近距離下保護(hù)層開采沖擊地壓防治技術(shù)應(yīng)用

石增柱

(開灤(集團(tuán))唐山礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000)

近年來(lái)，隨著我國(guó)煤炭開采機(jī)械化程度的提高，開采強(qiáng)度的增大，沖擊地壓發(fā)生頻度激增[1-3]，動(dòng)力災(zāi)害不僅在深部開采時(shí)有所顯現(xiàn)，淺部開采時(shí)顯現(xiàn)強(qiáng)度也有上升的趨勢(shì)，為有效防治沖擊事故的發(fā)生，學(xué)者關(guān)于沖擊地壓的研究由機(jī)理研究逐步兼顧監(jiān)測(cè)防治技術(shù)研究[4-6]。

保護(hù)層開采是針對(duì)沖擊地壓一項(xiàng)有效的、根本性的區(qū)域性防范措施，其實(shí)質(zhì)是利用保護(hù)層開采的卸壓作用，使上、下煤層在空間及時(shí)間上向煤體深部轉(zhuǎn)移，釋放采掘區(qū)域煤巖積聚的彈性能[7]。下保護(hù)層開采時(shí)勢(shì)必導(dǎo)致上覆煤層的變形、破壞及移動(dòng)，在不同區(qū)域形成支承壓力升高區(qū)和卸載區(qū)[8，9]。為此，諸多學(xué)者為探究保護(hù)層開采時(shí)對(duì)煤巖的卸壓作用，展開了相關(guān)研究。張佳佳[10]采用數(shù)值模擬手段，研究下保護(hù)層開采上覆煤巖體卸壓效果及被保護(hù)層煤體膨脹變形規(guī)律，研究結(jié)果驗(yàn)證了保護(hù)層的有效卸壓作用。徐學(xué)文、俞寬光[11]等在沿溝煤礦31701工作面保護(hù)層開采期間，通過(guò)回風(fēng)隅角封堵埋管抽采、頂板裂隙鉆孔抽采、頂板抽采巷采空區(qū)抽采，有效解決工作面開采初期瓦斯超限問(wèn)題。姜福興等[12]結(jié)合河南某煤礦地質(zhì)和開采條件，建立局部保護(hù)層和被保護(hù)層的力學(xué)關(guān)系模型，繪制了不同寬度局部保護(hù)層條件下引起沖擊的垂直應(yīng)力和剪應(yīng)力分布云圖，為設(shè)計(jì)被保護(hù)層巷道的安全位置提供了理論依據(jù)。為克服理論研究用于指導(dǎo)實(shí)踐的不足，探究下保護(hù)層開采時(shí)的應(yīng)力和能量演化特征，本文利用微震、鉆屑監(jiān)測(cè)手段，分析了唐山礦0290工作面作為下保護(hù)層開采后上覆0250工作面回采分別位于采空區(qū)和煤柱上方的微震活動(dòng)規(guī)律，通過(guò)煤層鉆孔卸壓技術(shù)[13]揭示了保護(hù)層及非保護(hù)層區(qū)域側(cè)向支承壓力的影響范圍，以期為保護(hù)層開采沖擊地壓防治解危奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 工作面概況

1.1 工作面煤層賦存概況

唐山礦0250工作面位于南五采區(qū)5煤層，煤層傾角為4°～10°，平均傾角7°，煤層厚度1.8～3.9m，平均煤厚2.8m，工作面埋深697～835m，傾斜長(zhǎng)度150m，采煤方法為走向長(zhǎng)壁采煤法。

0250工作面下伏為0290工作面，層間距約為45m，所屬8、9煤層，回采時(shí)8、9煤作為合層共同開采。煤層傾角為3°～8°，平均傾角5°，煤層厚度8.5～11.0m，平均煤厚9.5m。傾斜長(zhǎng)度120m。采高3.0m，采煤方法為走向長(zhǎng)壁放頂煤采煤法，采放比為1∶1.9。0290工作面已于2015年7月回采完畢，超前于0250工作面回采時(shí)間約為5年。下保護(hù)層(0290)和被保護(hù)層(0250)平面布置如圖1所示。

圖1 煤層鉆孔測(cè)點(diǎn)布置

1.2 5煤和8/9煤層空間位置關(guān)系

考慮到下保護(hù)層的開采不破壞上保護(hù)層的開采條件的原則，5煤和8/9煤層空間位置關(guān)系如圖2所示。上下煤層層間距約為45m，0250上運(yùn)道位于0290工作面的卸壓帶邊界線處，下運(yùn)道位于卸壓帶邊界線以外48m。

