需要通過堅(jiān)硬頂板巖層高壓注水、水利切割形成預(yù)裂面等形式降低頂板爆破的強(qiáng)度，在頂板提前預(yù)裂的基礎(chǔ)上降低彈性勢能應(yīng)力的聚集程度。

(2)管理視角

首先，如前文分析可知，隨著采礦進(jìn)度提升煤柱應(yīng)力和圍巖應(yīng)力基本均處于提升后逐漸趨于穩(wěn)定的態(tài)勢。因此，在實(shí)際的采礦作業(yè)時(shí)，管理人員需要時(shí)刻把控該煤層工作面的采礦進(jìn)度。當(dāng)采礦達(dá)到71m（圍巖應(yīng)力高應(yīng)力集中）和180m（煤柱應(yīng)力高應(yīng)力集中）兩個(gè)極限指標(biāo)時(shí)，采用大直徑鉆孔卸壓或頂板爆破技術(shù)對(duì)堅(jiān)硬頂板工作面進(jìn)行卸壓，以降低該回采巷道的沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)。

其次，如果在堅(jiān)硬頂板工作面高靜載型回采巷道掘進(jìn)過程中出現(xiàn)工作面斷層破碎時(shí)，企業(yè)、礦井管理人員則必須通過超前支護(hù)舉措對(duì)斷層帶進(jìn)行提前處理，務(wù)必保證施工操作人員的安全。在布置工作面管棚的過程中，管理人員需要將管棚半徑、間距嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，根據(jù)r≤31mm，l≤170mm的規(guī)格進(jìn)行嚴(yán)格的長短交錯(cuò)式布局排列。在操作人員進(jìn)行灌漿時(shí)，管理者需嚴(yán)格對(duì)工人灌漿量、壓力等進(jìn)行控制，使工作人員所處圍巖環(huán)境的穩(wěn)定性、強(qiáng)度得到保證。

最后，企業(yè)需要針對(duì)堅(jiān)硬頂板工作面斷層落差的情況進(jìn)行合理的后退臥底支護(hù)，即由高靜載型回采巷道內(nèi)的掘進(jìn)設(shè)備保持后退狀態(tài)，以便臥底能夠不斷向前運(yùn)動(dòng)，從而在綜采過程中增強(qiáng)堅(jiān)硬頂板工作面的高度和穩(wěn)定性，滿足施工人員在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行作業(yè)的安全需求。此外，企業(yè)在施工過程中應(yīng)盡量保證巷道頂板工作面的完整，增強(qiáng)綜采工作安全性。

4.結(jié)語

堅(jiān)硬頂板工作面高靜載荷型回采巷道屬于沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)的高發(fā)礦種。以平頂山己16.17煤層工作面為例，對(duì)該類型回采巷道的沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為對(duì)于該類型煤層工作面而言，其采用的大直徑鉆孔卸壓技術(shù)和頂板爆破技術(shù)較一般的煤層有一定的差異，工作人員需要根據(jù)煤層的實(shí)際條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)募夹g(shù)參數(shù)調(diào)整，以獲得最佳的沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)降低效果。