復雜地質條件下巨厚煤層沖擊地壓誘因分析及防治

白宗榮

(徐州礦務集團有限公司, 江蘇 徐州市 221018)

0 引言

沖擊地壓已成為我國重要的動力災害之一,其主要表現為煤巖體的突然破壞拋出,其發生具有突發性、瞬時振動性、巨大破壞性,嚴重制約煤礦安全高效生產。崔木煤礦沖擊動力災害較為嚴重,自建礦以來發生多次沖擊地壓事件,且隨著礦井進一步開采,沖擊顯現事件次數逐年上升。究其原因,主要是由于煤層巨厚且具有強沖擊傾向性、地質構造相對復雜以及不合理的開采布局導致采掘空間附近產生應力集中,致使礦井沖擊危險性明顯增高。

研究分析復雜地質條件下巨厚煤層礦井沖擊地壓的誘因對于沖擊地壓的防治具有推進作用,國內諸多學者對此開展了針對性研究。楊俊哲等[1]認為厚煤層綜放開采條件下,中低位關鍵層發生懸臂梁直垮式、懸臂梁懸垮式、砌體梁未觸矸懸跨式易形成沖擊危險性,對此提出了堅硬頂板多點拖動式分段水力壓裂沖擊防治方法實現頂板巖層超前弱化,減弱動載荷能量。趙毅鑫等[2]結合微震監測數據,認為堅硬頂板破斷誘發煤柱區域積聚能量的突然釋放,導致工作面沖擊地壓顯現,且震源多在工作面超前50 m范圍內沿采空區煤柱側,主要集中在堅硬頂板斷裂后發生壓縮、反彈的空間區域。姜福興等[3]以某礦厚硬頂板條件下針對特厚煤層,運用分層開采技術,研究沖擊地壓事故發生的機理與治理方法,提出了上層煤柱對下層煤采動影響范圍與沖擊危險范圍的評估方法。鄧雪杰等[4]系統分析了特厚煤層分層充填開采技術原理及開采工藝,分別建立了特厚煤層“單分層”和“多分層”開采頂板移動特征彈性地基梁模型,通過力學分析給出相應頂板撓曲線計算公式,并基于第一強度理論提出了頂板失穩判斷條件。

近年來,陜西永隴礦區在開采過程中,由于地質條件復雜,煤層巨厚,且實行一次放頂煤開采,隨著開采強度的增加,沖擊地壓顯現事件越發頻繁,而國內對于復雜地質條件下巨厚煤層沖擊地壓誘發機制分析研究相對較少。特別是對于崔木煤礦獨特的地質條件,目前缺少相對深入的研究,本文基于已發生的沖擊地壓顯現,分析復雜地質條件下巨厚煤層對沖擊地壓發生的致災因素,并基于動靜載疊加原理[5]確定消除動靜載力源沖擊地壓的防治措施,對類似條件的沖擊地壓礦井沖擊顯現分析及防治具有指導借鑒意義。

1 工程背景

崔木煤礦位于陜西永隴礦區,主采3煤層,平均煤厚為16.89 m,單軸抗壓強度為19.02 MPa,最大埋深為777.03 m,具有弱沖擊傾向性。煤層直接頂為砂泥巖,煤層頂板上方11.21 m處存在15.2 m粗砂巖,對頂板覆巖運動起關鍵作用;直接底為泥巖及鋁質泥巖,鉆孔層序見表1。礦井采用盤區式布置,北翼大巷兩側分別布置21盤區、22盤區,北翼3條大巷當前主要服務于22盤區,緊鄰21盤區。

表1 K4 7鉆孔層序

崔木煤礦地質類型為復雜類型。其中花園陽坡向斜軸部走向近南北向,兩翼對稱,傾角為5°～9°,軸線向北傾伏,北翼3條大巷基本處于花園陽坡向斜軸部區域,受向斜水平應力影響較大,且由于向斜的存在,大巷留有厚度不一的底煤。大巷臨近22盤區側留有兩個遺留煤柱,最近處距離117 m。大巷采用直墻半圓拱形狀,寬度為5.4 m、高度為4.5 m,采用網索噴支護。

