厚硬頂板工作面采動(dòng)影響下巷道群區(qū)域防沖卸壓技術(shù)研究

竇桂東， 賈增林， 高永剛， 張營

(1.陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司， 陜西 咸陽 713500；2.中煤科工開采研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

隨著我國煤礦開采深度及開采強(qiáng)度不斷增加，沖擊地壓災(zāi)害日益嚴(yán)重，已成為煤礦開采面臨的主要?jiǎng)恿?zāi)害之一[1-2]，嚴(yán)重制約煤炭資源的合理開發(fā)與利用。

多年來，我國在沖擊地壓理論研究領(lǐng)域成果豐碩，相繼提出了沖擊地壓“三準(zhǔn)則”[3]、“三因素”[4-5]、“弱化減沖”[6-7]、“沖擊啟動(dòng)”[8-9]等理論。因煤礦地質(zhì)及開采技術(shù)條件的差異性，基于沖擊地壓理論指導(dǎo)的防沖實(shí)踐研究與應(yīng)用不盡相同。竇林名等[10]通過研究頂板預(yù)裂爆破防沖作用機(jī)制，結(jié)合沖擊危險(xiǎn)的分時(shí)、分區(qū)和分級(jí)特征，將分時(shí)、分區(qū)、分級(jí)頂板預(yù)裂爆破防沖技術(shù)應(yīng)用于堅(jiān)硬頂板型沖擊地壓防治工程實(shí)踐。潘一山[11]研究分析了沖擊地壓擾動(dòng)響應(yīng)失穩(wěn)的機(jī)理及條件，從煤巖體變形系統(tǒng)控制量、擾動(dòng)量和響應(yīng)量角度對(duì)沖擊地壓的監(jiān)測和防治進(jìn)行了闡述。潘俊鋒等[12]通過分析巷道沖擊啟動(dòng)機(jī)制，采用數(shù)值模擬方法研究了巷道應(yīng)力集中區(qū)的爆破效應(yīng)，提出了基于沖擊啟動(dòng)理論的深孔區(qū)間爆破疏壓技術(shù)。以上研究與實(shí)踐在一定程度上對(duì)沖擊地壓防治具有指導(dǎo)與借鑒意義，但受礦井不同地質(zhì)及開采條件的動(dòng)態(tài)、疊加變化影響，沖擊地壓發(fā)生機(jī)理具有復(fù)雜與多樣性，因此沒有絕對(duì)成熟的防沖技術(shù)直接用于參考與借鑒。

受沖擊地壓災(zāi)害威脅的礦井，在特殊地質(zhì)與開采技術(shù)條件影響下，工作面附近的巷道群區(qū)域往往處于高應(yīng)力環(huán)境，具有較高的沖擊危險(xiǎn)性。例如陜西彬長礦區(qū)沖擊地壓礦井工作面頂板具有厚層堅(jiān)硬特性，工作面大多設(shè)計(jì)為“一面三巷”或“一面多巷”(包括運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、專用泄水巷、高抽巷等回采巷道)布置方式，且與工作面相連的多條盤區(qū)準(zhǔn)備巷道及開拓巷道大多布置在煤層中，因此，工作面及附近區(qū)域的回采巷道、聯(lián)絡(luò)巷、硐室及大巷布置較為集中，形成巷道群。工作面在回采末期往往對(duì)附近的巷道群產(chǎn)生采動(dòng)影響，造成巷道群區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性升高。本文以陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司(以下稱小莊煤礦)為工程背景，結(jié)合該礦40309回采工作面地質(zhì)及開采技術(shù)條件，分析厚層堅(jiān)硬頂板條件下工作面回采末期巷道群區(qū)域沖擊地壓影響因素及沖擊危險(xiǎn)性，研究適合該礦工作面回采末期巷道群區(qū)域防沖卸壓手段，為工作面及礦井安全生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件，為同類型礦井的沖擊地壓防治提供有益借鑒。

