頂板條帶弱化法防治中央大巷沖擊地壓機制及實踐

2023-05-22 03:47:48鄭建偉鞠文君呂大釗孫曉冬姜鵬飛李海濤付玉凱杜濤濤

煤炭學報 2023年3期

鄭建偉,鞠文君,呂大釗,孫曉冬,姜鵬飛,李海濤,付玉凱,杜濤濤,劉彪

(1.煤炭科學研究總院有限公司深部開采與沖擊地壓防治研究院,北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京 100013;3.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013;4.陜西煤業化工集團有限責任公司,陜西西安 710065)

淺表煤炭資源儲量逐年遞減,深部開采勢在必行,沖擊地壓災害是我國實現深部煤炭安全開采所亟待解決的關鍵難題之一[1-2]。自撫順勝利煤礦首次發生沖擊地壓事故(1933年)以來,我國大量學者開始對沖擊地壓展開系統研究,有學者通過對巷道及采場進行力學建模來探索沖擊地壓發生過程中的力學內涵[3-4];有學者采用數值模擬[5-6]和物理相似模擬[7-8]對沖擊地壓進行實驗室的重現;有學者借助煤巖組合體的力學行為來研究沖擊地壓,在實驗過程中對試件所施加的載荷也經歷了靜載荷、動載荷和動靜組合的發展歷程[9-11]。經過多年的研究,我國在沖擊地壓機制、監測預警和防治措施方面形成了一大批具有鮮明特色的高水平研究成果[12-13],尤其在防治措施方面,依據不同的致災機制和對應的開采條件,提出諸多行之有效的防沖措施,如合理優化開拓開采布局、開采保護層[14]、鉆孔卸壓、煤層注水軟化、切頂爆破[15]、水力壓裂斷頂[16]、區域壓裂[17]、地面壓裂[18]、吸能主動支護以及多種措施組合的協同防沖技術[19-22]。上述措施在一定程度上對沖擊地壓的防治起到了關鍵作用,但是隨著開采條件和地質稟賦條件復雜程度增加,以上措施的局限性也越來越引起廣泛關注,如礦區開拓開采布局使用條件嚴格限制;切頂卸壓對兩旁為實體煤的掘進巷道效果有限;鉆孔卸壓等技術對于巷道支護系統的支護性能有較大的負面影響;吸能支護在一定程度上是被動防護措施、成本較高且布置密度和強度有一定的限制。

綜合考慮已有防治措施的優缺點,認為應力控制才是徹底解決巷道沖擊地壓災害的最根本途徑,但是大范圍地改變地應力場的分布特征顯然必須面對巨大的人財物力成本。基于此筆者提出頂板條帶弱化技術,并且分析了該技術的實現路徑和防沖內涵,且在孟村中央大巷復合構造區進行現場實踐,并取得良好效果,認為頂板條帶弱化法對巷道防沖目的的實現可以起到一定的積極作用。

1 研究區概況

1.1 開采現狀及中央大巷概況

孟村煤礦井田位于黃隴侏羅紀煤田彬長礦區中西部,井田面積60.47 km2(東西方向的長度為10.30 km,南北方向的寬度為5.87 km),井田范圍內分布穩定的4號煤層(唯一可采),4號煤層埋深700～740 m,平均厚度為16.25 m(3.70 ～26.30 m)。礦井采用立井(3條)開拓方式,一組(5條)東西向的中央大巷將井田分為南北兩翼盤區,礦井采用“一井一面”,采用分層綜合機械化放頂煤開采方法回收資源,設計生產能力為6.00 Mt/a,首采工作面401101布置在401盤區。

