采煤工作面過(guò)應(yīng)力集中區(qū)沖擊地壓防治關(guān)鍵技術(shù)分析

郭瑞軍

(山西澤州天泰和瑞煤業(yè)有限公司,山西 晉城市 048021)

0 引言

在我國(guó)煤礦開(kāi)采機(jī)械化程度不斷提升的背景下,安全生產(chǎn)愈加受到關(guān)注。對(duì)于煤礦多層開(kāi)采而言,上部煤柱和本層煤柱使得采煤工作面應(yīng)力集中,容易造成沖擊地壓事故。針對(duì)此種情況,相關(guān)研究人員開(kāi)展了遺留煤柱誘沖機(jī)理及監(jiān)測(cè)治理的研究與分析。有研究表明,若煤柱單側(cè)屈服帶寬在煤柱寬度的0.33～0.43范圍內(nèi)時(shí),將會(huì)破壞煤柱平衡。隨著研究力度的加大,提出了一種鉆孔爆破卸壓技術(shù),此種技術(shù)在治理礦井沖擊地壓方面效果顯著。但從現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)礦井的應(yīng)用情況來(lái)看,由于受到種種因素的影響(如地質(zhì)條件、參數(shù)設(shè)計(jì)、裝藥等),此種技術(shù)的卸壓效果不明顯,從而不能充分釋放應(yīng)力[1]。因此,在使用此種技術(shù)的過(guò)程中,需充分考慮使用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,嚴(yán)格控制工藝參數(shù)。開(kāi)展爆破卸壓方案的研究對(duì)提升礦井安全生產(chǎn)有著十分重要的意義。

基于此種情況,本文結(jié)合相應(yīng)的工程案例,對(duì)工程中產(chǎn)生應(yīng)力集中的情況進(jìn)行分析,通過(guò)鉆孔爆破卸壓技術(shù)來(lái)釋放工作面集中的應(yīng)力,從掘進(jìn)前期、中期、后期3個(gè)階段進(jìn)行卸壓。

1 工程概況

某煤礦采區(qū)的掘進(jìn)工作面長(zhǎng)達(dá)150 m,開(kāi)采深度大約為540 m,平均傾角為31°,工作面上方具有殘留煤柱,寬度約為18 m,工作面(21煤層)遺留煤柱寬度約為15 m,開(kāi)切眼及影響煤柱位置如圖1所示。

圖1 開(kāi)切眼及影響煤柱位置

該工程的掘進(jìn)順序主要根據(jù)風(fēng)道向下與機(jī)道向上的順序,在風(fēng)道下部掘進(jìn)53 m 后,需停止掘進(jìn);在機(jī)道上部掘進(jìn)75 m 后,應(yīng)力集中相對(duì)較大。在對(duì)煤柱產(chǎn)生應(yīng)力進(jìn)行分析并做出相應(yīng)的防治措施后,再次開(kāi)展掘進(jìn)工作。21煤層的平均煤厚為3.45 m,煤層頂部含有平均厚度為13.2 m 的灰白色細(xì)砂巖,底板含有平均厚度為9.05 m 的灰色粉砂巖。

2 煤柱影響下開(kāi)切眼應(yīng)力集中分析

2.1 17煤層遺留煤柱應(yīng)力集中分析

通過(guò)分析開(kāi)切眼上部17煤層的煤柱位置,建立相應(yīng)的計(jì)算模型,以此來(lái)分析17煤層中煤柱對(duì)21煤層受力程度與走向的影響,如圖2所示。通過(guò)多因素耦合分析法與相關(guān)的經(jīng)驗(yàn),設(shè)置21煤層開(kāi)切眼處沖擊危險(xiǎn)臨界值,當(dāng)沖擊危險(xiǎn)性判別指數(shù)大于2.0時(shí),到達(dá)臨界值[2]。通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn),掘進(jìn)附近的煤體主要承受著17 煤層與21 煤層的垂直應(yīng)力,其中21煤層煤自重應(yīng)力可表示為σh,見(jiàn)式(1)。

圖2 17層遺留煤柱計(jì)算模型

式中,σH17、σh分別表示17煤層、21煤層煤柱自重應(yīng)力,為9.2 MPa、3.3 MPa,其中H17取值為368 m,h取值為498 m;θ表示煤柱的影響角,45°;σc為單軸抗壓強(qiáng)度,為8.2 MPa;x表示影響范圍,m;k為17煤層應(yīng)力集中系數(shù),取3.0。

則可以將σn表示為:

