華亭煤礦采掘工作面應力集中區(qū)域沖擊地壓防治技術

呂甲鵬,林 飛,屈 英,趙文元,郭敏杰,焦宏強

(華亭煤業(yè)集團華亭煤礦,甘肅 平?jīng)?744100)

0 引言

華亭煤礦轉(zhuǎn)入2501采區(qū)開采后,自第2個工作面開始,沖擊地壓災害凸顯,共記錄礦震68 486次,沖擊地壓顯現(xiàn)228次。經(jīng)沖擊傾向性鑒定,判定華亭煤礦煤5層為強沖擊傾向性煤層。所以消除或減輕沖擊地壓災害是確保人員生命安全和企業(yè)持續(xù)發(fā)展的第一要務。

為此,對采掘工作面進行應力集中區(qū)域排查,制定有針對性的沖擊危險治理方案及管理措施,是降低沖擊地壓危害的最直接和最有效方法之一,以避免盲目卸壓造成人力和物力的浪費[1]。

1 概況

華亭煤田區(qū)域構(gòu)造為一個大體上呈北北西—南南東向展布的“S”型不對稱向斜構(gòu)造形態(tài)。華亭煤礦目前回采的是2501采區(qū)一分層的250107-1工作面,掘進的是2501采區(qū)二分層的250101-2工作面。2個工作面均受褶皺構(gòu)造、夾矸、賦存厚硬頂板等因素影響,開采條件復雜惡劣,部分區(qū)域應力集中程度較高,所以引發(fā)沖擊地壓顯現(xiàn)的危險性較高,大大增加了沖擊地壓防控工作的難度[2]。采掘工作面布置如圖1所示。

圖1 2501采區(qū)采掘工程平面布置

2 應力集中區(qū)域劃分

2.1 自然因素造成的應力集中區(qū)域

2.1.1 褶曲構(gòu)造

根據(jù)華亭煤礦地質(zhì)資料可知,華亭煤礦內(nèi)褶皺構(gòu)造發(fā)育,井田內(nèi)分布有華亭向斜和華亭背斜2條主要的褶曲構(gòu)造線。大體上呈北北西—南南東向展布的“S”型構(gòu)造形態(tài),屬于一個東緩西陡、中間寬緩、南北兩段收斂的形似紡綞形的復式不對稱向斜構(gòu)造,這種褶皺構(gòu)造為水平載荷擠壓作用下發(fā)生緩慢變形的結(jié)果,是形成應力集中區(qū)域的主要地質(zhì)構(gòu)造因素[4-6]。

經(jīng)分析,250107-1回采工作面穿華亭背斜,同時工作面開采區(qū)域內(nèi)發(fā)育了幅度較小的呈波狀起伏的次一級褶皺,受背斜構(gòu)造、向背斜轉(zhuǎn)折影響,250107-1工作面開采區(qū)域范圍內(nèi)水平應力較大而形成高應力集中區(qū)域,褶曲構(gòu)造造成的應力集中區(qū)域如圖2所示。

圖2 褶曲構(gòu)造造成的應力集中區(qū)域示意

2.1.2 夾矸影響

厚煤層工作面開采過程中經(jīng)常出現(xiàn)煤層夾矸結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)會造成煤層分岔,從而導致采掘工作面發(fā)生沖擊地壓的幾率增大,危險性增強,尤其是在褶曲、殘留煤柱等應力異常區(qū)內(nèi),夾矸帶的沖擊危險性更為嚴重[3]。

根據(jù)相鄰工作面煤層探測及地質(zhì)鉆孔資料分析,250101-2運輸順槽229～1 609 m區(qū)段,靠近煤層底板1.1～12.1 m發(fā)育有夾矸1層,厚度0～8.8 m;回風順槽開口以里267.8～1 803.3 m,靠近煤層底板1.8～9.8 m發(fā)育夾矸1層,厚度0～2.0 m。掘進兩順槽夾矸影響應力集中區(qū)域剖面示意如圖3所示。

圖3 250101-2掘進兩順槽夾矸影響應力集中區(qū)域剖面示意

2.2 開采技術因素造成的應力集中區(qū)域

2.2.1 切眼位置的影響

“刀把”形等不規(guī)則工作面、調(diào)斜、旋轉(zhuǎn)區(qū)域或多個工作面的開切眼及停采線不對齊等,區(qū)域附近極易造成局部多倍甚至十幾倍的應力集中,沖擊危險程度急劇升高。對外錯回采空間周圍應力分布進行的數(shù)值模擬研究表明,靠近采空區(qū)附近工作面周圍煤巖體的應力集中程度非常高[7-9]。

250107-1工作面開采時,開切眼與相鄰的250106-1工作面開切眼外錯66 m布置,形成應力集中區(qū)域,如圖4所示。

圖4 250107-1切眼外錯影響應力集中區(qū)域示意

250101-2開切眼與250102-1開切眼外錯,同時受上覆遺留煤柱及邊界煤柱影響,形成應力集中區(qū)域,如圖5所示。

圖5 250101-2切眼外錯及煤柱影響應力集中區(qū)域示意

2.2.2 停采線位置的影響

停采線是否對齊或者當前回采工作面停采線外錯緊鄰工作面是影響停采線附近區(qū)域沖擊危險程度的重要因素。當停采線參差不齊或者外錯相鄰工作面停采線時,停采線附近應力集中程度很高,直接導致沖擊危險程度升高。