中央大巷共包括5條大巷,由南至北分別為中央一號回風大巷、中央一號輔助運輸大巷、中央運輸大巷、中央二號輔助運輸大巷和中央二號回風大巷。根據三維勘探及現場掘進過程中的揭露情況,孟村煤礦中央大巷局部橫穿其中的3條大型構造形成的復合構造帶,分別為塬口子向斜(X1向斜)、謝家咀背斜(B2背斜)和D29斷層,受復合構造的影響極大,如圖1所示。塬口子向斜(X1向斜)軸線呈NE—SW向,在孟村煤礦井田內軸長和向斜寬度分別為8.50 km 和2.00 ～2.20 km,其南翼傾角、北翼傾角和軸部傾角分別為7°～8°、5°～7°和2°～3°。謝家咀背斜(B2背斜)從河川口開始發育(向西),軸線走向大致平行于X1向斜,該背斜的軸長和寬度分別為7.00 km 和2.50 ～3.00 km,其南翼傾角和北翼傾角分別為3°～4°和7°～8°。DF29斷層最大落差為38.00 m,傾角為55°～65°,走向大致與兩褶曲軸線(X1向斜和B2背斜)平行,且橫貫中央大巷。這5條中央大巷均是布置在4號煤層中部的純煤巷道,中央大巷斷面均設計為直墻半圓拱形,采用“錨桿+金屬網+錨索+噴射混凝土”的聯合支護方式(局部架設U型棚),相鄰2條大巷之間煤柱寬度為35.00 m。

圖1 中央大巷穿越復合地質構造帶Fig.1 Complicated geological structures occurred in central roadway

1.2 沖擊地壓發生現狀

孟村煤礦中央大巷掘進過程中巷道片幫、冒頂嚴重,成型較差且煤炮聲大,在斷層影響區域附近和褶皺附近動力顯現越趨于頻繁,強度亦相應增加,在掘進工作面處出現煤塊彈射現象,極大地影響了掘進工作的開展;同時在硐室巷道密集區域動力顯現明顯,出現頂板漿皮(噴漿混凝土層)崩出,底板物料彈起等動力現象,嚴重威脅井下工作人員人身安全。

近年來孟村煤礦中央大巷復雜構造區沖擊地壓顯現(事故)頻發,對現場生產造成持續的巨大損失,中央大巷沖擊地壓顯現位置如圖2所示,最近一次沖擊地壓發生在2020年5月24日,中央二號輔助運輸大巷里程1 200 ～1 278 m(78 m)范圍內突然底臌且達到0.50～1.00 m,頂板局部金屬網撕裂,里程1 238～1 278 m 段(40 m)破壞最為嚴重。

圖2 中央大巷沖擊地壓顯現(事故)點分布Fig.2 Rockburst distribution of the central roadway

1.3 致災因素分析

孟村煤礦主采的4號煤層屬于強沖擊傾向性(Ⅲ類)煤層,作用在中央大巷的水平應力超過30 MPa,最大水平主應力與東西向巷道(中央大巷等)軸向夾角為65°～81°,側向應力系數的范圍為1.60～1.96,并且隨著測點至源口子向斜(X1向斜)軸部的距離越小,測點的最大水平主應力越大,可以認為孟村煤礦中央大巷附近應力等級高且屬于典型的σH>σh>σV地應力分布類型。中央大巷5條巷道水平布置,多巷近距離布置造成巷間煤柱垂直應力相對較高,會進一步加劇巷道及其煤巖體的應力集中程度增加。簡化后的中央大巷圍巖應力特征如圖3所示(僅對2條巷道進行作圖示意),圖中P0為中央大巷巷幫初始支承壓力;P1為復合構造區內因地質構造形成的附加支承應力;P2為因多條巷道近距離布置在煤柱中形成的次生支承應力[23-24];P3為復合構造區中央大巷巷幫圍巖內部形成的綜合應力;Pm為中央大巷發生沖擊地壓的閾值。

