淺埋煤層工作面礦山壓力分區(qū)顯現(xiàn)機(jī)理及其控制

孫永新,郭中安,趙啟生

(陜西中太能源投資有限公司,陜西 榆林 719109)

0 引言

陜北的榆橫礦區(qū)地表受沖溝影響多以溝壑、黃土梁峁為主[1-2],在溝谷處不僅松散表土層因沖蝕而缺失,部分基巖也因沖蝕而缺失[3]。煤層回采受此影響,發(fā)生多次動載強(qiáng)礦壓現(xiàn)象,工作面煤壁切頂、片幫嚴(yán)重,支架大面積壓死,對工作面安全回采影響較大,嚴(yán)重威脅礦井安全高效開采。為此,不少學(xué)者也逐漸開始重視黃土梁峁區(qū)域煤層安全開采的問題,ZHANG等[4]研究神東礦區(qū)溝谷地形下煤層開采情況,發(fā)現(xiàn)溝谷的坡角對工作面礦壓顯現(xiàn)影響較大,隨著角度的增大礦壓顯現(xiàn)頻率和強(qiáng)度逐漸增加。趙杰等[5]發(fā)現(xiàn)覆巖關(guān)鍵層的缺失是引發(fā)溝谷區(qū)煤層開采工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要原因,并且由于破角的影響,關(guān)鍵層破斷方式也呈現(xiàn)不同的特點。楊治林[6]運(yùn)用突變理論研究淺埋煤層開采關(guān)鍵層的破斷失穩(wěn)狀態(tài),發(fā)現(xiàn)溝谷區(qū)關(guān)鍵層受地形條件的影響,在上坡段回采時由于缺少側(cè)向約束導(dǎo)致關(guān)鍵層破斷后會發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)覆巖荷載向下傳遞增加了工作面支架的壓力。王方田等[7]采用現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬的方法研究溝谷下淺埋煤層工作面開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,得出背溝段開采工作面支架最大工作阻力和來壓動載系數(shù)最大,發(fā)生頂板切冒支架壓毀災(zāi)害的可能性增加。王旭鋒等[8]建立在沖溝坡體下采場基本頂初次破斷的力學(xué)模型,覆巖關(guān)鍵層破斷后的塊體不能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),即“砌體梁”結(jié)構(gòu)出現(xiàn)回轉(zhuǎn)或滑落失穩(wěn),而支架工作阻力又不足以平衡失穩(wěn)結(jié)構(gòu)巖體的自重時,就會引起工作面動載礦壓的出現(xiàn)。

以上研究表明,溝谷地形淺埋煤層開采工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要影響因素有關(guān)鍵層的缺失和溝谷坡度。其中,背溝開采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究較少,針對該問題,文中采用現(xiàn)場實測的研究方法對來壓前后工作面來壓步距和來壓強(qiáng)度進(jìn)行分析,研究溝谷地形下淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,并且提出相應(yīng)的治理措施,以保證后續(xù)回采工作面的安全穩(wěn)定。

1 工程背景

榆橫礦區(qū)朱家峁煤礦位于陜西省榆林市橫山縣境內(nèi),處于毛烏素沙漠與黃土高原接壤地帶。井田東西寬10.0 km,南北長7.6 km,面積50.193 2 km2。地表絕大部分被第四系松散沉積物覆蓋,較大溝谷中基巖零星出露。

礦井現(xiàn)主采3號煤層,1305-2工作面位于朱家峁煤礦一盤區(qū)西翼,工作面對應(yīng)地面位置主要為黃土梁峁,區(qū)內(nèi)地勢西北部低,東南部高,地形起伏較大,支離破碎,溝壑縱橫。工作面中部有2條溝谷通過,河溝處基巖被沖蝕,缺失厚度15～30 m。1305-2工作面長240 m,走向長3 905 m,煤層埋深125～205 m,近水平煤層,煤厚2.5～3.1 m,均厚2.8 m。工作面采用單一長壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法,全部垮落法管理頂板。工作面布置145組支架,基本支架選用ZY9000/17/35型掩護(hù)式液壓支架共136架,1305-2工作面正常回采期間,由于煤層埋藏較淺,工作面回采對地表有一定影響。同時,受地質(zhì)條件的影響在工作面開采經(jīng)過黃土梁峁上坡區(qū)域時,周期來壓顯現(xiàn)明顯,要防范地表臺階下沉引發(fā)壓架事故的發(fā)生。

