深埋藏厚煤層沿空掘進(jìn)礦壓顯現(xiàn)研究

李繼蘇

（山西馬堡煤業(yè)有限公司， 山西 武鄉(xiāng) 046300）

隨著開采深度不斷增大，煤層賦存條件日益復(fù)雜，礦山壓力顯現(xiàn)成為制約煤礦安全生產(chǎn)的重要因素，礦壓顯現(xiàn)明顯的巷道，巷道變形頂板下沉，底板及幫部鼓起，治理不到位，往往會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)工作面施工困難，甚至發(fā)生頂板、沖擊地壓事故，礦山壓力發(fā)生機(jī)理較為復(fù)雜，但經(jīng)過多年研究摸索，我國在礦壓發(fā)生原理及控制技術(shù)方面，已取得了較多成就。礦壓顯現(xiàn)究其根本是井巷周圍煤巖體所受壓力的顯現(xiàn)，其載荷來源主要有原巖應(yīng)力，構(gòu)造應(yīng)力及上覆巖層自重產(chǎn)生的重力載荷，通過有效監(jiān)測(cè)手段，摸索礦壓的主要應(yīng)力來源，通過有效治理措施，消除應(yīng)力來源，是治理礦壓顯現(xiàn)最為直接有效的手段。

1 沿空掘進(jìn)巷道載荷分析

1.1 煤層賦存條件

山西馬堡煤礦主采15 號(hào)煤，煤層結(jié)構(gòu)簡單，整體為單斜構(gòu)造，斷層發(fā)育、煤層厚度4.25～5.20 m，平均4.80 m，局部含夾矸，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。井田范圍內(nèi)，煤層上覆巖層賦存穩(wěn)定，其基本頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度16.45 m，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，較堅(jiān)硬，是礦壓顯現(xiàn)主要影響關(guān)鍵層（見表1）。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征表

1.2 礦井地應(yīng)力分析

巷道圍巖變形是一個(gè)復(fù)雜過程，其根本原因是巷道圍巖在三向應(yīng)力作用下，發(fā)生蠕變，由西原正夫模型[1]可知，只有當(dāng)圍巖的等效應(yīng)力大于圍巖的單軸屈服極限時(shí)，不穩(wěn)定蠕變啟動(dòng)，并且隨著等效應(yīng)力的增大，不穩(wěn)定蠕變速率隨之增大，礦壓顯現(xiàn)越明顯，巷道圍巖破壞加快。將圍巖真實(shí)的三向應(yīng)力等效成單向應(yīng)力[2]，其值與地應(yīng)力成正相關(guān)，可見，高地應(yīng)力是巷道圍巖產(chǎn)生不穩(wěn)定蠕變的必要條件，且地應(yīng)力的升高能夠加快圍巖蠕變破壞的速率。根據(jù)馬堡礦地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示：礦井最大水平應(yīng)力最大為13.99 MPa，最小水平主應(yīng)力最大為7.36 MPa，垂直主應(yīng)力最大為8.88 MPa，最小為7.47 MPa。最大水平應(yīng)力σH為垂直應(yīng)力σv的1.58～1.87 倍，水平應(yīng)力是影響巷道穩(wěn)定的主要因素，由最大主應(yīng)力原理可知，此類地應(yīng)力場對(duì)巷道頂?shù)装宸€(wěn)定性影響較大。水平應(yīng)力與巷道夾角越大，對(duì)巷道影響越大，馬堡礦最大水平主應(yīng)力方向與礦井開拓巷道夾角在24.0°～58.6°之間，由此推斷最大水平主應(yīng)力方向與回采巷道的夾角在31.4°～66.0°之間，夾角大，對(duì)回采巷道的掘進(jìn)施工影響較大。

1.3 基于賦存條件構(gòu)造應(yīng)力分析

礦井井田范圍內(nèi)斷層發(fā)育，斷層處巖層的不連續(xù)性導(dǎo)致斷層本身的不穩(wěn)定性，隨著采掘活動(dòng)開展，其超前支承壓力的影響范圍不斷向前發(fā)展，當(dāng)?shù)竭_(dá)斷層影響區(qū)域后，斷層兩側(cè)本身的殘余構(gòu)造應(yīng)力[3]與采掘工作面超前支承壓力疊加，使斷層附近的支承壓力增高，形成新的高應(yīng)力區(qū)（見下頁圖1）。斷層面（帶）與采掘工作面之間的中間區(qū)域?yàn)閼?yīng)力疊加高峰區(qū)，如果斷層本身屬于容易積聚能量的類型，則疊加后的應(yīng)力高峰區(qū)位置同樣容易積聚更大的能量。據(jù)現(xiàn)有成果，當(dāng)采掘工作面鄰近上述斷層構(gòu)造時(shí)，相當(dāng)于工作面單邊卸壓，采掘工作面相當(dāng)于卸壓區(qū)域，為高應(yīng)力集中區(qū)。

