深部開采沖擊地壓的特征及鉆孔卸壓技術(shù)分析

賀斌

【摘?要】在煤體中合理布置卸壓鉆孔形成弱化帶，破壞煤體的承載結(jié)構(gòu)，引起煤巖體發(fā)生相對滑動，使煤體中應(yīng)力平衡區(qū)范圍顯著增大，極限平衡區(qū)煤體應(yīng)力大大降低，破壞了其發(fā)生沖擊地壓的應(yīng)力條件，同時(shí)卸壓后的煤體對深部煤體和巷道頂?shù)装逯邪l(fā)生的動力顯現(xiàn)起到吸能保護(hù)作用，降低了深部煤巖體失穩(wěn)對巷道表面煤巖體的影響，從而防治沖擊地壓的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】深部開采;沖擊地壓;鉆孔卸壓技術(shù)

前言

隨著采場空間圍巖應(yīng)力分布日趨復(fù)雜，沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生日趨嚴(yán)重。對于局部性的解危措施主要包括煤層卸載爆破、鉆孔卸壓、斷頂爆破等。由于具有施工簡單、對地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，鉆孔卸壓在沖擊地壓防治中得到了廣泛應(yīng)用。

1我國煤炭深部開采沖擊地壓特征

1.1深部開采沖擊地壓發(fā)生時(shí)空特點(diǎn)

我國淺部沖擊地壓主要受堅(jiān)硬頂板影響，特點(diǎn)單一。深部開采沖擊地壓更為復(fù)雜，更為隱蔽，比如從發(fā)生地點(diǎn)來說，我國深部開采沖擊地壓在開拓大巷、采區(qū)巷道、永久硐室、回采工作面、臨空回采巷道、實(shí)體煤回采巷道、掘進(jìn)工作面、掘進(jìn)工作面后方巷道都有發(fā)生;從發(fā)生時(shí)間上來看，有觸發(fā)即時(shí)性沖擊、也有時(shí)滯性沖擊、初采期、末采期沖擊;從顯現(xiàn)特點(diǎn)來看，以底板鼓起為主，伴隨兩幫收縮，頂板下沉。

1.2深部開采沖擊地壓防控難點(diǎn)

近年來，我國煤炭深部開采，尤其是近800m采深的特厚煤層礦井，除了常見的動靜疊加型沖擊地壓外，出現(xiàn)了一些新現(xiàn)象，即純靜載荷自發(fā)型沖擊。此類沖擊地壓發(fā)生區(qū)域往往為巷道基礎(chǔ)靜載荷充足區(qū)域，深部開采沖擊地壓防控難點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）埋深大，由重應(yīng)力、水平應(yīng)力構(gòu)成的基礎(chǔ)靜載荷充足，沖擊地壓發(fā)生門檻降低，防控范圍點(diǎn)多面廣，新建礦井開拓期間大巷就能發(fā)生沖擊。

（2）與淺部相比，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，遠(yuǎn)場高位覆巖結(jié)構(gòu)調(diào)整，近場低位頂板垮斷，都可以提供沖擊動載荷源。

（3）煤層埋深大，傳統(tǒng)卸壓方法，應(yīng)力恢復(fù)快，卸壓時(shí)效短，需要強(qiáng)卸壓、勤卸壓施工，卸壓過程中沖擊地壓傷亡事故頻發(fā)。

（4）受“壓、剪、擠、推”連續(xù)作用，87%巷道底板大變形、沖擊劇烈，成為能量釋放通道，底板沖擊顯現(xiàn)難以解決。

總的來說，我國煤炭深部開采沖擊地壓特征表現(xiàn)為發(fā)生門檻降低，沖擊顯現(xiàn)位置點(diǎn)多面廣，發(fā)生原理隱蔽性、自發(fā)性、時(shí)滯性占比大，防治范圍擴(kuò)大，應(yīng)力恢復(fù)快，高強(qiáng)度、長時(shí)效卸壓要求突出。

1.3我國深部開采沖擊地壓主要類型

（1）深部動靜載疊加型沖擊地壓

深部動靜載疊加型沖擊地壓主要發(fā)生條件是，由于埋深較大，一般超過650m，自重應(yīng)力及水平構(gòu)造應(yīng)力較充足，但是即使在各種局部靜載荷疊加下仍達(dá)不到?jīng)_擊啟動的臨界載荷，在外界小的動載荷擾動下就能導(dǎo)致沖擊地壓顯現(xiàn)。

（2）深部高靜載加載型沖擊地壓

深部高靜載加載型沖擊地壓，加載過程是材料失穩(wěn)，導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)的結(jié)果。其主要特點(diǎn)是，在無外界動載荷參與條件下，采掘巷道圍巖極限平衡區(qū)內(nèi)靜載荷緩慢積聚，而巷道圍巖強(qiáng)度不可避免的劣化，長期強(qiáng)度降低，緩慢積聚的集中靜載荷達(dá)到極限時(shí)，爆發(fā)動力沖擊。