2 工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)特征

1305-2工作面自2020年10月份正式開始回采,至2021年10月3日,已經(jīng)累計推進(jìn)2422 m。2021年10月,1305-2工作面在過第一條河溝的上坡段連續(xù)出現(xiàn)2次壓架事件,累計造成生產(chǎn)中斷16 d,嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。

2021年10月3號發(fā)生第一次壓架事故,來壓時工作面46#～122#支架頂板在煤壁處斷開切頂,支架上方發(fā)出響聲,同時煤壁出現(xiàn)片幫情況,壓架造成工作面中部65#～95#支架全部壓死,工作面多處液壓管路損毀,影響生產(chǎn)10 d;恢復(fù)生產(chǎn)后,工作面向前推進(jìn)了16 m,發(fā)生第二次壓架。第二次來壓與第一次相比,來壓呈現(xiàn)速度快、范圍廣和來壓強(qiáng)烈的特點。二次來壓過程中大部分支架在6 min之內(nèi)壓力從28 MPa逐漸升至42 MPa,造成工作面中部45#～95#支架大部分被壓死,工作面多處液壓管路損毀,影響生產(chǎn)6 d。具體來壓位置如圖1所示。

圖1 1305-2工作面壓架平面位置示意

3 現(xiàn)場礦壓實測分析

3.1 工作面礦壓監(jiān)測布置

為了獲得工作面頂板運(yùn)動參數(shù),分析采場頂板初次來壓和周期來壓,掌握工作面支架受力特點和頂板來壓規(guī)律,對2次強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究,最終提出相應(yīng)的防治措施,并對現(xiàn)場工程實踐提供進(jìn)一步的指導(dǎo)。

在1305-2工作面采用尤洛卡礦業(yè)安全工程股份有限公司生產(chǎn)的礦壓在線監(jiān)測系統(tǒng),工作面每隔5架支架安裝1臺礦用本安型頂板壓力無線監(jiān)測分站(KJ653-F2)對回采過程中支架初撐力、工作阻力進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測。每個監(jiān)測分站有2個監(jiān)測通道分別安裝于支架左、右立柱。在確保安全閥的正常使用下,定點(間隔5架)由驗收員每班統(tǒng)計2次壓力表數(shù)據(jù),開展正常的班檢工作,數(shù)據(jù)整理后根據(jù)動態(tài)檢測指標(biāo)認(rèn)真做好分析研究。

在工作面兩巷超前液壓支架上安裝指針式礦壓表,認(rèn)真觀測記錄支架立柱工作阻力的變化情況并在巷道頂板布置頂板離層儀,用來監(jiān)測頂板離層情況,為巷道的支護(hù)提供依據(jù)。當(dāng)巷道幫部片幫嚴(yán)重時,及時采取補(bǔ)打錨桿等措施加強(qiáng)幫部支護(hù)。

根據(jù)以上監(jiān)測設(shè)備觀測結(jié)果對工作面頂板活動規(guī)律、來壓特征,工作面支架受力特點,支架對頂板的適應(yīng)性和控制效果,超前支承壓力影響范圍和分布特點,頂板、煤層穩(wěn)定性,工作面支護(hù)質(zhì)量等進(jìn)行定期分析,保證工作面的安全高效開采。