1 工程背景

小莊煤礦位于陜西彬長礦區(qū)中部，與礦區(qū)內(nèi)孟村、胡家河、文家坡、亭南礦井相鄰，井田面積為45.82 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為6.0×106t/a，服務(wù)年限為67.28 a。煤礦開采4煤層，平均厚度為18.01 m，屬特厚煤層。經(jīng)鑒定4煤層及其頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性，經(jīng)評(píng)價(jià)該煤層具有中等沖擊危險(xiǎn)。40309工作面為礦井回采的第5個(gè)工作面，于2021年3月回采結(jié)束。40309工作面傾向長度為195 m，走向長度為2 824 m，采用后退式走向長壁綜合機(jī)械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。工作面共布置膠帶運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、泄水巷、高抽巷4條回采巷道，通過聯(lián)絡(luò)巷與中央大巷聯(lián)通，如圖1所示。工作面附近布置有中央1號(hào)回風(fēng)大巷、中央進(jìn)風(fēng)大巷、中央輔助運(yùn)輸大巷、中央膠帶運(yùn)輸大巷、中央2號(hào)回風(fēng)大巷共5條大巷，均布置在煤層中，留設(shè)大巷保護(hù)煤柱150 m。

圖1 40309工作面平面Fig.1 40309 working face plane

40309工作面設(shè)計(jì)開采4煤層，煤層厚度為19～28 m，傾角為0～5°，埋深為531～731 m。直接頂為粉砂巖、細(xì)砂巖、薄層泥巖，穩(wěn)定性較差，厚度為3～9 m；基本頂為粗砂巖，厚度為10～34 m，單軸抗壓強(qiáng)度為58.3 MPa，屬中等穩(wěn)定性巖體；底板為鋁質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，遇水易膨脹，穩(wěn)定性較差，厚度為7～10 m。40309工作面頂?shù)装鍘r層柱狀圖如圖2所示。

圖2 40309工作面頂?shù)装鍘r層柱狀圖Fig.2 Histogram of roof and floor strata of 40309 working face

礦井在已回采的4個(gè)工作面處于回采末期，受厚層堅(jiān)硬頂板、巷道布置集中、采掘擾動(dòng)等因素影響，當(dāng)工作面終采線距離外圍聯(lián)絡(luò)巷、硐室及中央大巷等巷道群區(qū)域150 m時(shí)應(yīng)力較為集中，巷道出現(xiàn)變形、底鼓，“煤炮”現(xiàn)象頻繁，需采取防沖卸壓措施，對(duì)工作面外圍巷道群區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。

2 沖擊地壓監(jiān)測分析

2.1 微震監(jiān)測分析

采用ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測40309工作面及附近區(qū)域微震情況。在中央進(jìn)風(fēng)大巷及東部輔助運(yùn)輸大巷布置3臺(tái)微震拾震器，在40309回風(fēng)巷及40307回風(fēng)巷布置3臺(tái)微震傳感器，組成微震臺(tái)網(wǎng)對(duì)40309工作面及附近巷道群區(qū)域進(jìn)行微震監(jiān)測，如圖1所示。40309工作面回采末期微震事件平面投影如圖3所示。采用固定工作面方法[13]繪制40309工作面回采末期沿工作面走向的微震頻次、能量分布，如圖4所示。可看出40309工作面回采末期微震頻次、能量主要分布在工作面后方約100 m、工作面前方約180 m范圍內(nèi)；工作面超前區(qū)域微震事件集中在工作面前方0～180 m范圍，最遠(yuǎn)影響范圍達(dá)到工作面前方300 m，已影響至工作面附近聯(lián)絡(luò)巷、硐室及中央大巷區(qū)域，且工作面超前微震分布峰值范圍為工作面前方80～120 m，該區(qū)域?yàn)楣ぷ髅娉皯?yīng)力集中區(qū)域；在150 m寬度的大巷保護(hù)煤柱條件下，工作面回采至終采區(qū)域時(shí)，在工作面附近聯(lián)絡(luò)巷、硐室及中央大巷形成應(yīng)力集中區(qū)。

圖3 微震事件平面投影Fig.3 Plane projection of microseismic events

圖4 微震頻次、能量分布Fig.4 Microseismic frequency and energy distribution

2.2 地音監(jiān)測分析

在40309工作面靠近聯(lián)絡(luò)巷、硐室及中央大巷區(qū)域布置2個(gè)地音傳感器(編號(hào)為2，3)。在工作面回采末期，2個(gè)地音傳感器監(jiān)測能量、頻次較正?；夭善陂g均上升，地音監(jiān)測危險(xiǎn)等級(jí)分布如圖5所示。可看出a—d級(jí)分別有86，42，43，15次。a級(jí)和b級(jí)次數(shù)占總評(píng)價(jià)班次的68.8%，c級(jí)和d級(jí)次數(shù)占31.2%。與工作面正?；夭善陂g相比，c級(jí)和d級(jí)占比增加24.7%，表明在工作面回采末期，聯(lián)絡(luò)巷、硐室及中央大巷區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性升高。