250107-1工作面設計停采線外錯250106-1工作面停采線44.8 m。

當250107-1工作面推進至250106-1停采線附近時,可能造成局部應力集中區(qū)域,如圖6所示。

圖6 250107-1停采線外錯影響應力集中區(qū)域示意

250101-2回風順槽掘進至197 m時進入上分層采空區(qū),受250101-1工作面停采線影響造成應力集中區(qū)域,如圖7所示。

圖7 250101-2回風順槽掘進期間受250101-1停采線影響應力集中區(qū)域示意

250101-2運輸順槽掘進至38 m時進入上分層采空區(qū),受250102-1工作面停采線影響造成應力集中區(qū)域,如圖8所示。

圖8 250101-2運輸順槽掘進期間受250102-1停采線影響應力集中區(qū)域示意

250101-2運輸順槽掘進至255 m時進入同分層采空區(qū),受250102-2工作面停采線影響造成應力集中區(qū)域,如圖9所示。

圖9 250101-2運輸順槽掘進期間受250102-2停采線影響應力集中區(qū)域示意

2.2.3 上分層遺留煤柱影響

當開采下分層工作面時,上分層遺留煤柱其本身應力集中程度較高,集聚有大量彈性能,同時也對上覆堅硬頂板具有一定的控制作用。當下分層工作面沿殘采煤柱開采時,其采掘擾動影響容易造成殘采煤柱超過極限強度而發(fā)生失穩(wěn)破壞,加之其上覆所控厚硬頂板的再運動,形成的沖擊動載將十分容易導致工作面沖擊地壓危險的發(fā)生。

250101-2運輸順槽掘進期間受上覆采空區(qū)承載煤柱影響,巷道應力集中區(qū)域如圖10所示。

圖10 250101-2運輸順槽掘進期間受上分層遺留煤柱影響應力集中區(qū)域示意

3 降低應力集中程度的卸壓解危措施

3.1 250107-1回采工作面兩順槽

3.1.1 褶曲構(gòu)造

為降低褶曲構(gòu)造形成的高應力集中程度,在250107-1工作面回風順槽770～1 120 m、1 608～1 758 m,運輸順槽1 280～1 430 m實施超前分區(qū)解危卸壓(頂板深孔和巷幫煤體爆破)的基礎上,再采用巷幫煤體卸壓對地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域補強卸壓。

3.1.2 切眼位置影響

為降低250107-1開切眼與邊界煤柱間構(gòu)成的三角煤柱應力集中程度,在250107-1開切眼煤柱側(cè)布置切頂深孔爆破配合煤體爆破卸壓。為縮短250107-1工作面初次來壓步距,在開切眼上覆頂板煤巖層中進行兩輪切頂深孔爆破,形成6.2 m寬的斜眼矩形單項掏槽,隨后再實施支護松動爆破。

3.1.3 停采線位置影響

250107-1工作面設計停采線外錯250106-1工作面停采線44.8 m,在250107-1回風順槽推進至2 033 m處時,在實施超前分區(qū)預卸壓措施(頂板深孔和巷幫煤體爆破施工至設計停采線向外20 m)的基礎上,再采用巷幫煤體爆破降低煤體內(nèi)應力水平。

3.2 250101-2掘進兩順槽

3.2.1 夾矸影響

在250101-2掘進兩順槽煤層分岔影響的40 m區(qū)域?qū)嵤┟后w爆破卸壓。兩順槽施工鉆孔沿巷道走向與巷道底板呈40°夾角,孔間距10 m,運輸順槽孔深20 m,回風順槽孔深15 m。單孔裝藥量6 kg,裝藥長度2 m,裝藥方式為連續(xù)不耦合裝藥,黃泥封孔,封孔長度不小于5 m,采用2號煤礦許用炸藥(φ63 mm/1 500 g),礦用雙導爆索配合2個煤礦許用毫秒延期電雷管正向起爆,爆破網(wǎng)絡采用串聯(lián)由里向外一次起爆,一次最多起爆4孔,采用FD-200D型啟爆器啟爆。

3.2.2 切眼位置影響

250101-2開切眼及運輸順槽距開切眼39 m段與250102-1開切眼外錯,同時受上覆遺留煤柱及邊界煤柱影響,形成應力集中區(qū)域,該區(qū)段在預卸壓措施的基礎上,再采取超深孔煤體爆破卸壓及頂板深孔爆破卸壓來降低該區(qū)域應力集中程度。

3.2.3 停采線位置影響

250101-2回風順槽掘進至197 m時進入上分層采空區(qū),受250101-1工作面停采線影響造成應力集中區(qū)域,為降低應力集中程度,在250101-2回風順槽距聯(lián)絡巷口197～237 m范圍內(nèi)加密(預卸壓措施孔間距由2.4 m調(diào)整為0.8 m)施工巷幫大直徑鉆孔。