3.2 工作面來壓期間礦壓監(jiān)測

為了查明1305-2工作面在2021年10月份共發(fā)生2起壓架事故的原因,避免類似事故再次發(fā)生,根據(jù)工作面礦壓實測數(shù)據(jù)分析10月3日和10月23日頂板來壓前后礦壓規(guī)律,進(jìn)而分析頂板結(jié)構(gòu)演化規(guī)律,為后續(xù)頂板治理措施提供理論支撐。

統(tǒng)計并繪制2次強(qiáng)礦壓現(xiàn)象來壓前后2 d內(nèi)的支架工作阻力變化情況,如圖2和圖3所示。

圖2 10月1日—10月5日工作面支架平均工作阻力

圖3 10月21日—10月25日工作面支架平均工作阻力

第一次來壓:1305-2工作面在第一次來壓前,工作面中部40#～110#支架工作阻力開始升高,支架壓力值明顯高于30 MPa,呈現(xiàn)出“中部高兩端低”的特點。10月1日回采時,工作面中部第40#和110#支架工作阻力明顯低于額定工作阻力,10月2日回采工作面支架工作阻力明顯開始升高,出現(xiàn)小范圍的來壓現(xiàn)象。而在10月3日回采時,工作面支架壓力值繼續(xù)升高,整體壓力值超過45 MPa,遠(yuǎn)大于額定工作阻力,頂板來壓造成部分支架壓壞,礦壓顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈。10月4、5日工作面支架壓力值開始降低,說明工作面回采引發(fā)頂板破斷彈性應(yīng)變能集中釋放,礦壓顯現(xiàn)后頂板應(yīng)力集中程度降低。

第二次來壓:根據(jù)現(xiàn)場支架壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,1305-2工作面在第二次來壓前,10月21日回采時,2#～50#和100#～140#支架壓力值超過35 MPa,說明工作面端頭頂板破斷,破斷的巖體搭接到支架上方,導(dǎo)致工作面礦壓呈現(xiàn)“兩端高中部低”的特征。10月22日回采時頂板壓力值整體變化較為平穩(wěn),應(yīng)力集中程度較低。10月23日回采時,20#～120#支架壓力值激增超過45 MPa,由此可見頂板發(fā)生大面積斷裂造成局部應(yīng)力集中程度加強(qiáng),礦壓顯現(xiàn)較為明顯。10月24日和25日工作面支架壓力值仍然保持較高的水平,說明第二次礦壓現(xiàn)象強(qiáng)度明顯高于第一次,造成的破壞更為嚴(yán)重。

4 工作面礦壓分區(qū)顯現(xiàn)機(jī)理分析

通過對工作面兩次強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行分析,不難發(fā)現(xiàn)1305-2工作面礦壓呈現(xiàn)“兩端弱中部強(qiáng)”的特征。因此,根據(jù)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)特征將工作面礦壓分布沿工作面長度方向劃分為2個典型的區(qū)域,如圖4所示。

圖4 工作面礦壓分區(qū)示意

1305-2工作面出現(xiàn)該分布特征,主要是由于兩方面的原因?qū)е碌摹Ｆ湟?1305-2工作面長度達(dá)到240 m,相較于普通工作面回采周期長,兩巷及上覆巖層長期受到掘進(jìn)及采動影響,在礦壓方面的顯現(xiàn)異常劇烈,圍巖變形量大,故超長工作面常常呈現(xiàn)出來壓頻率增高,來壓步距縮短的特點。這兩次強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)期間工作面正常回采的來壓步距為8～16 m,來壓期間減小為4～6 m,來壓強(qiáng)度達(dá)到45 MPa,超過支架額定工作阻力的80%。