圖2 5煤和8/9煤層空間位置關(guān)系

根據(jù)采場(chǎng)上覆巖層三帶理論知，0290工作面上覆巖層三帶有垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。其中，垮落帶與裂隙帶的高度與巖性有關(guān)，一般兩帶高度為采高的9～12倍，中硬巖層為12～18倍，堅(jiān)硬巖層為采高的18～28倍。依據(jù)53號(hào)鉆孔分析，“兩帶”高度按照18倍采高，回收率按照90%計(jì)算時(shí)采高折算為8.6m，所以兩帶高度大約在155m左右。上運(yùn)道部分范圍處于被保護(hù)范圍內(nèi)，下伏煤層的開采在很大程度上改變了上覆煤層的結(jié)構(gòu)和層間的巖石性質(zhì)，釋放了潛在的彈性能。下運(yùn)道則處于下保護(hù)層卸壓范圍之外。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造概況

從采掘平面圖及現(xiàn)場(chǎng)情況可以看出，由切眼向終采線方面存在4條斷層，依次為：F7(正，H=0.9m)、F8(正，H=3.0m)、F6(正，H=3.8m)、F3(正，H=2.0m)，同時(shí)沿南北向存在一條背斜構(gòu)造，傾角變化在20°～35°之間。

結(jié)合地面53號(hào)分析，推測(cè)8/9煤之間存在一層厚度1.5～3.3m的夾矸，夾矸以炭質(zhì)粘土巖和粘土巖為主，單軸抗壓強(qiáng)度低。5煤與8/9煤之間覆存6煤、7煤以及一條厚度為0.26的煤線，其余均為粉砂巖或中粒砂巖，巖層與巖層或巖層與煤層的地層界線明顯。53號(hào)鉆孔巖石及分層厚度參數(shù)見表1。

2 工作面開采期間應(yīng)力和微震演化規(guī)律

唐山礦0250工作面2021年3月—6月回采期間分別位于煤柱上方和0290保護(hù)層上方，因此根據(jù)此階段內(nèi)的微震和鉆孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)保護(hù)層是否有顯著的卸壓作用進(jìn)行分析，同時(shí)判斷下保護(hù)層對(duì)支承壓力的影響范圍。

表1 53號(hào)鉆孔巖石及分層厚度參數(shù)

2.1 微震空間分布規(guī)律

圖3 3月份微震事件分布

3月份0250工作面推進(jìn)度為49m開采范圍如圖3(a)所示，依據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，工作面此階段推進(jìn)期間共發(fā)生49起微震事件，釋放總能量1.11×105J，103～104J的事件占比89.54%，最大能量事件1.17×104J。根據(jù)微震事件分布可知，工作面回采期間微震事件主要分布于兩個(gè)區(qū)域：一是工作面超前80～100m范圍；二是0290下保護(hù)層后方5煤層附近區(qū)域。對(duì)于工作面超前區(qū)域，微震事件多分布于F3和F6斷層附近，且從層位來(lái)看為8、9煤下伏巖層之中，因此可初步判斷工作面的回采導(dǎo)致下保護(hù)層保護(hù)范圍外的應(yīng)力升高區(qū)斷層一定程度的活化，從而引起釋放能量；而對(duì)于保護(hù)層后方的5煤區(qū)域，此區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)，工作面回采疊加褶皺構(gòu)造的影響，導(dǎo)致煤巖破裂。下保護(hù)層范圍內(nèi)微震事件分布較少，因此可說(shuō)明下保護(hù)層開采時(shí)，保護(hù)層上方煤巖應(yīng)力得到一定程度的釋放，破裂較少。

4月份0250工作面推進(jìn)50.5m，推進(jìn)期間共發(fā)生42起微震事件，釋放總能量1.59×105J，103～104J的事件占比51.56%，最大能量事件4.39×104J。工作面回采至雙見方區(qū)域，104J以上事件能量和相比3月份明顯增加，如圖4所示。工作面4月回采期間部分階段位于保護(hù)層上方，工作面回采區(qū)域內(nèi)礦震事件較少，而是主要分布于工作面后方的底板巖層中以及工作面前方保護(hù)層區(qū)域外的煤層附近，工作面超前段保護(hù)層范圍內(nèi)震動(dòng)事件分布較少，說(shuō)明由于下保護(hù)層的存在，對(duì)上覆煤巖卸壓效果較好，煤體積聚彈性能的能力減弱。

圖4 4月份微震事件分布

工作面5、6月分別推進(jìn)36.5m、77m，推進(jìn)期間分別發(fā)生微震事件25、22次，6月份礦震事件分布如圖5所示。由圖5可知，微震事件整體集中在上運(yùn)道的西側(cè)，面后、面前事件幾乎為零，表明下保護(hù)層的開采破壞的上覆煤層頂?shù)装鍘r層的連續(xù)性，中斷了支承壓力的連續(xù)傳遞作用，減少能量的釋放。