圖5 地音監(jiān)測危險(xiǎn)等級(jí)分布Fig.5 Hazard level distribution of ground sound monitoring

2.3 應(yīng)力監(jiān)測分析

40309工作面回采末期，在靠近聯(lián)絡(luò)巷、硐室及中央大巷區(qū)域布置2個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)(編號(hào)為170，171)。隨著工作面回采，2個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測值呈逐漸增大趨勢，如圖6所示?？煽闯?70號(hào)鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測值由9 MPa增大至10.7 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)2.37；171號(hào)鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測值由8 MPa增大至9.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)2.13。這表明在工作面回采末期，工作面外圍聯(lián)絡(luò)巷、硐室及中央大巷區(qū)域受采動(dòng)影響，應(yīng)力水平持續(xù)升高。

圖6 應(yīng)力監(jiān)測曲線Fig.6 Stress monitoring curves

通過對(duì)40309工作面回采末期沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，在工作面回采末期，外圍聯(lián)絡(luò)巷、硐室及中央大巷已處在工作面采動(dòng)影響范圍內(nèi)，且受采動(dòng)影響，沖擊危險(xiǎn)性持續(xù)升高。

3 沖擊危險(xiǎn)原因分析

結(jié)合40309工作面回采末期地質(zhì)及開采技術(shù)條件對(duì)沖擊影響因素進(jìn)行分析。40309工作面回采末期巷道群區(qū)域沖擊地壓發(fā)生機(jī)制如圖7所示。工作面煤層基本頂為厚層堅(jiān)硬粗砂巖頂板，在開采過程中難以及時(shí)垮落而形成懸頂，工作面外圍聯(lián)絡(luò)巷、硐室及中央大巷均布置在煤層中，巷道布置集中且存在多處巷道交岔口、立交區(qū)域，導(dǎo)致巷道群應(yīng)力集中。在40309工作面回采末期，煤層上覆堅(jiān)硬頂板未及時(shí)垮落，造成懸頂而儲(chǔ)存較高的彎曲彈性能，傳遞至工作面前方煤體造成工作面超前支承應(yīng)力集中。工作面超前支承應(yīng)力與巷道群應(yīng)力相互疊加，導(dǎo)致工作面回采末期外圍聯(lián)絡(luò)巷、硐室及中央大巷區(qū)域集中靜載荷大量積聚。上覆巖層一旦達(dá)到極限垮距破斷，將產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)載，傳遞至巷道群區(qū)域與集中靜載荷進(jìn)一步疊加，當(dāng)動(dòng)靜載荷疊加值大于煤巖體最小沖擊載荷時(shí)，將導(dǎo)致工作面巷道群區(qū)域發(fā)生沖擊顯現(xiàn)，沖擊危險(xiǎn)性較高。因此在工作面回采末期，主要針對(duì)上述區(qū)域采取有效的防沖卸壓措施，降低沖擊危險(xiǎn)性。

4 防沖卸壓方案制定

根據(jù)沖擊地壓動(dòng)靜載疊加原理[14-15]，沖擊地壓防治要從降低采掘圍巖靜載荷水平和礦震誘發(fā)的動(dòng)載荷強(qiáng)度角度出發(fā)[16-18]。大量研究表明，預(yù)裂爆破法可降低煤巖體動(dòng)靜載荷積聚，從而避免沖擊地壓危害[19-20]。在頂板巖層中實(shí)施預(yù)裂爆破后，巖體破裂破壞了頂板巖層的完整性及連續(xù)性，降低了頂板巖層的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，一方面能夠減弱頂板巖層儲(chǔ)存彎曲彈性能的能力，降低頂板巖層破斷垮落時(shí)誘發(fā)的動(dòng)載強(qiáng)度，另一方面可減小周圍煤體的靜載強(qiáng)度，削弱工作面超前集中應(yīng)力傳遞，使煤體內(nèi)應(yīng)力峰值、應(yīng)力集中程度及范圍降低。