250101-2運輸順槽掘進至38 m時進入上分層采空區(qū),受250102-1工作面停采線影響造成應力集中區(qū)域,為降低應力集中程度,在250101-2回風順槽距聯(lián)絡巷口38～78 m范圍內(nèi)加密施工煤體爆破卸壓。

250101-2運輸順槽掘進至255 m時進入同分層采空區(qū),受250102-2工作面停采線影響造成應力集中區(qū)域,為降低應力集中程度,在250101-2回風順槽距聯(lián)絡巷口247～287 m范圍內(nèi)加密(預卸壓措施孔間距由2.4 m調(diào)整為0.8 m)施工巷幫大直徑鉆孔。

3.2.4 上覆遺留煤柱影響

250101-2運輸順槽掘進期間受上覆采空區(qū)承載煤柱影響,巷道應力集中。在250101-2運輸順槽實施孔深為32 m和15 m的深淺孔煤體爆破卸壓措施。通過深爆破孔施工至遺留煤柱正下方,爆破沖擊力將上覆煤柱支承應力向煤柱兩側(cè)的深部推移,降低峰值,減小應力集中程度,再施工淺孔煤體爆破,將應力向巷道兩側(cè)分散轉(zhuǎn)移,再次降低應力集中。

4 卸壓解危方法

4.1 頂板深孔爆破

一組斷頂深孔爆破[10]共有5孔,分別命名為1#、2#、3#、4#、5#孔,1#、2#、3#鉆孔布置在距煤壁側(cè)1 m的巷頂上,開孔位置傾向間距0.8 m,4#、5#鉆孔布置在距煤柱側(cè)1 m的頂板上,開口位置走向間距0.8 m;使用二號煤礦許用炸藥(φ63 mm/1 500 g),裝藥方式為連續(xù)不耦合裝藥,采用黃泥封孔。礦用雙導爆索雙雷管正向?qū)П?煤礦許用毫秒電雷管引爆,FD-200D型啟爆器啟爆,爆破網(wǎng)絡采用串聯(lián)最多2孔一次起爆,具體參數(shù)見表1。

表1 250107-1回風順槽頂板深孔參數(shù)

4.2 巷幫煤體爆破

每隔10 m布置一個煤體爆破卸壓孔,采用手持式風動鉆機取孔,鉆孔垂直煤壁,鉆孔間距10 m,距巷底0.8 m,孔徑42 mm,孔深12 m;使用二號煤礦許用炸藥(φ35 mm/150 g),礦用雙導爆索正向?qū)П?雙煤礦許用毫秒延期電雷管正向起爆,FD-200D型啟爆器啟爆,單孔裝藥量3 kg,裝藥長度4 m,封孔長度不小于4 m,爆破網(wǎng)絡采用串聯(lián)10孔一次起爆,巷幫煤體爆破后躲炮時間不得少于30 min。

4.3 超深煤體爆破

超深煤體爆破卸壓孔,采用履帶式液壓鉆機配合φ75 mm鉆頭在煤壁側(cè)施工。孔深35 m,孔高1.3 m,鉆孔方位164°,傾角5°,孔間距10 m。單孔裝藥量10.5 kg,裝藥長度3.5 m,裝藥方式為連續(xù)不耦合裝藥,黃泥封孔,封孔長度12 m,采用2號煤礦許用炸藥(φ63 mm/1 500 g),礦用雙導爆索配合2個煤礦許用毫秒延期電雷管正向起爆,爆破網(wǎng)絡采用串聯(lián)由里向外一次起爆,一次最多起爆4孔,FD-200D型啟爆器啟爆。

5 應用效果

250106-1工作面中回采時發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)7次,發(fā)生能量大于1.0×104J的震動68次,應用該防治方法后,250107-1工作面未出現(xiàn)過沖擊地壓顯現(xiàn),發(fā)生能量大于1.0×104J的震動26次。250101-2工作面掘進期間未出現(xiàn)過沖擊地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象,相較于250102-2工作面掘進期間發(fā)生的3次沖擊地壓顯現(xiàn),效果顯著。由此可見,通過對應力集中區(qū)域進行排查,并制定具有針對性的卸壓解危方法后,無論是震動頻次、震動能量還是大能量震動次數(shù),均有顯著下降,為采掘工作面安全生產(chǎn)提供保障[11]。

6 結(jié)論

(1)理論分析地質(zhì)影響因素及開采技術影響因素,分別劃分出褶曲構(gòu)造影響和夾矸影響因素造成的應力集中區(qū)域,及切眼位置、停采線位置的影響及上分層遺留煤柱影響因素造成的應力集中區(qū)域。

(2)通過分析不同應力集中區(qū)域加之采掘擾動影響下,劃分出明確的沖擊危險區(qū)域,便于指導沖擊地壓監(jiān)測預警及綜合治理。

(3)提出具有針對性降低應力集中程度的卸壓解危措施,以快速、準確的降低應力集中程度。