多巷布置條件下復(fù)合構(gòu)造區(qū)防沖卸壓技術(shù)

王東杰，王 冰，朱剛亮

(陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

隨著開采深度的增加，沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量在逐年增加，沖擊事故呈現(xiàn)多發(fā)趨勢。近年來，先后有大量學(xué)者在沖擊地壓發(fā)生機理、監(jiān)測預(yù)警、防治措施等方面做出了大量的研究，先后總結(jié)、形成強度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、動靜載疊加誘沖等沖擊地壓理論[1 -5]，形成煤層鉆孔卸壓、煤層爆破卸壓、煤層注水、頂板爆破預(yù)裂等沖擊地壓防治成套技術(shù)[6 -15]。但大部分研究對象為采掘工作面，對于已成型的多巷布置條件下復(fù)合構(gòu)造區(qū)防沖卸壓研究較少。以孟村煤礦5條中央大巷及地質(zhì)復(fù)合構(gòu)造區(qū)為背景，開展多巷布置條件下復(fù)合構(gòu)造區(qū)防沖卸壓技術(shù)研究。

1 礦井概況

陜西彬長孟村煤礦煤層為近水平煤層，4號煤層為唯一可采煤層，埋深約為600～800 m，為典型深部礦井，埋深已超過當(dāng)?shù)孛禾餂_擊地壓臨界深度，且該煤層經(jīng)鑒定為具有強沖擊傾向性的煤層。該礦中央大巷均布置在4號煤層中，埋藏深度在700 m以上，5條大巷均已施工至403盤區(qū)邊界，各大巷間距35 m，中央大巷附近布置有401101工作面，401101運順距離中央二號回風(fēng)大巷200 m，具體布置如圖1所示。其中中央大巷附近賦存有DF29大斷層，其延展長度約3 km，較大的褶曲構(gòu)造為 B2背斜、X1向斜。受井田煤大型褶曲和斷層等構(gòu)造以及堅硬頂板的疊加影響，作為孟村礦井主要運輸及通風(fēng)樞紐的5條中央大巷圍巖內(nèi)集中靜載荷分布及應(yīng)力演化規(guī)律異常復(fù)雜，在服務(wù)期間發(fā)生過沖擊地壓，嚴(yán)重影響礦井的正常生產(chǎn)。

圖1 礦井中央大巷平面布置Fig.1 Plan layout of central main roadway of coal mine

2 多巷布置復(fù)合構(gòu)造區(qū)沖擊地壓機理及主控因素分析

根據(jù)能量準(zhǔn)則，以單位體積煤巖體為研究對象，沖擊地壓是煤體 -圍巖系統(tǒng)在力學(xué)平衡狀態(tài)被打破時，釋放的能量大于破壞過程消耗的能量狀態(tài)下產(chǎn)生的動力現(xiàn)象，即采掘圍巖靜載荷與礦震誘發(fā)的動載荷疊加，超過了煤巖體沖擊破壞的臨界載荷時，就會誘發(fā)沖擊地壓。

2.1 多巷布置疊加構(gòu)造影響下靜載荷分析

2.1.1 多巷布置應(yīng)力分布規(guī)律

針對中央大巷5條巷道對稱布置，為分析中央大巷多巷布置條件下巷道圍巖應(yīng)力分布情況，采用FLAC3D軟件對其進行模擬研究。為簡化模擬過程，模型為中央大巷3條巷道。模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 中央大巷巷道群應(yīng)力分布云圖Fig.2 Cloud chart of stress distribution of central main roadway group

從圖2中可以看出，3條巷道在掘進過程中均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中，在巷道迎頭及兩側(cè)均有應(yīng)力升高現(xiàn)象，其中兩巷之間的保護煤柱應(yīng)力集中程度最高。因此，多巷布置條件下保護煤柱內(nèi)容易積聚靜載荷。

2.1.2 斷層對靜載荷的影響

中央大巷5條巷道在掘進過程中先后揭露DF29斷層，該斷層長2.5 km，落差0～38 m。由于該斷層面的存在，導(dǎo)致斷層上、下盤之間表現(xiàn)出不同的應(yīng)力分布狀態(tài)。