圖3 簡化后的中央大巷圍巖應力特征Fig.3 Stress characteristic of simplified central roadway

分析圖3可知,具有強沖擊傾向的煤層為沖擊地壓的發生提供了內部因素;復合構造區內(地質賦存)地應力較高,且多巷近距離布置(開拓布置現狀)進一步提高了巷道圍巖煤巖體所承受的應力等級,也就是說為沖擊地壓的發生提供了一定的應力條件;同時巷道上方約45.00 m處賦存一層厚度為21.00 m的粉砂巖,為巷道附近能量的集聚提供了良好的“儲能”條件。當上覆堅硬頂板在外部應力場作用下集聚的能量增加到其儲能極限時就會破斷而釋放能量,且復合構造區內大巷已處于較高的應力等級,在堅硬頂板破斷引起的動載擾動的疊加作用下,達到沖擊地壓發生的應力閾值時,就會誘發沖擊地壓災害。對比處于復合構造影響范圍外的巷道,由于受到的構造應力的影響相對較小,在動載擾動疊加的作用下,尚未達到沖擊地壓發生的應力閾值,因此可以保持穩定;也就是說降低堅硬頂板破斷時作用在巷道的動載荷可以有效緩解孟村煤礦中央大巷沖擊地壓災害的威脅。

2 頂板條帶弱化法

針對非采動巷道(如中央大巷)而言,上覆堅硬頂板的存在會為巷道附近高等級能量的集聚提供良好的“儲能”條件,是誘發沖擊地壓的潛在因素之一。針對采動巷道而言,堅硬頂板未破斷時可以對上覆巖層提供支撐力,且將這部分力轉移至前方煤體,導致巷道圍巖應力升高,為巷道沖擊地壓發生提供基礎靜載荷;堅硬頂板斷裂時,上覆巖層會隨著堅硬頂板的失穩而垮落,出現聯合垮落失穩,隨后一起對范圍內的下位巖層施加一定的動載荷,進而誘發巷道沖擊地壓。大范圍改變煤層的沖擊傾向性和調整巷道與地應力的作用關系面臨巨大的壓力,而處理巷道上方的堅硬頂板就成為緩解巷道沖擊地壓的有效措施。基于此,筆者提出頂板條帶弱化法(Roof Strip Weakening Method,RSWM)來對巷道上覆堅硬頂板進行致裂弱化達到防治巷道沖擊地壓的目的。頂板條帶弱化就是指在巷道正上方一定范圍的堅硬頂板內通過人工措施沿頂板順層方向制造平行于巷道軸向的條帶狀弱化范圍,如圖4所示。圖4中rh、rw分別為巷道的高和寬度;hs為條帶弱化范圍距離巷道的垂高;sw、sh、sL分別為條帶弱化范圍的帶寬、帶高、帶長(平行巷道軸線方向的長度);fi為帶內裂隙發育程度。圖4中頂板條帶弱化范圍模型內各參數的選擇需要根據措施巷道位置、覆巖巖層結構、致裂措施工藝及裝備性能進行綜合分析,一定范圍內致裂覆蓋范圍越大(帶寬sw)、致裂長度(帶長sL)、致裂程度越高(裂隙發育程度fi)、致裂高度越大(帶高sh),對于堅硬頂板的弱化效果越好,所能起到的防沖效果更加顯著。

圖4 頂板條帶弱化范圍模型Fig.4 Model of roof strip weakening method

近年來超長定向鉆孔技術的快速發展和水力壓裂設備的不斷升級換代為新技術的研發提供了堅實的理論以及實踐基礎,本文提出的頂板條帶弱化法是基于中煤科工開采研究院所研發的超長孔水力壓裂技術而實現的。與傳統的水力壓裂技術一樣,超長孔水力壓裂是指以高壓水為介質,在限定的封孔空間里,巖體在高壓水的作用下克服巖體的最小主應力與抗拉強度發生破裂并產生裂隙,巖體的原生裂隙和次生裂隙,通過氣、固、液多相多場耦合,使裂隙進一步擴展和延伸,形成具有一定寬度、長度的人工裂縫,從而實現致裂等目的。