其二,朱家峁煤礦地表多為黃土梁峁區(qū)域,存在零星溝谷發(fā)育區(qū),受風(fēng)化、水蝕較為嚴(yán)重。坡體產(chǎn)狀變化較大,受溝谷和坡體的影響容易導(dǎo)致基巖受力不均勻,溝谷底部和山腳處應(yīng)力集中等系列問題。同時,在溝谷上坡階段回采,工作面來壓時基本頂巖塊主要失穩(wěn)方式為滑落失穩(wěn),工作面支架須提供合理的支護(hù)力才能防止基本頂結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)。支架與頂板結(jié)構(gòu)共同維持頂板的穩(wěn)定,支架處于“給定失穩(wěn)載荷”狀態(tài)。此時,關(guān)鍵層失去支撐能力且破斷的巖層缺少側(cè)向水平擠壓力作用,導(dǎo)致3號煤層開采后其破斷塊體形不成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)而失穩(wěn),往往在工作面會出現(xiàn)動載礦壓現(xiàn)象。這是造成近淺埋煤層過溝谷地形上坡段時工作面易發(fā)生動載礦壓的根本原因。

為了進(jìn)一步分析礦壓分區(qū)顯現(xiàn)機(jī)理,從工作面傾向頂板破斷特征的角度入手。由于工作面長度較長及關(guān)鍵層存在的影響,煤層上覆巖層頂板結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)如圖5所示的特征。

圖5 頂板巖層垮落形態(tài)

由于煤層埋深較淺且覆巖關(guān)鍵層斷裂引發(fā)煤層覆巖移動變形,現(xiàn)以頂板2為研究對象,對該頂板進(jìn)行受力分析。根據(jù)煤層的賦存特性,將頂板2簡化為簡支梁模型,其上受均布載荷作用,具體力學(xué)模型如圖6所示。

圖6 頂板力學(xué)模型

由圖6可知,梁自身的承載能力和其上端受均布載荷的作用暫時達(dá)到平衡狀態(tài),但是隨著梁跨度的增加,逐漸發(fā)生彎曲,梁受到的剪力逐漸增大,直至發(fā)生破斷。

由于梁僅受固定端的反力,假設(shè)梁兩端的約束反力為FA和FB,彎矩分別為M1和M2,因豎直方向受力平衡,故有∑FA=0,則

(1)

式中,q為上覆巖層對頂板2的作用力,kN;γ為巖層容重,kg/m3;h為上覆巖層的總厚度,m;L為頂板2的跨度,m。

在頂板2上任取一截面C,求得該頂板的撓曲線微分方程

(2)

式中,E為彈性模量,kN/m2;I為頂板2的慣性矩,m4;ω為撓度,m;x為坐標(biāo)原點到B點的距離,m。

在梁的中點,撓曲線切線的斜率ω′應(yīng)等于0,即

(3)

求解得

(4)

所以在梁的中部,撓曲線切線的斜率等于零,撓度為極值。

由式(4)可知

(5)

通過以上對頂板2受力分析可知,隨著頂板垮落的增加在頂板中部撓度達(dá)到最大值,發(fā)生破壞的可能性也更大。這也解釋了兩次強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)時,首先在工作面中部支架支撐能力達(dá)到極限,甚至發(fā)生破壞。在覆巖自重和工作面跨度較大2個因素的影響下,工作面方向頂板破斷呈現(xiàn)分區(qū)特性,出現(xiàn)中部先來壓兩端后來壓的情況。同時,也受覆巖關(guān)鍵層破斷的影響,加劇了頂板受力環(huán)境的復(fù)雜性,最終導(dǎo)致工作面礦壓分區(qū)效應(yīng)明顯。

5 覆巖精準(zhǔn)控制技術(shù)及效果

針對1305-2工作面在過溝谷地形時發(fā)生的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn),造成大面積壓架事故的問題。對兩次強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)情況展開分析,結(jié)合礦壓分區(qū)顯現(xiàn)機(jī)理,提出具體的控制措施。

