深部高應(yīng)力不規(guī)則煤柱區(qū)大巷沖擊地壓發(fā)生機(jī)理及防控技術(shù)

解文豪

(安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

研究表明，沖擊地壓的發(fā)生與煤巖體的力學(xué)性質(zhì)以及煤巖體所承受的靜載荷和動載荷等因素有關(guān)[1]。隨著近年來逐漸步入深部開采，巷道圍巖往往承受較高基礎(chǔ)靜載荷，具備了誘發(fā)沖擊地壓的高靜載條件，輕微的動載擾動就可能達(dá)到巷道圍巖強(qiáng)度極限引起沖擊地壓。例如2017 年崔木煤礦北翼盤區(qū)大巷“2·16”、“2·20”沖擊，累計破壞巷道120 m[2]。

針對深部高應(yīng)力煤柱沖擊地壓防治問題，竇林名等[3]對孤島工作面及其周圍巷道沖擊地壓危險進(jìn)行了預(yù)測，并提出了監(jiān)測及控制措施；王四巍等[4]研究了動靜荷載聯(lián)合作用下巷道的響應(yīng)規(guī)律，得到了巷道沖擊地壓災(zāi)害是動靜荷載聯(lián)合作用的結(jié)果；潘俊鋒等[5]研究了深部礦井巷道沖擊地壓動靜載分源防治理論與技術(shù)，得到誘發(fā)深部巷道沖擊地壓動靜載荷疊和純靜載疊加兩種途徑；李振雷等[6]利用微震監(jiān)測及現(xiàn)場沖擊記錄，得出孤島煤柱中高靜載應(yīng)力是沖擊頻發(fā)的主要原因。

本文以高家堡煤礦2017 年2 月3 日春節(jié)停產(chǎn)期間一盤區(qū)大巷沖擊為研究背景，從深部高應(yīng)力煤柱高靜載低擾動角度進(jìn)行分析，結(jié)合大巷覆巖空間結(jié)構(gòu)變化情況及現(xiàn)場收集微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析一盤區(qū)大巷誘沖機(jī)制，制定大巷圍巖強(qiáng)度弱化方案，達(dá)到減少大巷沖擊地壓發(fā)生的目的。

1 工程背景及微震監(jiān)測

1.1 工程背景

高家堡一盤區(qū)開采煤層為4 煤層，埋深在800～1000m 之間，盤區(qū)共布置4 個工作面。二盤區(qū)可采煤層為4 煤層，賦存深度在850～1000m 之間，盤區(qū)共布置5 個工作面。一盤區(qū)大巷位于一、二盤區(qū)之間，隨著兩側(cè)采空，一盤區(qū)大巷所在煤柱形成不規(guī)則煤柱結(jié)構(gòu)，發(fā)生沖擊當(dāng)月微震事件如圖1 所示。

圖1 微震事件平面分布圖

1.2 微震時空強(qiáng)分布特征

101 工作面回采至停采線時，煤柱呈“F”空間結(jié)構(gòu)，伴隨著201 工作面的回采，在101 工作面和201 工作面之間形成了一個480m 煤柱，此時煤柱呈非對稱“T”型空間結(jié)構(gòu)，一盤區(qū)側(cè)為“T”型長臂側(cè)，回采至203 工作面時，二盤區(qū)側(cè)成為“T”型長臂側(cè)。圖2 所示為一盤區(qū)側(cè)為“T”型長臂側(cè)時微震剖面時空演化規(guī)律，圖3 所示為二盤區(qū)側(cè)為“T”型長臂側(cè)時微震剖面時空演化規(guī)律。

