基于支架載荷的沖擊危險性分析及防治研究

朱萌萌，成云海，馮飛勝，任　禹

(1.安徽理工大學能源與安全學院，安徽　淮南　232001；2.安徽理工大學煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽　淮南　232001)

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基于支架載荷的沖擊危險性分析及防治研究

朱萌萌，成云海，馮飛勝，任禹

(1.安徽理工大學能源與安全學院，安徽淮南232001；2.安徽理工大學煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽淮南232001)

摘要：針對某礦主采3煤層地質條件復雜易引發(fā)沖擊危險的問題，結合3煤層及頂板的弱沖擊傾向性，綜合分析頂板巖層結構，建立老頂初次來壓的力學模型，定性分析沖擊危險性：老頂運動產生的垂直向下的沖擊載荷為916 kN/m，對采場支架及巷道載荷較明顯。著重針對兩個沖擊危險區(qū)域進行鉆屑法及電磁輻射法監(jiān)測，證實工作面過斷層及正?；夭蓵r均存在沖擊危險，并采取卸壓措施。實踐表明：采取深孔爆破卸壓措施后，煤粉量明顯降低，聚集的彈性能得到釋放，動載系數(shù)變小，大大減小了沖擊危險，保證了安全生產。

關鍵詞：沖擊地壓；沖擊載荷；危險區(qū)域；應力集中；動載系數(shù)

國家基金：國家自然科學基金資助項目(51174002、51274008)

煤巖沖擊地壓發(fā)生的本質是煤巖體在高應力下突然失穩(wěn)的過程[1-2]。隨著礦井開采深度的增加及復雜地質條件下煤層的開采，煤柱應力集中引發(fā)的沖擊地壓已成為煤礦安全開采的重大自然災害。

沖擊礦壓是礦山壓力的動力顯現(xiàn)，發(fā)生機理復雜，已具備一體化的預警-防治措施，但涉及的沖擊載荷部分理論并不多。本文討論了在測試主采煤層沖擊傾向性的基礎上，通過建立老頂初次來壓的力學模型，提出用沖擊載荷定性來分析沖擊危險性；針對2315沖擊危險工作面掘進和回采期間存在的沖擊危險區(qū)域實施了深孔卸壓爆破，并利用鉆屑法檢驗治理效果，保證了工作面的安全高效回采。

1開采技術條件

1.1　礦井地質條件

某礦主采煤層為3煤層，厚為6.8 m，傾角為9°～21°，埋深200～900 m。礦井埋深大、孤島工作面多、斷層發(fā)育，易引發(fā)沖擊。主要有兩大采區(qū)：130采區(qū)、230采區(qū)。130采區(qū)區(qū)域范圍屬于-386m水平，埋深260～380 m，構造以高角度的北東向正斷層為主，落差在0～175 m不等；230采區(qū)位于東翼北部F7斷層以北，-500 m軌道大巷以南，埋深220～900 m，斷層發(fā)育且落差較大。

1.2　礦井沖擊條件

在230采區(qū)埋深較大的2313軌道順槽聯(lián)絡巷、2325軌道順槽2個地點采樣，進行沖擊傾向測試。

1) 煤層沖擊傾向性測試。煤層沖擊傾向性分類指標有動態(tài)破壞時間DT、彈性能量指數(shù)WET、沖擊能量指數(shù)KE和單軸抗壓強度RC。

表1　煤樣及煤巖組合試件沖擊傾向性指標

由表1煤樣測試數(shù)據可知，沖擊傾向綜合結果為：3煤層具有弱沖擊傾向性，但煤巖組合試件則表明煤巖體無沖擊傾向性。

2) 頂板巖層沖擊傾向性測試。頂板彎曲能量指數(shù)作為巖層沖擊傾向性指標，反映了單位寬度巖梁達到極限跨度時積蓄的變形能，變形性能越大，積聚的能量越多。2325軌道順槽復合頂板巖層的彎曲能量指數(shù)為81.5 kJ，3煤層頂板屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向的巖層(見表2)。3煤層開采或掘進時，在生產地質條件變化地段(構造、覆巖結構發(fā)生變化、煤層力學性質發(fā)生變化等)開采會導致高應力[3]。

表2　頂板巖層沖擊傾向性指標

2巖層結構及動載分析

2.1　采場巖層結構

采場覆巖運動與采場巖層結構產生和形成密切相關，是影響沖擊性災害發(fā)生的重要因素，通過分析采場巖層結構產生和形成可以定性分析沖擊危險性[4]。

根據關鍵層理論，采場上覆巖層的運動具有一定的組合特征，每一組巖層中的關鍵層控制著該組巖層的變形和破壞。直接頂厚度一般為采高的2～3倍，2325工作面割煤高度H為2.4 m，放煤高度T為4.7 m，平均采放厚度7.1 m，放煤率η按80%計算，則采高h：h=H+Tη=2.4+4.7×0.80=6.16m。

直接頂厚度MZ可用下式估算：

MZ=(H+T-SA-C)/(KA-1)