（3）深部高靜載卸荷型沖擊地壓

深部高靜載卸荷型沖擊地壓，卸荷過程是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性遭到破壞，導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)體材料動力失穩(wěn)的結(jié)果。其特點(diǎn)主要是，采場或者巷道本身就處于高應(yīng)力區(qū)域，并且已經(jīng)達(dá)到極限穩(wěn)定狀態(tài)，只是處于三維應(yīng)力狀態(tài)約束環(huán)境，而一旦采動或開挖，造成空洞，能量釋放的最小抵抗帶不足，造成結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)沖擊。

2我國深部開采沖擊地壓新現(xiàn)象與案例

近年來，深部開采，尤其是近800m采深的礦井，除了常見的動靜疊加型沖擊地壓外，出現(xiàn)了一些新現(xiàn)象：

（1）深部掘進(jìn)巷道工作面無前兆性拋出性沖擊，例如：2014年高家堡礦一盤區(qū)輔運(yùn)大巷掘進(jìn)工作面“11·13”沖擊;2014年孟村礦主運(yùn)大巷掘進(jìn)工作面“6·5”沖擊。

（2）深部孤島綜放工作面初采期間，工作面、兩巷整體性沖擊，例如：2015年趙樓礦1305孤島綜放工作面推進(jìn)0.75m，工作面連同兩巷超前支護(hù)段“7·29”整體沖擊事故。

（3）深部掘進(jìn)巷道滯后工作面20～600m發(fā)生無動載源沖擊，例如：2011-11-03，千秋煤礦21221運(yùn)輸巷滯后掘進(jìn)工作面50～450m發(fā)生沖擊地壓;2013-08-05，星村煤礦3302工作面上巷掘進(jìn)工作面后方的已成型巷道內(nèi)發(fā)生了嚴(yán)重的沖擊事故，損壞巷道達(dá)150m;2018-10-20，龍鄆煤業(yè)1303工作面泄水巷與3號聯(lián)絡(luò)巷貫通掘進(jìn)發(fā)生沖擊地壓，造成掘進(jìn)工作面后方348m巷道不同程度破壞。

（4）深部盤（采）區(qū)在用大巷發(fā)生無動載源沖擊，例如：2017年高家堡煤礦一盤區(qū)3條在用大巷春節(jié)停產(chǎn)期間“2·3”沖擊;2016年梁寶寺煤礦采區(qū)集中軌道巷和軌道巷交叉口處“8·15”沖擊，周圍沒有采掘活動。

（5）深部回采工作面超前300m以遠(yuǎn)也發(fā)生無動載源沖擊，例如：2009—2013年千秋煤礦21141綜放工作面運(yùn)輸巷超前工作面600～900m段多次沖擊。

3鉆孔卸壓防沖機(jī)理分析

3.1巷道煤體沖擊地壓發(fā)生機(jī)制

高應(yīng)力水平是煤巖體發(fā)生沖擊地壓的必要條件，其在動力擾動作用下極易發(fā)生非穩(wěn)定性失穩(wěn)，從而誘發(fā)沖擊地壓。巷道開挖或者工作面煤體采出后，引起煤巖體應(yīng)力重新分布，巷幫表面煤體發(fā)生破壞，并擴(kuò)展至彈性應(yīng)力邊界，形成一定程度的應(yīng)力集中。

3.2鉆孔卸壓防沖機(jī)理

由于孔邊應(yīng)力集中的作用，鉆孔周圍一定范圍內(nèi)的煤體應(yīng)力大大降低形成卸壓區(qū)，當(dāng)在煤體中合理布置卸壓鉆孔，使各鉆孔卸壓區(qū)之間相互連接、貫通，形成一條弱化帶，其破壞了煤體的承載結(jié)構(gòu)，使煤體在頂?shù)装鍘r層夾持作用下發(fā)生相對滑動，煤體與巖層的界面內(nèi)摩擦角及粘聚力隨之大大下降，煤體中應(yīng)力平衡區(qū)范圍顯著增大，由此來盡可能避免沖擊地壓的發(fā)生。

結(jié)束語

總之，鉆孔卸壓使煤柱淺部煤體應(yīng)力大大下降，并將應(yīng)力峰值區(qū)域轉(zhuǎn)移到煤柱深部，破壞煤巖沖擊地壓的應(yīng)力狀態(tài)，從而防止煤巖沖擊地壓的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]齊慶新，歐陽振華，趙善坤，等.我國沖擊地壓礦井類型及防治方法研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42（10）：1-5.

（作者單位：山西省陽泉市陽煤集團(tuán)五礦）