圖1 超前支承壓力與斷層構(gòu)造應(yīng)力疊加示意圖

1.4 基于賦存條件上覆巖層重力載荷分析

地下開采活動(dòng)引起的上覆巖層的移動(dòng)破壞是一個(gè)自下而上漸近發(fā)展而又十分復(fù)雜過程，受多重因素的影響。由于礦山巖體原始賦存的狀況的復(fù)雜性和采動(dòng)巖體的破壞過程特殊性，使得地下開采引起的上覆巖層移動(dòng)破壞成為非常復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程。對(duì)于上覆巖層運(yùn)動(dòng)研究，國外起步較早，德國學(xué)者舒里在1867 年提出就提出了懸梁假說[4]，開創(chuàng)了采場上覆巖層結(jié)構(gòu)研究的先河。1916 年，德國學(xué)者施托克（K.Stoke）提出了更加完善的懸臂梁假說，后又得到英國的弗里得（I.Friend）、前蘇聯(lián)的格爾曼等人的完善，經(jīng)過多年實(shí)際情況延展，懸臂梁假說是對(duì)礦井超前、側(cè)向支撐壓力最為合理的解釋。

國內(nèi)在研究采場上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律起步較晚，但通過不斷摸索，不斷完善，取得的大量成就。錢鳴高院士在總結(jié)以往各種假說的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)巖層內(nèi)部移動(dòng)的實(shí)測(cè)分析，提出了采場裂隙帶巖體的“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型[5]。該理論對(duì)整個(gè)上覆直至地表巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析，提出了“橫三區(qū)”“豎三帶”的認(rèn)識(shí)，即沿工作面推進(jìn)方向上覆巖層將分別經(jīng)歷煤壁支承影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)，在煤系地層中，由于成巖時(shí)間和礦物成分等不同，使各巖層在厚度和力學(xué)性質(zhì)等方面總存在著不同程度的差別。一些較為堅(jiān)硬的厚巖層在采動(dòng)巖體的變形和破壞中起主要控制作用，它們以某種力學(xué)結(jié)構(gòu)（從平面中看破斷前為連續(xù)梁，破斷后為砌體梁等）支承上部巖層，而它們的破斷又直接影響采場礦壓、巖層移動(dòng)和地表沉陷。研究發(fā)現(xiàn)由于各堅(jiān)硬巖層的層位和特性不同，因而并不是每一層堅(jiān)硬巖層在采動(dòng)巖體運(yùn)動(dòng)中起主要控制作用，有時(shí)僅僅有一層或幾層。

沿空掘進(jìn)工作面，受鄰近采空區(qū)隔離煤柱，支撐上覆巖層，上覆巖層垮落不及時(shí)，形成懸臂梁，懸臂梁導(dǎo)致的側(cè)向支撐壓力，是巷道沿空掘進(jìn)的主要載荷來源（見圖2）。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定巷道懸臂梁層位，采取有效措施，是解決巷道側(cè)向支撐壓力最為有效的手段。馬家堡煤礦15 號(hào)煤基本頂為平均厚度為16.45 m厚細(xì)粒砂巖，質(zhì)硬，單軸抗拉強(qiáng)度大，隨著工作面回采，工作面中部頂板垮落，端頭頂板受煤柱支撐，形成煤柱支撐懸臂梁，懸臂梁形成的側(cè)向支撐壓力，是沿空掘進(jìn)巷道的主要載荷，對(duì)沿空巷道鄰近采空區(qū)懸臂梁的有效處理，是解決側(cè)向支撐壓力的主要措施。

圖2 圖巖層移動(dòng)關(guān)鍵層賦存示意圖

2 基于沿空巷道應(yīng)力分析的治理措施

經(jīng)過綜合分析，影響馬堡煤業(yè)沿空巷道掘進(jìn)礦壓顯現(xiàn)的主要因素為水平地應(yīng)力，斷層導(dǎo)致的構(gòu)造應(yīng)力及沿空側(cè)的側(cè)向支承壓力。當(dāng)掘進(jìn)施工鄰近斷層等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，水平地應(yīng)力、垂直應(yīng)力，構(gòu)造應(yīng)力疊加，導(dǎo)致巷道礦壓顯現(xiàn)明顯，底鼓、片幫、掘進(jìn)及支護(hù)施工困難。對(duì)水平地應(yīng)力、斷層構(gòu)造應(yīng)力及側(cè)向支承壓力的有效處理，是解決沿空掘進(jìn)巷道礦壓顯現(xiàn)的主要措施。