圖5 6月份微震事件分布

因此，根據(jù)0250工作面3—6月回采期間，工作面在保護(hù)層范圍外回采時(shí)，超前區(qū)域煤巖應(yīng)力較高，能量釋放較大，特別是8、9煤下方的巖層中，礦震事件分布較多；工作面處于保護(hù)層保護(hù)范圍回采時(shí)，面內(nèi)礦震事件分布較少，而保護(hù)區(qū)域外超前段內(nèi)微震事件分布較為集中，疊加褶皺構(gòu)造影響后，煤巖能量釋放能級(jí)較高、事件數(shù)量較多。因此，從微震事件演化來(lái)看，下保護(hù)層對(duì)上覆工作面煤巖起到了良好的卸壓作用，保護(hù)層的存在使得煤體應(yīng)力向保護(hù)層外工作面超前區(qū)域以及工作面?zhèn)认蛑С袇^(qū)域轉(zhuǎn)移。

2.2 煤層鉆孔卸壓期間動(dòng)力現(xiàn)象分析

利用煤層鉆孔卸壓技術(shù)，在巷幫施工?115mm卸壓鉆孔，通過(guò)對(duì)施工期間煤炮數(shù)量統(tǒng)計(jì)，分析保護(hù)層對(duì)巷道側(cè)向支承壓力的影響范圍。在0250工作面共設(shè)計(jì)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中上運(yùn)道布置3個(gè)、下運(yùn)道布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，依次為1#測(cè)點(diǎn)、2#測(cè)點(diǎn)、3#測(cè)點(diǎn)、4#測(cè)點(diǎn)、5#測(cè)點(diǎn)。

5個(gè)測(cè)點(diǎn)鉆孔煤炮數(shù)據(jù)如圖6所示。2#測(cè)點(diǎn)處于保護(hù)層保護(hù)范圍之內(nèi)，而其他測(cè)點(diǎn)則位于保護(hù)范圍之外，根據(jù)煤炮數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，處于保護(hù)層卸壓范圍之內(nèi)的2#測(cè)點(diǎn)煤炮數(shù)量明顯低于其他鉆孔，8～15m范圍內(nèi)每米最多1次，而處于保護(hù)區(qū)域后方的3#測(cè)點(diǎn)，該區(qū)域由于保護(hù)層的應(yīng)力轉(zhuǎn)移作用，使其應(yīng)力集中程度較高，煤炮數(shù)量最多，鉆孔10～11m范圍內(nèi)煤炮數(shù)量達(dá)到11次；1#、4#測(cè)點(diǎn)相對(duì)于保護(hù)區(qū)域位置相差不大，因此測(cè)點(diǎn)煤炮數(shù)量相近；5#測(cè)點(diǎn)則距離保護(hù)層區(qū)域更近，應(yīng)力集中程度低于1#、4#測(cè)點(diǎn)。

圖6 測(cè)點(diǎn)施工煤層鉆孔時(shí)煤炮數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1#測(cè)點(diǎn)上運(yùn)道的側(cè)向支承壓力影響區(qū)在7～15m，峰值區(qū)在遠(yuǎn)離煤壁10～12m位置；2#測(cè)點(diǎn)上運(yùn)道的側(cè)向支承壓力的峰值向煤體深處轉(zhuǎn)移，主承載區(qū)轉(zhuǎn)移至巷幫15m以外，實(shí)現(xiàn)了卸壓防沖的功效。3#測(cè)點(diǎn)從6m開始?jí)毫Χ冈?，峰值區(qū)域煤炮數(shù)量明顯增加，其影響因素主要為下伏煤柱及相鄰背斜構(gòu)造影響。4#、5#測(cè)點(diǎn)施工煤層鉆孔時(shí)側(cè)向支承壓力在距離巷幫6～7m位置開始出現(xiàn)，9～12m時(shí)達(dá)到峰值區(qū)，說(shuō)明下運(yùn)道在下保護(hù)層支承壓力區(qū)以外，保護(hù)層卸壓作用較低。

綜上，根據(jù)鉆孔煤炮數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析來(lái)看，處于保護(hù)范圍內(nèi)的區(qū)域煤體應(yīng)力較低，打鉆過(guò)程中動(dòng)力現(xiàn)象較少；而與應(yīng)力集中程度相對(duì)應(yīng)，超前應(yīng)力支承區(qū)與背斜構(gòu)造影響區(qū)疊加后，3#測(cè)點(diǎn)附近卸壓空煤炮等動(dòng)力現(xiàn)象最為嚴(yán)重，說(shuō)明此區(qū)域沖擊危險(xiǎn)程度更高；保護(hù)范圍前的區(qū)域，靜載應(yīng)力集中程度一般，但由于斷層構(gòu)造的存在，工作面的回采易導(dǎo)致斷層活化釋放能量。下保護(hù)層卸壓作用下，煤體側(cè)向支承壓力升高并不明顯，而在保護(hù)范圍外，煤巖側(cè)向8～12m范圍為應(yīng)力峰值區(qū)域，集中程度較高。