采用FLAC3D軟件模擬中央大巷DF29斷層區(qū)域應(yīng)力分布狀態(tài)，模型如圖3所示。應(yīng)力分布如圖4所示。

圖3 斷層模擬三維模型Fig.3 Three dimensional model of fault simulation

由圖4可知，由于斷層面的存在，斷層擾亂了附近煤體的應(yīng)力分布。斷層端部出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，且上下盤都是一端高應(yīng)力集中，一端應(yīng)力降低，端部應(yīng)力近似呈蝶形分布。其中1#區(qū)域為上盤應(yīng)力降低區(qū)，2#區(qū)域為上盤應(yīng)力集中區(qū)，3#區(qū)域為下盤應(yīng)力集中區(qū)，4#區(qū)域為下盤應(yīng)力集中區(qū)，且4#應(yīng)力降低幅度相比3#區(qū)域高達37.5%。說明在斷層上盤容易在巷道底板積聚靜載荷，斷層下盤容易在頂板積聚靜載荷。

圖4 斷層端部煤巖體垂直應(yīng)力分布云圖Fig.4 Cloud chart of vertical stress distribution of coal and rock mass at the end of fault

2.1.3 褶曲對靜載荷的影響

褶曲構(gòu)造的巷道群，構(gòu)造的存在與底煤厚度的變化，不僅提高了巷道圍巖內(nèi)支承壓力的水平，而且增加了巷道頂?shù)装鍍?nèi)水平應(yīng)力的大小，從而為該段巷道沖擊啟動提供了增量靜載荷。該載荷的加入增強了對巷道底板的擠壓作用，如圖5所示，褶曲的存在導(dǎo)致了巷道煤柱區(qū)垂直應(yīng)力增加甚至有可能超過沖擊臨界支承壓力。

圖5 褶曲構(gòu)造區(qū)三巷掘進靜載荷疊加原理Fig.5 Static load superposition principle of three roadways excavation in folded structural area

圖5中P0為巷幫初始支承壓力，P1為非褶曲帶次生支承壓力，P2為褶曲帶次生支承壓力，N為非褶曲帶底板水平應(yīng)力，N1為褶曲帶底板次生水平應(yīng)力。

2.2 動載荷來源分析

通過圖1和圖6可知，401101工作面的回采擾動對中央大巷構(gòu)造區(qū)沖擊地壓的發(fā)生具有重要的影響。中央大巷動載荷來源經(jīng)過分析，主要有：采空區(qū)頂板斷裂；采空區(qū)頂板活動誘發(fā)斷層活化導(dǎo)致附近頂?shù)装鍞嗔?；采空區(qū)震源釋放的動載荷導(dǎo)致中央大巷高應(yīng)力區(qū)頂?shù)装鍞嗔?。這幾種動載荷互相耦合，為中央大巷沖擊地壓啟動提供動載荷。

圖6 中央大巷構(gòu)造區(qū)動載荷來源示意Fig.6 Schematic diagram of dynamic load sources in the structural area of central main roadway

礦井中央大巷本身存在的高靜載疊加巷間煤柱、褶曲、斷層等增量靜載荷使中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)本身處于較高的危險狀態(tài)，若再疊加周圍產(chǎn)生的動載荷，極易發(fā)生沖擊地壓。

3 多巷布置復(fù)合構(gòu)造區(qū)沖擊地壓控制技術(shù)

3.1 頂板定向長鉆孔水力壓裂

為了能夠快速弱化堅硬頂板巖層，釋放頂板堅硬巖層集聚的彈性能，削弱周邊采空區(qū)活動對中央大巷的影響，采用頂板定向長鉆孔水力壓裂在中央大巷上部人工制造“解放層”，以實現(xiàn)大范圍區(qū)域載荷水平的有效降低，進而達到控制中央大巷沖擊危險的目的。

根據(jù)中央大巷群所處地質(zhì)構(gòu)造情況、巷道布置參數(shù)及微震事件震源位置，大巷壓裂層位確定布置在距巷道頂板45 m高度的粗粒砂巖層內(nèi)，如圖7所示。

圖7 頂板水力壓裂層位布置Fig.7 Layout of roof hydraulic fracturing layers

設(shè)計在中央膠帶運輸大巷596 m里程附近施工專用鉆場、壓裂區(qū)，卸壓方案設(shè)計布置5個鉆孔，其中孔1、孔2、孔3、孔4分別位于大巷區(qū)段煤柱上方，孔間距約40 m，孔5位于大巷保護煤柱上方，與孔4間距約70 m。鉆孔布置如圖8所示，鉆孔設(shè)計參數(shù)見表1。