圖2 一盤區(qū)側(cè)為“T”長臂側(cè)時104J 及以上微震分布圖

圖3 二盤區(qū)側(cè)為“T”長臂側(cè)時104J 及以上微震分布圖

從圖2 中可以看出，當(dāng)202 工作面回采結(jié)束時，靠近一盤區(qū)側(cè)的煤柱相比靠近二盤區(qū)側(cè)的煤柱有更多104J及以上大能量分布，一盤區(qū)的開采活動對煤柱造成的影響更大，由于此時不規(guī)則煤柱一盤區(qū)側(cè)為“T”結(jié)構(gòu)長臂側(cè)，煤柱一盤區(qū)側(cè)支承壓力更高，表明微震能量事件的分布與支承壓力強(qiáng)度有一定聯(lián)系；從圖3 中可以看出，隨著不規(guī)則煤柱兩側(cè)工作面回采，在203、204、205 工作面回采期間，此時煤柱二盤區(qū)側(cè)成為“T”結(jié)構(gòu)長臂側(cè)，104J 及以上大能量事件多集中在煤柱二盤區(qū)側(cè)。對圖2和圖3 進(jìn)行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著采空區(qū)面積的增加，104J 及以上大能量事件逐漸由不規(guī)則煤柱兩側(cè)向中間移動，縱向上分布也從頂?shù)装迳舷?0m 范圍向煤層上覆300m 巖層和底板70m 巖層范圍發(fā)展，表明煤柱及其上覆巖層在工作面回采過程中不斷受動靜載疊加影響，其完整性出現(xiàn)一定程度破壞，并且隨著采空區(qū)面積增加，導(dǎo)致不規(guī)則煤柱支承壓力的增加，應(yīng)力峰值向煤層深處移動，應(yīng)力影響范圍增加。

2 高應(yīng)力煤柱力能分析

2.1 煤柱應(yīng)力分布特征

煤柱應(yīng)力分布情況隨著煤柱寬度留設(shè)尺寸B、回采引起的支承壓力影響范圍L 而變化。如圖1 中所示，微震能量事件集中分布在工作面煤壁前方100m 處，認(rèn)為工作面在正常回采過程中超前支承壓力影響范圍約為100m，一盤區(qū)大巷所在不規(guī)則煤柱最小寬度約為480m，因此煤柱應(yīng)力呈“雙峰形”分布，煤柱深處應(yīng)力處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，如圖4 所示。

圖4 煤柱支承壓力示意圖

2.2 動靜載疊加原理

煤巖體承受的靜載荷與礦震引起的動載荷疊加，超過煤巖體強(qiáng)度極限時，將導(dǎo)致煤巖體發(fā)生破壞，誘發(fā)沖擊地壓，沖擊地壓的發(fā)生需要滿足如下條件

式中：σs為煤巖體中的靜載荷，σd為礦震誘發(fā)的動載荷，[ σ]為誘發(fā)沖擊地壓的臨界應(yīng)力。

由于一、二盤區(qū)回采活動的進(jìn)行，煤柱兩側(cè)采空區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，上覆巖層施加給煤柱的應(yīng)力不斷增加，導(dǎo)致煤柱上支承壓力峰值向煤柱深處移動，直到煤體三軸抗壓強(qiáng)度與靜載荷和常規(guī)動載荷疊加大小相等處為止，煤柱的支承壓力影響范圍增加。此時煤柱支承壓力曲線由“雙峰形”向“馬鞍形”過度，煤柱中部應(yīng)力增加，此時較低的動載擾動就會達(dá)到大巷圍巖強(qiáng)度極限，進(jìn)而誘發(fā)沖擊地壓。

2.3 深部大巷圍巖失穩(wěn)能量判斷準(zhǔn)則

一盤區(qū)大巷圍巖在動靜載疊加作用下達(dá)到強(qiáng)度極限時，平衡狀態(tài)被打破并釋放大量能量，圍巖系統(tǒng)內(nèi)儲存的彈性變形能Us以及動載荷產(chǎn)生的能量Ud開始釋放，在不考慮摩擦熱能和輻射能等其他能量的前提下，釋放的能量一部分用于破碎大巷周圍煤巖體耗散（Uk），一部分作為彈性余能（Un）留在大巷圍巖系統(tǒng)內(nèi)。