式中：SA為老頂在觸矸處的沉降量，取0.15 h；KA為冒落巖層的碎脹系數(shù)，取1.3；C為殘煤厚度，取0.96 m，計算可得MZ=17.3 m。結合監(jiān)測結果，直接頂為17.5 m的混合巖層，老頂為厚7.3 m的細砂巖層。

2.2　老頂運動產生的沖擊載荷

老頂初次斷裂后，可看作懸臂巖梁，其運動過程經歷超前煤壁斷裂、旋轉、下沉、回轉。老頂巖梁超前煤壁斷裂；斷裂形成的巖塊旋轉，與上一巖塊擠壓形成平衡結構；最終平衡結構失穩(wěn)，巖塊下沉觸矸，引起工作面來壓。在此基礎上，結合礦壓理論和巖石力學理論，取老頂OX斷裂后處于工作面上方的部分，計算老頂運動過程對支架產生的沖擊載荷，老頂初次來壓的受力模型如圖1所示。

為角速度；L為支架合力作用點至煤壁的距離；R0為頂板運動過程中支架的平均合力，I0=M(L0/2)2/3為梁繞O點的轉動慣量；t為老頂下沉所需的時間，計算得老頂運動產生的沖擊載荷為1 280 kN/m。垂直向下的沖擊載荷為Rv=Rcosα-fsinαMωL0/12t，其中f=0.8為回轉點的摩擦系數(shù)，計算得老頂運動產生的垂直向下的沖擊載荷為916 kN/m，對采場支架及巷道載荷較明顯。

3沖擊危險區(qū)域監(jiān)測

3.1　沖擊危險區(qū)域

沖擊危險的發(fā)生應綜合考慮到各采區(qū)煤厚、采深、頂?shù)装鍘r性、開采條件、構造等因素的影響。煤巖體內儲存的彈性能分布不均勻時，受外界因素影響易失去平衡，發(fā)生沖擊危險[5-6]。針對本礦具體地質條件，分析得沖擊危險位置主要有兩個區(qū)域。

1) 1312工作面(第一危險區(qū)域)。130采區(qū)1312工作面煤層厚度5.3～7.8 m，埋深260～380 m，直接頂以粉砂巖為主，平均厚度2.04 m，次為泥巖，平均厚2.54 m，為不穩(wěn)定～較穩(wěn)定頂板。臨近F3斷層，落差0～80 m，結構較復雜，斷層發(fā)育。

1312工作面為三面孤島工作面，軌道、膠帶順槽均為沿空掘進巷道，沿空側的煤體承受采空區(qū)側向支撐壓力，煤體易破碎，回采期間巷道圍巖又受到工作面超前支承壓力的影響，容易發(fā)生沖擊，需進行沖擊危險監(jiān)測。

2) 2315工作面(第二危險區(qū)域)。2315工作面煤層厚度6.16～9.18 m，埋深780～850 m，為不穩(wěn)定～較穩(wěn)定頂板。且受構造應力威脅明顯(臨近F6斷層(0～130 m))，易出現(xiàn)應力集中，而應力集中是沖擊地壓發(fā)生的必要條件[7-8]，因此對這個典型的工作面動壓危險性評價，對指導230采區(qū)未采工作面安全開采有指導意義。

3.2　鉆屑法監(jiān)測評價沖擊危險性

3煤層厚度約6.8 m，鉆孔深度/煤層厚度取1.5，則煤粉量的鉆孔深度為10 m左右。分別對130采區(qū)1312掘進工作面、230采區(qū)2315綜放工作面及2319掘進工作面斷層處進行煤粉監(jiān)測[9-10]。利用取得的監(jiān)測數(shù)據(見圖2~圖3)，經綜合對比分析，得出兩采區(qū)臨界煤粉量分別為3.35 kg/m、3.57 kg/m。

由圖2可知，1312掘進工作面最大鉆屑量出現(xiàn)在1312上皮帶順槽的斷層附近，數(shù)值在孔深6～7.5 m處達到最大，此時煤粉量為4.7 kg/m，已超過130采區(qū)臨界煤粉量，鉆粉率指數(shù)為1.88，在鉆屑過程中，顆粒明顯變大，故停止鉆進。從煤粉量分析，表明在1312上皮帶順槽的斷層處存在沖擊危險。

由圖3可知，正常情況下2319切眼、2319外上軌順、均高于2313軌道順槽聯(lián)絡巷正常煤粉量，2315軌順煤粉量低于2313軌道順槽聯(lián)絡巷正常煤粉量。2319軌順鉆進時遇巖石，故停止鉆進。2319切眼、2315軌順鉆進時出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，表明此范圍內應力集中。230采區(qū)的煤粉量不大，但各工作面仍有發(fā)生沖擊地壓危險的可能。

3.3　電磁輻射法評價沖擊危險性

電磁輻射是在掘進或回采階段，工作面煤體變形破裂過程中產生的現(xiàn)象。針對2315工作面及兩順槽進行為期2周的電磁輻射監(jiān)測，判斷沖擊危險性(見圖4)。