3 沖擊地壓防治技術(shù)

3.1 工作面沖擊地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)方案

由于沖擊地壓的發(fā)生是動(dòng)載和靜載共同作用的結(jié)果，因此0250工作面沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)方案采取區(qū)域、局部相結(jié)合，區(qū)域監(jiān)測(cè)以微震為主，區(qū)域監(jiān)測(cè)以鉆屑法、電磁輻射法和應(yīng)力法為主。

1)微震法[14，15]主要依據(jù)波蘭進(jìn)口的ARAMIS M/E對(duì)回采活動(dòng)引發(fā)的不同強(qiáng)度的微震信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確識(shí)別煤巖體內(nèi)部彈性能量釋放情況。

2)鉆屑法[16，17]是通過(guò)排放鉆孔煤粉量的大小和有關(guān)動(dòng)力效應(yīng)，鑒別沖擊地壓的一種局部監(jiān)測(cè)方法?；夭善陂g根據(jù)兩巷劃分的沖擊危險(xiǎn)性，按照弱沖擊危險(xiǎn)30m間距、中等沖擊危險(xiǎn)20m間距、強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)(高應(yīng)力區(qū))10m間距布置鉆屑監(jiān)測(cè)孔，其對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)頻率為3d、2d、1d，每次監(jiān)測(cè)一組，一組3～5個(gè)鉆孔，監(jiān)測(cè)范圍不小于超前100m。

3)電磁輻射法[18-20]是通過(guò)監(jiān)測(cè)煤巖變形破裂過(guò)程中電磁輻射等信息預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤巖動(dòng)力災(zāi)害過(guò)程，有效反映采掘工作面周圍高應(yīng)力區(qū)、動(dòng)壓區(qū)的位置及范圍一種局部監(jiān)測(cè)方法?；夭善陂g對(duì)兩巷實(shí)體煤幫進(jìn)行電磁輻射監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)頻率為每天1次，監(jiān)測(cè)范圍為工作面超前200m。

4)應(yīng)力在線法[21，22]通過(guò)監(jiān)測(cè)兩巷超前300m煤體內(nèi)的圍巖應(yīng)力傳感器支承應(yīng)力變化情況，反映回采工作面超前應(yīng)力場(chǎng)的范圍大小、運(yùn)動(dòng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3.2 工作面沖擊地壓防治技術(shù)方案

采用煤層爆破卸壓及煤層鉆孔技術(shù)雙重組合預(yù)卸壓模式，進(jìn)行回采工作面的沖擊地壓防治，預(yù)卸壓工作距離回采工作面不小于150m。

1)首先對(duì)超前兩巷實(shí)體煤幫進(jìn)行煤層爆破卸壓，卸壓鉆孔間距5～10m，孔深12m，每孔裝藥量10～15個(gè)藥卷，單個(gè)藥卷重300g。

2)其次根據(jù)分析結(jié)果對(duì)中、高應(yīng)力集中區(qū)在實(shí)施煤層爆破卸壓的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行了煤層鉆孔卸壓技術(shù)，卸壓孔孔深15m，孔徑?115mm，高應(yīng)力區(qū)域卸壓孔間距1m，中等應(yīng)力集中區(qū)域卸壓孔間距放大至4m。

3)最后通過(guò)采用主被動(dòng)相結(jié)合的卸壓方式對(duì)工作面兩巷煤體實(shí)施組合卸壓工藝，大大緩解巷幫應(yīng)力集中，杜絕沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警及沖擊地壓現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié) 語(yǔ)

以微震監(jiān)控技術(shù)手段，分析總結(jié)工作面過(guò)下保護(hù)層期間微震事件頻次及能量變化規(guī)律，反映了下保護(hù)層開采后對(duì)上覆巖層的卸壓效果，研究表明下保護(hù)層開采可以有效的降低上覆巖層煤巖應(yīng)力集中程度，從而減弱彈性能的積聚與釋放，對(duì)防沖較為有利。同時(shí)結(jié)合卸壓期間煤炮數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)保護(hù)層開采后，可成功轉(zhuǎn)移側(cè)向支承壓力影響，保護(hù)范圍內(nèi)的鉆孔動(dòng)力現(xiàn)象較弱，達(dá)到安全狀態(tài)。