5.1 治理措施

為有效防治1305-2工作面強(qiáng)礦壓災(zāi)害,重點在1305-2工作面溝谷影響區(qū)域回采巷道施工頂板水力壓裂孔,旨在實現(xiàn)破壞堅硬頂板的完整性,降低其能量儲存和應(yīng)力傳導(dǎo)的屬性,同時在工作面回采后受上覆載荷作用促使預(yù)裂頂板及時垮落,消除強(qiáng)礦壓產(chǎn)生的主要因素,同時垮落頂板將對更高層位的巖層起到支撐作用,有利于抑制高位巖層的回轉(zhuǎn)下沉。

為此,采用水壓致裂技術(shù),主要目的是致裂煤層上方的基本頂,改變其連續(xù)性,弱化應(yīng)力傳遞與自身強(qiáng)度,在礦山壓力作用下,有利于煤層上覆巖層的分層逐步垮落,有效降低工作面中部的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。

施工位置:1305-2工作面長度240 m,煤層的基本頂為3.1 m厚的中粒砂巖,其與下部巖層組成的復(fù)合頂板厚度約為10 m。為了有效地降低工作面頂板的完整性達(dá)到預(yù)期的致裂效果,根據(jù)朱家峁煤礦礦壓分區(qū)顯現(xiàn)機(jī)理及鉆孔施工機(jī)制,對溝谷影響區(qū)800 m的范圍進(jìn)行水壓致裂。最終確定在工作面實施長鉆孔的方式,由巷道兩側(cè)向工作面施工致裂孔。以此達(dá)到在分段壓裂的過程中同時兼顧工作面端部區(qū)域和強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)區(qū)域的上方的頂板壓裂卸壓,以降低強(qiáng)礦壓風(fēng)險的目的。

施工參數(shù):工作面致裂孔參數(shù)。在工作面兩側(cè)巷道每個斷面各布置2個鉆孔為一組,共布置80組,共需施工160個深孔,每組鉆孔間距為10 m。鉆孔長度為91～111 m,鉆孔傾角與工作面傾向夾角為7°～8°,與工作面走向夾角為75°,致裂段長度為70～85 m,封孔段長度為21～26 m。根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù),鉆孔半徑為45 mm,注水壓力為22.1 MPa。具體布置方式參數(shù)如圖7和8所示。

圖7 工作面傾向方向水壓致裂孔布置方式

圖8 工作面走向方向水壓致裂孔布置方式

5.2 應(yīng)用效果

第二次強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)結(jié)束清理完工作面實施頂板超前爆破預(yù)裂方案,現(xiàn)場工作面支架壓力均勻受力,沒有局部壓力增加的情況發(fā)生,整體示數(shù)處于額定工作阻力范圍內(nèi),頂板放落效果良好,采空區(qū)頂板懸頂距離明顯縮短。地表裂縫寬度明顯縮短,且裂縫間距達(dá)到20 m,有效減緩地表的沉降。由此可見,采用頂板水力致裂技術(shù)對工作面回采安全有效且可行,達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

6 結(jié)論

(1)1305-2工作面發(fā)生兩次強(qiáng)礦壓顯現(xiàn),工作面前方發(fā)生切頂現(xiàn)象,煤壁片幫,工作面中部壓力明顯高于兩側(cè),部分支架壓死,液壓管路損毀。地表相應(yīng)位置發(fā)生臺階下沉。

(2)現(xiàn)場礦壓實測分析發(fā)現(xiàn),強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)期間周期來壓步距從8～16 m減小到4～6 m,來壓強(qiáng)度達(dá)到45 MPa,超過支架額定工作阻力的80%。基本頂巖塊滑落失穩(wěn)是造成近淺埋煤層過溝谷地形上坡段時工作面易發(fā)生動載礦壓的根本原因。

(3)針對1305-2工作面在過溝谷地形時發(fā)生的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問題,結(jié)合礦壓分析,提出頂板超前預(yù)爆破技術(shù)進(jìn)行切頂卸壓,現(xiàn)場應(yīng)用表明在一定程度上降低了來壓強(qiáng)度,采空區(qū)懸頂距離減小,保證了工作面安全高效開采。