3 頂板條帶弱化法防沖機制

從整體來看,條帶弱化范圍內裂隙(原生裂隙和次生裂隙)得以充分擴展,一方面會導致范圍內巖體的彈性模量降低,一方面將堅硬頂板進行分層,降低堅硬頂板厚度,因此從3個角度來闡釋條帶弱化法的防沖機制。

3.1 降低能量儲存

以堅硬頂板中的一個單元體為研究對象,且該單元體處于三向非均壓受力平衡狀態,假設堅硬頂板中巖體的彈性模量為Er,泊松比為μr,厚度為hr,力學模型如圖5所示。三向應力分別為最大水平正應力(σrxH)、最小水平正應力(σryh)和垂直正應力(σrzv),在不同的正應力作用方向上分別會形成相應的正應變εrxH、εryh、εrzv,單元體內相互垂直的方向上受切應力γrxy、γryz、γrzx作用,產生對應的切應變為τrxy、τryz、τrzx、τrzy、τryx、τrxz,假設單元體的體積為V,則堅硬頂板中巖體單元體在三向非均壓條件下的應變能(Vc)如式(1)所示:

(1)

圖5 三向應力下單元體力學模型Fig.5 Mechanical model of unite element under 3-direction stress

分析式(1)可知,堅硬頂板所儲存的彈性能是與其自身物理力學性能(Er,μr,hr)和所處區域內三向應力(σrxH,σryh,σrzv)有關的函數,其彈性模量越大高度越高,儲存的能量越大,也就是說堅硬頂板可以儲存的能量較高,儲能越高越易受外界干擾而失穩誘沖。

頂板條帶弱化法可以在巷道上覆堅硬頂板中形成一定的弱化范圍,一定程度上降低措施范圍內堅硬頂板的等效彈性模量,并且對堅硬頂板進行分層。依據式(1)可知,彈性模量降低,堅硬頂板儲存的能量降低,也就是破壞其“儲能”能力,不利于巷道附近范圍內高等級能量的集聚,如此有利于巷道沖擊地壓防治。

3.2 增加能量耗散

與非措施范圍相比,條帶弱化范圍內裂隙發育程度較高,在外部載荷作用下,處于不利方位的裂隙會在尖端形成集中應力,當滿足裂隙擴展準則時便會再次發育形成新的裂隙表面,增加裂隙的空間體積,原本會被巖體吸收的能量被消耗用于裂隙尖端的擴展。當應力波傳播至條帶弱化范圍時,賦存大量裂隙的條帶弱化范圍可以被抽象為“墊層”或者“夾層”,因此將這一過程簡化為一維線波穿越夾層的力學模型,H代表上覆堅硬巖層,F代表壓裂層,N代表下位巖層,如圖6所示。

圖6 一維線性波穿越夾層力學模型Fig.6 Mechanical model of the interlayer crossed by one-dimensional linear waves

下文中,di、ρi、ci、ηi、Si、σi(i=H、F、N),分別表示H層、F層和N層巖體的等效寬度、等效波阻抗、等效能量衰減指數、波速、等效面積、峰值應力。應力波穿越HF界面時入射應力(σHi)可以由式(2)[25]表示:

(2)

其中,A0為正弦波的振幅;ω0為正弦波的頻率;φ0為正弦波的初始相位;x為距離;t為時間。依據動量守恒原理可得穿過HF界面時在界面形成的透射應力(σHt)和進入F層的能量(WFt)如式(3)、(4)所示:

(3)

(4)

式中,EF為下層的等效彈性模量。

當F層內應力波傳播至FN界面時繼續會發生反射和透射,此時穿越FN界面進入N層的透射應力(σNt)和能量(WNt)可用式(5)和式(6)表示:

(5)

(6)

由上述分析可知,模型中應力波首先在H層進行傳播,經過HF界面發生一次透射和反射,然后進入F層繼續進行傳播,再次經過FN界面發生第2次透射和反射,然后進入N層進行傳播。

聯立式(2)～(6)得到在F層耗散的能量WF為

(7)