由圖4可知，軌道順槽電磁輻射強度約為10 mV，膠帶順槽電磁輻射強度約為50 mV，工作面的電磁輻射強度最大。工作面割煤前后電磁輻射強度會有先增大后減小的趨勢。割煤影響下，工作面前方煤體破裂釋放的電磁輻射強度先增大，隨著煤體破裂的結束，電磁輻射強度又減小并趨于穩(wěn)定；軌道順槽電磁輻射強度很小，變化不明顯，脈沖數(shù)基本為0；膠帶順槽電磁輻射強度處于50～100 mV，部分點變化率大，且頂板有煤炮響動。從監(jiān)測數(shù)據分析，工作面電磁輻射強度工作面存在發(fā)生沖擊危險的可能。

4防治措施及動載分析

4.1　深孔爆破

“先解危后開采”是沖擊地壓危險區(qū)開采過程中堅持的原則，基本順序為“監(jiān)測預警→采取防沖措施→防治效果檢驗→危險區(qū)域再治理”，來達到減小沖擊危險目的。解危措施主要有爆破卸壓、鉆孔卸壓、斷頂(底)、煤層注水等方法。

針對3煤層弱沖擊煤層特點，綜合考慮施工難易及卸壓可靠程度，采用深孔爆破卸壓防治理危險區(qū)域。深孔爆破卸壓參數(shù)設定：鉆孔直徑為65 mm，鉆孔深度為22 m，裝藥量為20~25 kg(根據炸藥種類及型號等做具體設計)，封孔長度為7 m。

4.2　卸壓效果

對2315綜放工作面及1312上皮帶順槽的斷層處進行深孔爆破卸壓。爆破后，2315膠順、軌順、1312上皮帶順槽煤粉量明顯降低，由于爆破使煤柱破裂，煤層聚集的彈性能得到提前釋放，鉆屑量在原標準上略微增大，但仍小于爆破前指標值(見圖5)。且煤爆次數(shù)明顯減少，巷道未出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，爆破后巷道無變形，現(xiàn)場爆破切口較平整，未對下次爆破產生影響，爆破對炮孔壁的沖擊力得到緩沖，大大減小了沖擊危險。

4.3　動載分析

對2315工作面進行了礦壓觀測。2315工作面采用F4200/16/26支撐掩護式放頂煤液壓支架，初次來壓期間最大工作阻力為4. 824×107Pa。老頂初次來壓和周期來壓期間支架阻力有所降低，說明來壓時的動載系數(shù)變小，最大為1.29，在正常無構造的覆巖運動下，減小了沖擊危險發(fā)生的可能性。

5小結

1) 通過分析采場巖層結構產生和形成可以定性分析沖擊危險性：老頂運動產生的垂直向下的沖擊載荷為916 kN/m，對采場支架及巷道載荷較明顯。

2) 弱沖擊煤層在一定的開采地質條件、大面積采空區(qū)懸頂?shù)葪l件下，有發(fā)生沖擊地壓的危險，但卻容易被忽視。巷道掘進及工作面回采過程中，

可采取以鉆屑法為主、電磁輻射法為輔的監(jiān)測及爆破卸壓的措施來防治沖擊危險。2315工作面及1312皮順煤粉量在深孔爆破前后有明顯降低，彈性能得到釋放，動載系數(shù)較之前變小，卸壓取得一定效果。

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(責任編輯：何學華，吳曉紅)

Risk Analysis of Rockburst Hazard Based on Support Loading and Its Prevention

ZHU Meng-meng，CHENG Yun-hai，F(xiàn)ENG Fei-sheng，REN Yu

(1.School of Energy and Safety，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001，China;2. Key Laboratory of Safe and Effective Coal Mining (Anhui University of Science and Technology)，Ministry of Education，Huainan Anhui 232001，China)

Abstract:In order to solve hazard of rockburst caused by complicated conditions of No.3 coal seam in the certain mine, considering conditions of No.3 coal seam and small susceptibility to rockburst of its roof, on the basis of comprehensive analysis of roof strata structure the mechanical model of basic roof during the first loading was established to qualitatively analyze rockburst risk. Vertical impact loading on the basic roof during the first loading is 916 kN/m, which has a significant influence on support and roadway. Two rockburst hazard areas were emphatically monitored by using the method of drilling cuttings and the electromagnetic radiation. It was proved that there is a risk of rockburst when the working face crossing faults and normal mining, and the pressure relief measures were taken. The practice showed that after the deep hole blasting, the coal powder is obviously reduced, the accumulation of elastic energy is released, and the dynamic load coefficient becomes small, which greatly reduces the risk of rockburst, ensuring safety in production.

Key words:rockburst；impact loading；danger region；stress concentration；dynamic load coefficient

作者簡介：朱萌萌(1988-)，男，山西晉城人，碩士，研究方向：礦山壓力與巖層運動控制。

收稿日期：2015-01-08

中圖分類號：TD324

文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098(2015)04-0011-05