在經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算后,得到應(yīng)力疊加下21煤層的沖擊危險(xiǎn)范圍趨于(61,199],此時(shí),在17煤層的影響下,21煤層受到的煤柱影響應(yīng)力增高范圍達(dá)到138 m,便可以通過(guò)沖擊危險(xiǎn)指數(shù)將其分為不同的區(qū)域,即強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)、應(yīng)力影響區(qū),其影響范圍分別為52 m、68 m。

2.2 21煤層區(qū)段煤柱應(yīng)力集中分析

在將21煤層北側(cè)的區(qū)域采空后,可以通過(guò)該區(qū)域頂部的硬巖層來(lái)呈現(xiàn)出巖層組的受力情況,并將其作為關(guān)鍵層[3]。由于巖層在應(yīng)力的作用下會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng),關(guān)鍵層懸臂段的重量疊加至該區(qū)域的外側(cè),導(dǎo)致應(yīng)力集中的情況出現(xiàn),可通過(guò)下列模型進(jìn)行表示,即:

式中,σ、Δσ、σq分別表示側(cè)向?yàn)橹С袎毫Α?yīng)力增加量、自重應(yīng)力,MPa;H為21煤層的深度,取498 m;γ為各巖層容重,取2.5 t/m3;I為采空區(qū)的寬度,為50 m;α為移動(dòng)巖層的移動(dòng)角,為83°。

則可以得到σ為:

通過(guò)式(5)來(lái)繪制21煤層開(kāi)切眼掘進(jìn)受側(cè)向支承壓力影響曲線,如圖3所示。

圖3 開(kāi)切眼掘進(jìn)受側(cè)向支承壓力影響曲線

由圖3可知,在應(yīng)力的影響下,軸承壓力逐漸呈升高趨勢(shì),當(dāng)與煤壁的距離大約為12.5 m 時(shí),軸承壓力開(kāi)始逐漸降低,在距離煤壁26 m 后,軸承壓力逐漸趨近于穩(wěn)定。通常來(lái)說(shuō),開(kāi)切眼掘進(jìn)是在煤體側(cè)向支承壓力峰值影響區(qū)內(nèi)進(jìn)行,由于該區(qū)域的應(yīng)力集中相對(duì)過(guò)大,需要做好相應(yīng)的防護(hù)措施,以此來(lái)提升開(kāi)切眼的安全性。

3 鉆孔卸壓爆破技術(shù)

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中,由于應(yīng)力集中的影響,沖擊地壓的情況頻頻出現(xiàn),經(jīng)常發(fā)生支架折損、片幫冒頂、巷道堵塞、人員傷亡等情況,對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)造成了巨大威脅[4]。基于此種情況,提出一種鉆孔卸壓爆破技術(shù)。

3.1 原理

爆破卸壓,是目前較為常見(jiàn)的一種應(yīng)力釋放方式,主要是通過(guò)爆破的方式將應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行卸壓。其卸壓原理為:通過(guò)在煤巖層中進(jìn)行爆破,使巷道周圍的巖體內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的縫隙,以減小巖體的彈性模量,從而降低巖體的強(qiáng)度與彈性。在降低巖體周圍的彈性模量后,進(jìn)而降低沖擊地壓產(chǎn)生的能量。此外,在爆破卸壓技術(shù)的作用下,可以在煤層內(nèi)部形成卸壓區(qū),進(jìn)而將應(yīng)力轉(zhuǎn)移至煤巖層的深處,減低煤巖體中的部分彈性模量,這對(duì)于削弱或者消除采礦工作面中的沖擊危險(xiǎn)有著十分重要的作用。

3.2 使用條件

在爆破過(guò)程中,鉆孔卸壓具有不穩(wěn)定性的特點(diǎn),導(dǎo)致應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移,從而增大了沖擊地壓事故發(fā)生的概率。通常來(lái)說(shuō),鉆孔卸壓爆破技術(shù)的注意事項(xiàng)有以下幾點(diǎn):

(1)此種技術(shù)僅適用于存在高應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力區(qū),并且在使用的過(guò)程中需要確保支護(hù)結(jié)構(gòu)不遭到破壞;

(2)對(duì)煤層的硬度要求相對(duì)較高,適用于較大應(yīng)力、煤質(zhì)較為堅(jiān)硬的煤層;