分析式(7)可知,當F層的厚度dF越大、密度越小、波速越小、彈性模量越小,則在F層的能量耗散越大,也就是說頂板條帶弱化范圍的存在對應力波具有明顯的能量耗散作用,且頂板條帶弱化范圍的厚度越大、內部裂隙越發育,條帶弱化范圍耗散的能量越多。

3.3 局部結構調整

回采工作面堅硬頂板走向方向上可以被理解為是被大量節理或構造分割形成的相互擠壓呈鉸接狀態的有限個薄板[26],因此將巷道上方局部范圍內的堅硬頂板簡化為一承受均布載荷的薄板,如圖7[27]所示。在分析時認為該薄板滿足以下假設:① 變形前后垂直于薄板中面的直線段法線均為長度不變的直線(基爾霍夫假設);② 平行于薄板中面的各平行層之間幾乎沒有相互作用力;③ 薄板發生彎曲變形時,中面內各點只有垂直位移且遠小于薄板的厚度。對該薄板進行受力分析時,可以認為薄板在均布載荷的作用下會發生一定的彎曲,在薄板內取一單元體hdxdy,由文獻[28]可知薄板的彎矩Mxdx、Mydy和扭矩Mxydy、Myxdx分別如式(8)～(10)所示,彎矩為正時表示板中面以下處于受拉狀態,中面以上是受壓狀態;當彎矩用向量表示時,界面外法線方向為正。

圖7 回采工作面鉸接薄板模型[27]Fig.7 Linked plate model of mining face[27]

(8)

(9)

(10)

(11)

分析式(11)可知,彈性薄板彎曲變形能與其板厚度的三次方呈正比例關系,與彈性模量呈正相關,也就是說堅硬頂板的厚度和彈性模量越大,易形成可以集聚較高能量的覆巖空間結構,當達到儲能極限時釋放的能量越大,由此導致作用在下位巷道的動載的等級越高,越容易誘發沖擊地壓災害;如果堅硬頂板的厚度和彈性模量降低,則會優化覆巖空間結構,從而減小破斷時傳遞至巷道的動載荷等級,降低巷道所承受的動靜疊加載荷的等級,達到防沖的目的。

筆者所分析的頂板條帶弱化范圍的效果之一就是在堅硬頂板內形成大規模的縱橫交錯的裂隙網,其一方面將堅硬頂板進行分層,也就是降低了堅硬薄板的厚度,另一方面可以降低堅硬頂板的彈性模量。整體來看也可以認為是堅硬頂板分層和弱化的實現調整了后方采空區(回采巷道范圍內)覆巖空間結構的形態,降低了前方回采巷道應力等級,在實際過程中,頂板條帶弱化范圍內的裂隙在礦壓的作用下會形成再次擴展,進一步弱化堅硬頂板的強度和完整性。通常情況下,在超前支承應力影響范圍內,垂直應力大于水平應力,此時會誘導原有處于水平方向的裂隙向上擴展,形成切割裂隙,從而構建更加復雜的立體裂隙網絡,進一步降低巷道圍巖的基礎應力等級,從而降低沖擊地壓的發生。

由上述分析可知,采用頂板條帶弱化法防治巷道沖擊地壓主要有3方面的作用:降低能量儲存、增加能量耗散和局部結構調整,其中與非采動巷道相比,局部結構調整更側重于回采巷道防沖目的的實現。因此結合孟村煤礦中央大巷的地質賦存現狀和開拓布置現狀,可以采用頂板條帶弱化法降低上覆堅硬頂板的彈性模量,破壞其“儲能”能力,防止其集聚較高等級的能量;在致裂頂板的同時可以消耗一部分已經集聚的能量,人工形成的裂隙在外部載荷的作用下進行更加復雜的擴展過程也同樣可以消耗一部分能量,也就是說通過增加能量耗散,進一步降低堅硬頂板集聚的能量;通過上述2種途徑來實現孟村煤礦中央大巷防沖的目的。