2 復雜地質條件下巨厚煤層沖擊誘因分析

崔木煤礦大巷區域處在復雜地質條件影響下,沖擊地壓事故頻發,北翼帶式輸送機大巷受沖擊地壓影響較嚴重,北翼輔助運輸大巷也受一定程度的沖擊地壓影響。據統計,2019年大巷區域沖擊地壓事故占礦井沖擊災害事故的80%,如2019年6月16日北翼大巷區域發生一次礦震,此次礦震導致北翼輔運大巷22305風聯巷口向里25 m范圍內底鼓最大高度約0.7 m;22305風聯巷口至5#聯巷及5#聯巷全段頂板有大量漿皮掉落,北翼輔助軌道位移0.5 m,北翼輔運大巷沖擊影響區域頂板1根錨索崩斷;北翼五號聯巷1道風門合頁銷子崩斷,導致風門無法使用。

結合區域地質和開采技術條件對北翼大巷誘發沖擊的因素進行初步分析。

(1)堅硬頂板是影響崔木煤礦沖擊地壓災害頻發的主要因素之一。崔木煤礦主采3煤為巨厚煤層,且3煤上方11.2 m處存在堅硬的15.2 m厚的粗砂巖。綜放開采后由于直接頂堅硬,厚層頂板在工作面開采過程中或采空區側向邊沿變形彎曲,容易聚積大量的彈性能。在堅硬頂板破斷或滑移過程中,大量的彈性能突然釋放,形成強烈震動,強烈的動載與煤柱區的集中靜載疊加,易導致沖擊地壓災害的發生。

(2)煤柱區域應力集中也是誘發沖擊地壓的重要原因。北翼大巷左右側遺留煤柱均在采空區支撐壓力影響范圍內,采空區載荷導致應力傳遞至煤柱區形成區域應力集中,同時由于大巷和聯絡巷切割煤體形成半孤島煤柱,各巷道圍巖應力相互疊加影響,造成應力分布復雜。而多條巷道交叉產生的銳角煤柱,不僅本身受多方向采動影響,而且承載能力有限,易發生失穩破壞。當工作面向該區域推進時,由于工作面超前支承壓力的影響,與該區域的構造應力相疊加,易出現明顯的應力增高區。

(3)褶皺區也是促進沖擊地壓發生的重要因素。崔木煤礦北翼3條大巷基本處于花園陽坡向斜軸部區域,由于高構造應力,積聚的靜載處在高位水平,同時由于向斜的存在,位于向斜軸部的北翼大巷局部區域必然會留有底煤,向斜構造的存在與底煤厚度的變化,增加了巷道周圍煤體水平應力的大小,從而為沖擊地壓發生提供高靜載條件。當覆巖運動產生的動載與高靜載疊加超過煤體極限強度時,北翼大巷區域將發生沖擊地壓顯現,且多表現為巷道底鼓。根據統計,2019年北翼大巷沖擊地壓顯現中巷道底鼓出現的概率占88%。

3 崔木煤礦沖擊地壓機理分析

沖擊地壓動力災害的能量主要來源于煤巖體靜載荷σs和采掘擾動的動載荷σd。沖擊動力災害形成的根本原因主要是動靜載荷共同作用下煤巖體作用力超過其承載臨界載荷σbmin強度發生破壞[6]。當采掘過程中的擾動載荷與煤巖體靜載荷形成耦合疊加,且超過煤巖體發生動力災害的臨界應力時,就會誘發沖擊地壓災害,其動力災害表達式可總結為:

式中,σs為靜載荷,σd為動載荷,σbmin為臨界載荷。

而動靜載疊加誘發沖擊地區主要表現為以下3種情形。

(1)高靜載情形。深部開采中,巷道或采場圍巖原巖應力很高,巷道開挖或工作面回采導致巷道或采場周邊高靜載應力集中,此時應力水平雖未超過但已接近臨界載荷,遠場礦震產生的微小動載應力增量便可滿足動靜載疊加誘沖條件,從而導致煤體沖擊破壞。