根據(jù)最小能量原理，煤巖體破壞消耗的能量為

式中：σc為煤巖體的單向抗壓強(qiáng)度；E 為煤巖體的彈性模量。

廣義虎克定理三向受力狀態(tài)下的煤體彈性變形能計算公式為

式中：E為彈性模量； μ為泊松比；σ1為第一主應(yīng)力；σ2為第二主應(yīng)力；σ3為第三主應(yīng)力。

頂板斷裂彈性能傳遞至煤壁極限平衡區(qū)的能量Ud由下式計算

式中：Ud0為頂板斷裂時釋放的初始能量；R為頂板斷裂位置與煤壁極限平衡區(qū)的距離；η 為煤巖介質(zhì)中彈性波傳播時的能量衰減指數(shù)。

根據(jù)能量理論，煤巖體破壞時所釋放的能量應(yīng)大于其破壞所消耗的各種能量，將誘發(fā)沖擊地壓，故大巷圍巖發(fā)生沖擊地壓能量準(zhǔn)則為:

3 不規(guī)則煤柱區(qū)大巷沖擊地壓防治

3.1 卸壓方案

首先對大巷采取大直徑鉆孔卸壓，幫部卸壓孔垂直于幫部，鉆孔深度30m，直徑150mm，孔間距0.8m，距底板高1.2～1.6m；底板卸壓孔垂直于巷幫走向，鉆孔傾角-45°，孔間距1.0m，鉆孔深度見巖。若仍然存在應(yīng)力集中情況，則在鉆孔卸壓的基礎(chǔ)上采取爆破卸壓。首先采取幫部爆破卸壓，爆破孔垂直巷幫布置，孔高1.2～1.6m，孔間距5m，垂直深度超過15m，鉆孔直徑44mm；卸壓效果不明顯時，繼續(xù)采取底板爆破卸壓，爆破孔每隔5m 布置一排，每排均勻分布4 個底板爆破孔，孔徑75 mm，兩側(cè)鉆孔以-45°傾角布置，孔深至見巖12m 處，中間兩鉆孔垂直底板布置，孔深至底板見巖10m 處；采用幫部底板爆破卸壓后卸壓效果依舊不明顯時，則需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步采取頂板爆破卸壓，爆破孔在大巷肩窩處開孔，每5m 布置一個鉆孔，直徑75mm，鉆孔傾角60°，鉆孔深度50m。

3.2 卸壓效果檢驗

圖5 為一盤區(qū)大巷卸壓前后102J 及以上微震能量分布情況。卸壓后的104J 及以上大能量事件分布比卸壓之前分布較為分散，不再聚集在大巷周圍。卸壓后大巷附近105J 及以上大能量事件出現(xiàn)頻次相比較卸壓之前下降了50%，104J～105J 能量事件出現(xiàn)頻次相比卸壓前降低了約38%，102J～104J 能量事件出現(xiàn)頻次無明顯變化，說明采區(qū)的卸壓方案一定程度上釋放了煤巖體內(nèi)儲存的能量，降低了大巷圍巖應(yīng)力集中情況。

圖5 卸壓前后102J 及以上微震能量分布情況

4 結(jié)論

4.1 根據(jù)一盤區(qū)大巷的微震能量事件分布情況及大巷覆巖空間結(jié)構(gòu)，微震大能量事件多集中在不規(guī)則煤柱“T”結(jié)構(gòu)長臂側(cè)，隨著采空區(qū)面積增加，微震能量逐漸向煤層深處推進(jìn)，縱向上分布也從頂?shù)装迳舷?0m 范圍向煤層上覆300m巖層和底板70m 巖層范圍發(fā)展。

4.2 隨著不規(guī)則煤柱兩側(cè)回采活動的進(jìn)行，支承壓力峰值不斷向煤柱中間移動，一盤區(qū)大巷圍巖承受靜載荷逐漸升高，遠(yuǎn)場低動載與其疊加達(dá)到極限強(qiáng)度，煤巖體破壞啟動，當(dāng)大巷圍巖中儲存的能量達(dá)到煤巖體破壞消耗的最小能量時，誘發(fā)沖擊地壓。

4.3 通過微震監(jiān)測系統(tǒng)對一盤區(qū)大巷區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，對出現(xiàn)微震大能量事件區(qū)域進(jìn)行大直徑鉆孔卸壓，并根據(jù)現(xiàn)場情況對卸壓鉆孔的布置進(jìn)行優(yōu)化，若卸壓效果未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則在原有基礎(chǔ)上采用爆破卸壓，經(jīng)現(xiàn)場實踐該卸壓方案效果良好。