針對(duì)40309工作面整體上采用“分區(qū)分源”防沖卸壓方案，頂板預(yù)裂爆破位置如圖8所示。在40309運(yùn)輸巷采用深孔頂板預(yù)裂爆破方案，消除40309運(yùn)輸巷及附近巷道群區(qū)域因厚硬頂板產(chǎn)生的集中動(dòng)靜載荷源；在40309運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷終采區(qū)域，采用超深孔頂板預(yù)裂爆破方案，消除40309工作面厚硬頂板集中動(dòng)靜載荷源；在中央1號(hào)回風(fēng)大巷采取深孔頂板預(yù)裂爆破方案，使40309工作面終采區(qū)域與中央大巷巷道群區(qū)域之間的厚硬頂板形成破裂裂隙，削弱40309工作面附近中央大巷區(qū)域厚硬頂板的連續(xù)性結(jié)構(gòu)，減弱工作面超前集中應(yīng)力傳遞，降低中央大巷區(qū)域的應(yīng)力集中水平。

圖8 頂板預(yù)裂爆破位置Fig.8 Roof presplitting blasting position

4.1 40309運(yùn)輸巷深孔頂板預(yù)裂爆破方案

通過預(yù)裂爆破降低40309工作面回采末期厚硬頂板破斷釋放的強(qiáng)烈動(dòng)載、超前支承應(yīng)力及側(cè)向支承應(yīng)力，削弱40309運(yùn)輸巷超前影響區(qū)域及40309機(jī)電硐室、40307泄水巷、40307回風(fēng)巷及聯(lián)絡(luò)巷等巷道密集區(qū)域的動(dòng)靜載疊加影響，降低上述區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性。頂板預(yù)裂爆破孔采用交叉扇形孔布置，每組5個(gè)，其中沿工作面傾向布置3個(gè)，沿工作面走向布置2個(gè)，如圖9所示。根據(jù)40309工作面鉆孔柱狀圖及巷道高程，設(shè)計(jì)頂板預(yù)裂爆破層位為煤層上覆基本頂粗砂巖，因此設(shè)計(jì)頂板預(yù)裂爆破孔垂深為43 m，裝藥段垂深為24 m，封孔段垂深為19 m。深孔頂板預(yù)裂爆破孔技術(shù)參數(shù)見表1。

圖9 40309運(yùn)輸巷深孔頂板預(yù)裂爆破孔布置Fig.9 Layout of roof presplitting blasting holes in 40309 transport roadway

表1 40309運(yùn)輸巷深孔頂板預(yù)裂爆破孔技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of roof presplitting blasting holes in 40309 transport roadway

4.2 終采區(qū)域超深孔頂板預(yù)裂爆破方案

通過采取超深孔頂板預(yù)裂爆破措施，對(duì)40309工作面終采區(qū)域上覆堅(jiān)硬頂板進(jìn)行整體預(yù)裂，降低對(duì)工作面附近中央大巷區(qū)域的動(dòng)載影響。在40309運(yùn)輸巷、40309回風(fēng)巷終采區(qū)域施工2個(gè)超深頂板預(yù)裂爆破孔(編號(hào)為6,7)，施工范圍為設(shè)計(jì)終采線前后各40 m，如圖10所示。根據(jù)40309工作面鉆孔柱狀圖及巷道高程，設(shè)計(jì)頂板預(yù)裂爆破層位為煤層上覆基本頂粗砂巖，因此設(shè)計(jì)頂板預(yù)裂爆破孔垂深為43 m，裝藥段垂深為24 m，封孔段垂深為19 m。結(jié)合現(xiàn)場施工環(huán)境、鉆機(jī)及機(jī)具、礦用炸藥特性參數(shù)設(shè)計(jì)合理的爆破孔技術(shù)參數(shù)，具體見表2。

圖10 40309運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷終采區(qū)域頂板預(yù)裂爆破孔布置Fig.10 Layout of roof presplitting blasting holes in mining-stop areas of 40309 transport roadway and return airway

表2 40309運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷終采區(qū)域頂板預(yù)裂爆破孔技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of roof presplitting blasting holes in mining-stop areas of 40309 transport roadway and return airway