(3)由于此種技術(shù)具有一定的危險(xiǎn)性,在使用時(shí)需要充分了解礦井中的瓦斯?jié)舛取?/p>

3.3 掘進(jìn)期間防治方案

卸壓主要從掘進(jìn)前期、中期、后期3 個(gè)階段進(jìn)行。

3.3.1 前期卸壓

經(jīng)過(guò)分析,掘進(jìn)過(guò)程中主要受支承壓力的影響,應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。因此,采用鉆孔卸壓的方式來(lái)釋放兩幫集中的應(yīng)力,從而使掘進(jìn)面始終保持在地應(yīng)力區(qū)附近。鉆孔技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鉆孔技術(shù)參數(shù)

3.3.2 中期卸壓

在掘進(jìn)期間,卸壓與掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行,并做好相應(yīng)的監(jiān)測(cè),其步驟如下。

(1)在掘進(jìn)區(qū)域進(jìn)行大直徑的卸壓鉆孔時(shí),需要布置孔徑為120 mm、長(zhǎng)度為25 m 的鉆孔,如圖4所示。

圖4 貫通時(shí)卸壓方案

(2)正幫。掘進(jìn)5 m 作為基礎(chǔ),進(jìn)行卸壓鉆孔,鉆孔位置如圖4中8#、9#孔所示,并且孔徑的間距應(yīng)保持在1.5 m,孔深為25 m,孔徑為120 mm,高度保持在1～2 m 范圍內(nèi)。完成鉆孔后,隔孔裝3 kg炸藥,開(kāi)始爆破卸壓工作。除此之外,爆破前安裝相應(yīng)的監(jiān)測(cè)應(yīng)力計(jì),并且應(yīng)力監(jiān)測(cè)距掘進(jìn)頭的距離不能超過(guò)25 m。

(3)負(fù)幫。掘進(jìn)5 m 作為基礎(chǔ),進(jìn)行卸壓鉆孔,鉆孔位置如圖4中10#、11#孔所示,并且孔徑的間距應(yīng)保持在1.0 m,孔深為12 m,孔徑為120 mm,高度保持在1～2 m 范圍內(nèi)。在爆破前需將監(jiān)測(cè)應(yīng)力計(jì)安裝至掘進(jìn)工作面中,并且應(yīng)力計(jì)的安裝間距不能超過(guò)25 m。

(4)在鉆孔時(shí),若受到氣壓因素影響出現(xiàn)卡鉆、煤炮的現(xiàn)象,可以將其忽視,直至應(yīng)力完全釋放[5]。

3.3.3 后期卸壓

在開(kāi)切眼貫通后,進(jìn)行刷幫安架和工作面回采工作,由于采空區(qū)中存在的關(guān)鍵巖需要保持受力平衡,在其尋找受力點(diǎn)的過(guò)程中會(huì)增大兩幫的集中應(yīng)力,可以通過(guò)以下方案來(lái)進(jìn)行防治[6]。

(1)正幫。進(jìn)行卸壓鉆孔,孔徑的間距應(yīng)保持在1.0 m,孔深為25 m,孔徑為120 mm,高度保持在1～2 m 范圍內(nèi),隔孔裝3 kg炸藥后開(kāi)始爆破卸壓工作。

(2)負(fù)幫。進(jìn)行卸壓鉆孔,孔徑的間距應(yīng)保持在1.0 m,孔深為12 m,孔徑為120 mm,高度保持在1 m 左右。

(3)在進(jìn)行卸壓鉆孔時(shí),應(yīng)力計(jì)的安裝應(yīng)用需要與卸壓工程同時(shí)進(jìn)行,并且應(yīng)力計(jì)的安裝間距不能超過(guò)25 m。

在實(shí)現(xiàn)21煤層的開(kāi)切眼貫通、卸壓鉆孔、微震、應(yīng)力監(jiān)測(cè)不需要作出相應(yīng)的預(yù)警后,再安裝刷幫與支架。除此之外,為了有效降低工作面控頂面積和支護(hù)難度,可以根據(jù)從開(kāi)切眼由下往上一邊開(kāi)幫、一邊安裝支架的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中,開(kāi)幫的寬度不小于3.8 m,并且?guī)蛡?cè)為巷道硬幫。

3.4 鉆孔卸壓爆破技術(shù)應(yīng)用效果

3.4.1 卸壓階段微震與應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)

卸壓期間微震特征曲線如圖5所示,圖中6月1日至7月19日屬于掘進(jìn)前卸壓階段,在該階段中微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的事件超過(guò)1000件,其中102 J以下事件超過(guò)1000次,占總事件的比例為96%。