(2)高動載情形。淺部開采中,巷道或采場圍巖原巖應力不是很高,但遠場礦震強度很大,震動波傳至煤體的瞬間動載應力增量增大,巷道或采場周圍靜載應力與動載應力疊加超過臨界載荷導致煤體沖擊破壞。此時,礦震的動載應力擾動在煤體沖擊破壞時起主導作用。

(3)低臨界載荷情形。當煤體中靜載應力較低,且礦震引發的動載應力不高時,若采掘空間煤巖體的物理力學性質或應力狀態突然變化,導致沖擊臨界載荷降低,小于動靜載疊加應力,也會發生沖擊地壓。

根據上述礦井地質條件特征分析,可以確定崔木煤礦沖擊地壓發生實質是半孤島煤柱、褶曲構造及底煤影響,煤體處于高靜載條件,此時應力水平雖未超過但已接近臨界載荷,遠場覆巖頂板斷裂產生的微小動載應力增量便可滿足動靜載疊加誘沖條件,從而導致煤體沖擊破壞,導致了相應區域發生沖擊地壓的顯現。

4 沖擊地壓防治實踐與思考

通過對崔木煤礦沖擊地壓特征分析,確定誘發深部煤層巷道沖擊靜載荷主要包括:煤柱區支承壓力、構造應力、底板水平應力的過度集中,而誘發動載荷主要為采空區頂板破斷的擾動影響。為分源治理誘發沖擊地壓的動靜載力源,現以北翼大巷區域為防治對象,主要采用大直徑鉆孔與爆破孔消除力源應力集中,以降低巷道周圍及煤柱區垂直應力、水平應力的集中,從而防止沖擊地壓發生。

(1)頂板深孔爆破孔消除動載。為防止堅硬頂板懸頂過大產生較高的超前應力集中及破斷過程中的強烈動力擾動,從而形成沖擊壓力型沖擊地壓,對頂板進行深孔預裂爆破。頂板預裂爆破參數見表2。

表2 頂板深孔爆破孔參數

(2)煤層大直徑鉆孔消除靜載。巨厚煤層內積聚的大量彈性能是沖擊靜載來源,且煤柱區處在構造應力與支承壓力影響范圍內。為減少巷道沖擊危險性,降低煤體應力,對煤體進行爆破卸壓。爆破孔垂直于煤壁、平行于層面,炮眼深度為7～10 m,爆破孔間距為5 m,炮眼口距底板為0.6～1.2 m(煤層中部,便于施工即可),炮眼直徑不小于42 mm。

(3)底板深孔爆破阻斷水平應力。由于礦井受向斜構造影響及留底煤水平應力作用,沖擊顯現主要表現為巷道底鼓,在巷道兩底角施工深孔爆破,切斷水平應力傳遞路徑,阻止底板沖擊發生。在大巷區域布置大直徑鉆孔,鉆孔深度為13 m,傾角為45°,鉆孔間距為3 m,每孔裝藥量為12 kg。

5 結論

(1)分析崔木煤礦復雜地質條件下巨厚煤層沖擊地壓主要影響特征,認為誘發沖擊顯現的影響因素主要是堅硬頂板、煤柱區及褶曲構造。

(2)深部煤層巷道群沖擊地壓發生實質是巷間煤柱、底煤厚度變化以及褶曲構造影響,導致了巷道煤柱區垂直應力超過了沖擊臨界支承壓力,同時底板煤體承受的載荷超過了其極限承載力,相應區域發生沖擊地壓顯現。

(3)崔木煤礦沖擊地壓防治的關鍵是降低煤體內積聚的誘沖動靜載。針對誘沖力源,需采取針對性的防治動靜載的措施,包括消除煤體高靜載的煤層大直徑鉆孔、阻斷水平應力的底板深孔爆破、消除頂板運動產生動載的頂板深孔爆破孔。