4 頂板條帶弱化法防沖實踐

4.1 防沖設計及監測布置

由中央大巷南側T8煤層柱狀圖可知,大巷區段煤柱上方約45.00 m處存在厚度為21.00 m的堅硬頂板(粉砂巖),基于頂板條帶弱化法防沖機制,認為對該堅硬頂板的弱化可以實現中央大巷防沖的目的。因此,將該堅硬頂板設計為措施層,結合以往超長孔水力壓裂工程的實踐經驗,同時考慮到中央大巷的布置形式,本次壓裂共設計5個壓裂孔,其中1、2、3、4號孔間距約40.00 m,5號孔位于大巷保護煤柱上方,與4號孔間距約70.00 m,共計鉆孔長度約為2 115.00 m,分段距離15.00 m左右,分段壓裂時間不小于30 min。為了壓裂設備的布置以及壓裂液返排水的簡便處理,壓裂鉆場設計位于中央運輸大巷里程600.00 m的位置,如圖8所示。為了對頂板條帶弱化法防治巷道沖擊地壓效果進行評價,采用SOS微震監測系統來監測壓裂前和壓裂后措施范圍內巖層破斷釋放的信號,措施范圍內微震布置如圖8所示。

圖8 1～5號壓裂孔布置及監測布置示意Fig.8 Layout of No. 1-5 fracturing boreholes and monitoring stations

4.2 效果分析

2020-07-01—2020-08-11完成5個孔的全部壓裂工作,壓裂過程中對孔口壓力進行監測,5個鉆孔共計壓裂45次,每次壓裂時間不等,但均超過設計的壓裂時間,在壓裂過程中井下煤炮聲時有發生,7月25日典型壓力-時間曲線如圖9所示。

圖9 7月25日典型壓力-時間曲線Fig.9 Typical pressure-time curve on July 25

從1～5號壓裂孔施工過程中對于巖屑和壓力的分析來看,頂板起伏較大,并非平整展布,且中央大巷頂板沿東西方向不同位置的巖石堅硬程度不一,由南到北壓裂層巖石的強度有下降的趨勢,靠近斷層的位置巖石的起裂壓力較低,在向斜構造附近巖石的起裂壓力局部升高。

由于超長孔水力壓裂過程中所產生的能量較低,且井下破裂信號繁雜,所以會存在壓裂信號被湮沒的現象,因此本次分析以長時間段的整體固定區域監測為主,分析監測區域內微震事件的相對變化情況。本次分析所選取的微震數據分別包括措施前的2020-06-01—07-12,措施后的2020-08-16—10-09兩個階段,微震事件能量及定位如圖10所示。

根據中央大巷微震事件定位及不同能量等級分布進行統計分析,認為在措施前(06-01—07-12)復合構造區內中央大巷的微震事件主要集中在D29斷層區、二輔運4號聯絡巷區和塬子口向斜區3塊區域內,共監測到微震事件70次,其中能量W>104J的微震事件3次,104J>E>103J的事件24次,103J>W>102J的事件37次,102J>W的事件6次。措施后(08-16—10-09)期間共監測到微震事件28次,能量W>104J的微震事件0次,104J>W>103J的事件6次,103J>W>102J的事件15次,102J>W的事件7次,且微震事件主要集中在二輔運4號聯巷和2號通風聯絡巷區域附近。整體來看措施后監測時間內監測區域內再無W>104J的微震事件出現,其他等級的能量均出現明顯的下降,且能量的集聚區域也發生了一定的改變。微震監測結果說明原集聚的能量得到一定的釋放,且措施后壓裂范圍內集聚能量的程度下降,表明措施范圍內堅硬頂板的完整性和儲能能力降低,改善了其儲能環境,從而可以減小傳遞至下方巷道動載的等級,避免其破斷失穩而誘發沖擊地壓,有利于措施范圍內巷道防沖減危目的的實現。