2.1 水平地應(yīng)力的針對(duì)性治理措施

對(duì)地應(yīng)力的最為有效的治理措施是“避”，即選擇合理的巷道布置方式，減小水平應(yīng)力與巷道夾角，是解決地應(yīng)力最為最根本的措施[5]，但考慮巷道實(shí)際用途及服務(wù)時(shí)長，礦井在進(jìn)行開拓部署時(shí)，會(huì)盡量減小開拓巷道與地應(yīng)力的夾角，由于回采巷道與開拓巷道垂直布置，開拓巷道與地應(yīng)力夾角越小，則回采巷道與地應(yīng)力夾角就會(huì)較大。在無法“避”的情況下，只能治，主要治理措施是“扛”和“放”，即通過加強(qiáng)支護(hù)，加固底板，使得巷道周圍煤巖體圍巖的單軸屈服強(qiáng)度大于最大水平主應(yīng)力，此種方式治標(biāo)不治本，且治理成本高，工程量大?！胺拧笔峭ㄟ^采取有效措施，使得地應(yīng)力有效釋放。沿空掘進(jìn)巷道鄰近采空區(qū)，煤層上覆巖層完整性被破壞，地應(yīng)力得到有效釋放，底板治理是地應(yīng)力治理的關(guān)鍵，主要措施是通過底板爆破，底板切槽，破壞底板完整性，使得地應(yīng)力得到有效釋放，巷道底鼓現(xiàn)象得到明顯改善。

2.2 斷層構(gòu)造應(yīng)力的針對(duì)性治理措施

對(duì)于斷層構(gòu)造應(yīng)力的治理原則也是以“避”為主，在進(jìn)行巷道部署設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先選擇避開斷層，在無法避開的情況下，選擇合理的巷道布置，增大巷道與斷層夾角，減小斷層影響范圍。通過斷層面前，通過時(shí)施工超前鉆孔的方式，使得殘余構(gòu)造應(yīng)力得到有效釋放，防治構(gòu)造應(yīng)力集聚。掘進(jìn)過程中，原積聚于斷層面附近的構(gòu)造應(yīng)力得到有效釋放，受斷層影響，巷道頂板完整性差，選擇合理的加強(qiáng)支護(hù)措施，是施工過程中需要進(jìn)一步解決的主要問題。

2.3 側(cè)向支承壓力的針對(duì)性治理措施

在工作面回采期間，根據(jù)礦井鉆孔資料，對(duì)關(guān)鍵層位進(jìn)行深孔爆破，阻斷懸臂梁形成，鄰近工作面沿空掘進(jìn)期間，上覆巖層懸臂梁得到有效解決，保證巷道低應(yīng)力掘進(jìn)。馬堡煤礦煤層上覆16.45 m 細(xì)粒砂巖是影響礦壓顯現(xiàn)主要關(guān)鍵層，對(duì)該層的深孔爆破，破壞該層完整性，阻斷懸臂梁的行成，沿空掘進(jìn)期間由懸臂梁導(dǎo)致的上覆巖層自重應(yīng)力問題得到有效解決。

深孔爆破主要施工流程為：準(zhǔn)備鉆機(jī)→施工鉆孔→裝藥定炮→爆破孔封孔→爆破；基于馬堡煤礦煤層賦存條件，主要施工參數(shù)為：鉆孔開孔位置未回采工作面非生產(chǎn)幫肩窩處，爆破鉆孔間距為10 m，施工傾角60°，方位角210°，孔徑Φ75 mm，孔深40 m，具體參數(shù)見表2。

表2 馬堡煤礦頂板深孔爆破參數(shù)表

3 結(jié)語

綜合分析礦井沿空掘進(jìn)期間礦壓顯現(xiàn)主要應(yīng)力來源，通過底板卸壓、頂板卸壓，構(gòu)造應(yīng)力超前卸壓等有效治理措施，解決沿空巷道圍巖應(yīng)力疊加，能量集聚問題，使得巷道始終保持地應(yīng)力掘進(jìn)，施工過程中巷道礦壓顯現(xiàn)不明顯，相較于未采取措施的沿空施工巷道，巷道成型得到明顯改善，掘進(jìn)速度顯著提升。