圖5 開(kāi)切眼卸壓期間微震特征曲線

通過(guò)在開(kāi)切眼與回風(fēng)道中安裝相應(yīng)的應(yīng)力計(jì),可以實(shí)現(xiàn)壓力的在線監(jiān)測(cè)。其中,正幫中4組,負(fù)幫中3組,回風(fēng)道下幫2組,應(yīng)力計(jì)的間距均為20 m,應(yīng)力預(yù)測(cè)情況如圖6所示。由圖6可以得知,負(fù)幫在7月4日時(shí)應(yīng)力計(jì)所顯示的壓力達(dá)到9.0 MPa,達(dá)到黃色預(yù)警區(qū)域,在7 月5 日時(shí)逐漸上升至10 MPa,達(dá)到紅色預(yù)警區(qū)域,再呈現(xiàn)出峰值,為13.19 MPa,此時(shí)需要進(jìn)行相應(yīng)的卸壓處理。在7月18日時(shí),卸壓組采用鉆孔爆破卸壓技術(shù)進(jìn)行卸壓后,將壓力降低至5.92 MPa,并且趨于逐漸降低的狀態(tài),在一定程度上緩解了壓力危機(jī)[7]。

3.4.2 掘進(jìn)期間微震與應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)

圖7表示掘進(jìn)貫通期間的微震能量事件,從圖7可以看出,在8月5日至8月15日期間,微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)到的事件為341 次,其中小能量事件為334個(gè),能量均小于102 J,并且在此期間沒(méi)有產(chǎn)生微震能量相對(duì)較大的事件,這在一定程度上保證了掘進(jìn)工作的安全。

圖7 開(kāi)切眼掘進(jìn)貫通時(shí)微震能量事件

監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),在采用鉆孔爆破的方式對(duì)工作面進(jìn)行卸壓處理后,掘進(jìn)期間監(jiān)測(cè)的應(yīng)力數(shù)據(jù)沒(méi)有較大變化,趨向于穩(wěn)定狀態(tài),并未出現(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)力預(yù)警。在鉆孔爆破期間,鉆孔數(shù)量為34 個(gè),長(zhǎng)度為560 mm,并且大直徑卸壓孔總體的出貨量較低,由此證明此種技術(shù)具有降低采礦工作面應(yīng)力的效果[8]。

4 結(jié)論

(1)在開(kāi)切眼工作面掘進(jìn)的過(guò)程中,由于17煤層遺漏煤柱的應(yīng)力影響,21煤層的應(yīng)力加大,掘進(jìn)工作面的應(yīng)力集中情況加劇,若不進(jìn)行相應(yīng)的卸壓與加強(qiáng)支護(hù)處理,則會(huì)加大沖擊地壓事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。在通過(guò)模型計(jì)算后,得出在應(yīng)力疊加的情況下,掘進(jìn)煤層的沖擊危險(xiǎn)區(qū)間為(61,199],此時(shí)應(yīng)力集中的影響范圍為138 m。根據(jù)沖擊危險(xiǎn)指數(shù)對(duì)其進(jìn)行劃分后,強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)、應(yīng)力影響區(qū)的影響范圍分別變?yōu)?2 m、68 m,采空區(qū)外側(cè)支承壓力影響區(qū)間為(0,26),在這些數(shù)據(jù)的支撐下,有助于后續(xù)卸壓方案的制定。

(2)為了有效解決沖擊區(qū)域的應(yīng)力集中情況,本次研究主要結(jié)合爆破卸壓技術(shù),該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在中等以上沖擊危險(xiǎn)條件下釋放底板應(yīng)力及在工作面區(qū)域應(yīng)力的作用,并且適用性相對(duì)較強(qiáng),但是在使用此種技術(shù)的過(guò)程中需要嚴(yán)格控制材料的用量與鉆孔工藝。因此,在制定卸壓方案的過(guò)程中,應(yīng)結(jié)合卸壓爆破技術(shù),從掘進(jìn)前期、中期、后期3個(gè)階段來(lái)進(jìn)行卸壓,并在掘進(jìn)過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行卸壓、監(jiān)測(cè)。

(3)在對(duì)鉆孔爆破卸壓技術(shù)應(yīng)用效果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),微震小能量事件的占比相對(duì)較大,為96%以上,并且出現(xiàn)應(yīng)力預(yù)警的概率相對(duì)較小,由此證明鉆孔爆破卸壓技術(shù)具有釋放集中應(yīng)力的效果,同時(shí)分階段防治的方案符合現(xiàn)階段開(kāi)切眼掘進(jìn)的實(shí)際需求,這對(duì)開(kāi)切眼掘進(jìn)過(guò)程中提升工作面周圍的安全性有著十分重要的作用。