4.3 中央1號(hào)回風(fēng)大巷深孔頂板預(yù)裂爆破方案

在中央1號(hào)回風(fēng)大巷采用深孔頂板預(yù)裂爆破方案，降低中央大巷巷道集中區(qū)域因40309工作面超前集中應(yīng)力與巷道集中應(yīng)力相互疊加產(chǎn)生的高集中應(yīng)力，降低集中靜載荷積聚，增強(qiáng)大巷保護(hù)煤柱、巷間煤柱的穩(wěn)定性及承載能力，避免因高集中應(yīng)力導(dǎo)致巷道支護(hù)失效或破壞，提高巷道支護(hù)體的抗沖擊能力，降低中央大巷巷道集中區(qū)的沖擊危險(xiǎn)性。為避免頂板預(yù)裂爆破對(duì)周圍巷道產(chǎn)生影響，朝向40309工作面方向布置1個(gè)頂板預(yù)裂爆破孔(編號(hào)為8)，如圖11所示。根據(jù)中央大巷區(qū)域鉆孔柱狀圖，頂板巖層爆破層位為煤層直接頂以上的基本頂砂巖層，設(shè)計(jì)頂板預(yù)裂爆破孔垂深為52 m，裝藥段垂深為34 m，封孔段垂深為18 m。深孔頂板預(yù)裂爆破孔技術(shù)參數(shù)見表3。

圖11 中央1號(hào)回風(fēng)大巷深孔頂板預(yù)裂爆破孔布置Fig.11 Layout of roof presplitting blasting hole in central No.1 return airway

表3 中央1號(hào)回風(fēng)大巷深孔頂板預(yù)裂爆破孔技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of roof presplitting blasting hole in central No.1 return airway

5 效果驗(yàn)證

采取上述防沖卸壓方案后，40309工作面微震頻次較之前降低了5 192，降幅達(dá)55%，微震能量降低了1.40×107J，降幅達(dá)60%，如圖12所示，其中3次方微震事件能量、頻次大幅降低，主要為2次方及以下小能量微震事件；2號(hào)、3號(hào)地音通道監(jiān)測危險(xiǎn)等級(jí)中，a—d級(jí)分別有121，32，9，5次，a級(jí)和b級(jí)次數(shù)占總評(píng)價(jià)班次的91.6%，c級(jí)和d級(jí)次數(shù)占8.4%，c級(jí)和d級(jí)占比較之前降低22.8%；170號(hào)、171號(hào)鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測值分別降低至6.7，5.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別降低至1.49，1.24；在40309工作面回采末期及終采后，工作面及附近硐室、聯(lián)絡(luò)巷、中央大巷區(qū)域巷道無底鼓、變形及動(dòng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象。

圖12 采取防沖卸壓方案前后微震頻次、能量分布Fig.12 Microseismic frequency and energy distribution before and after adopting the anti-burst and pressure relief scheme

6 結(jié)論

(1) 由40309工作面回采末期沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，工作面回采末期外圍聯(lián)絡(luò)巷、硐室及中央大巷受采動(dòng)影響，沖擊危險(xiǎn)性持續(xù)升高。

(2) 結(jié)合40309工作面回采末期地質(zhì)及開采技術(shù)條件對(duì)沖擊地壓影響因素進(jìn)行分析，確定煤層上覆厚硬頂板及巷道集中布置等為工作面回采末期沖擊地壓主要影響因素，工作面外圍聯(lián)絡(luò)巷、硐室及中央大巷等巷道布置集中區(qū)域?yàn)橹饕獩_擊危險(xiǎn)區(qū)。

(3) 根據(jù)沖擊地壓主要影響因素及危險(xiǎn)區(qū)域，針對(duì)性地采取深孔、超深孔頂板預(yù)裂爆破防沖卸壓方案，并設(shè)計(jì)了合理的卸壓參數(shù)。

(4) 實(shí)施深孔、超深孔頂板預(yù)裂爆破防沖卸壓方案后，微震、地音及應(yīng)力監(jiān)測值大幅降低，工作面及附近硐室、聯(lián)絡(luò)巷、中央大巷區(qū)域巷道無變形及動(dòng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，防沖效果良好。