圖8 定向孔水力壓裂1#～5#孔布置俯視Fig.8 Top view of directional hole hydraulic fracturing hole 1～5

表1 定向鉆孔設(shè)計參數(shù)

3.2 中央二號回風(fēng)大巷頂板深孔預(yù)裂爆破

為降低401101工作面采空區(qū)上覆巖層運動對中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)的影響，在中央二號回風(fēng)大巷頂板巖層采取深孔預(yù)裂爆破，處理范圍為中央二號回風(fēng)大巷內(nèi)DF29斷層面兩側(cè)各215 m的頂板巖層，如圖9所示。

圖9 中央二號回風(fēng)大巷頂板深孔爆破處理范圍Fig.9 Processing scope of roof deep hole blasting of central No.2 return air main roadway

根據(jù)距離中央二號回風(fēng)大巷最近的4-2煤地質(zhì)鉆孔顯示，中央二號回風(fēng)大巷頂板以細(xì)粒砂巖、粗粒砂巖和中粒砂巖為主，巷道頂板35 m范圍內(nèi)存在30 m左右的合層砂巖。401101工作面采空區(qū)覆巖活動通過砂巖層傳遞至中央大巷，故而采用深孔預(yù)裂爆破方法對砂巖頂板進行預(yù)裂處理。

在中央二號回風(fēng)大巷偏向401101工作面方向施工頂板炮孔，炮孔間距10 m，單排布置，炮孔深度36 m，仰角75°，方位角0°。炮孔直徑75 mm，裝藥20 m，封孔16 m。采用φ60 mm被筒炸藥，每卷炸藥長度350 mm，重量1.1 kg/卷，裝藥線密度為3.2 kg/m，單孔裝藥量為64 kg。頂板預(yù)裂爆破方案如圖10所示。

圖10 中央二號回風(fēng)大巷頂板預(yù)裂爆破方案Fig.10 Roof pre-splitting blasting scheme of central No.2 return air main roadway

3.3 中央大巷煤層分區(qū)分級卸壓方案

孟村煤礦中央大巷均布置在4號煤中部，大巷之間煤柱寬度35 m，底煤厚度平均10 m左右，須對順槽兩幫采取卸壓。通過降低卸壓區(qū)域內(nèi)煤巖體強度，使得兩幫及底板煤巖體的應(yīng)力集中度下降，將高應(yīng)力區(qū)向兩幫及底板深處轉(zhuǎn)移；通過底板爆破震動誘發(fā)附近區(qū)域巷道圍巖內(nèi)蘊藏彈性能的釋放，從而達到快速、大幅度降低巷道底板內(nèi)的沖擊危險程度的目的。

卸壓區(qū)域主要包括：中央帶式輸送大巷DF29斷層面向外200 m；中央二號輔運大巷DF29斷層面向外210 m；中央一號輔運大巷DF29斷層面向外200 m；中央一號回風(fēng)大巷DF29斷層面向外215 m；中央二號回風(fēng)大巷DF29斷層面以外215 m，DF29斷層面以里100 m(巖巷除外)，如圖11所示。

卸壓順序為：區(qū)域1→區(qū)域2→區(qū)域3→區(qū)域4→區(qū)域5。

兩幫卸壓方法為：中央帶式輸送機大巷兩幫大直徑鉆孔卸壓，中央二號回風(fēng)大巷兩幫大直徑鉆孔卸壓，中央一號輔運大巷南側(cè)煤壁大直徑鉆孔卸壓，中央一號回風(fēng)巷大巷由于礦井運輸影響，南側(cè)幫部采取爆破卸壓，如圖12所示。底板卸壓方法為各條大巷均采取底板爆破卸壓。

圖11 卸壓區(qū)域Fig.11 Pressure relief area

圖12 幫部卸壓鉆孔分布示意Fig.12 Distribution of pressure relief drilling hole on the side

針對巷道底板采取底板爆破卸壓措施，施工位置為中央大巷的兩底角，開孔位置為巷道幫部，位于底板以上150～200 mm，如圖13所示。施工設(shè)備為全液壓坑道鉆機，爆破卸壓鉆孔直徑75 mm；施工參數(shù)見表2，采用φ60 mm被筒炸藥，每卷炸藥長度350 mm，重量1.1 kg/卷，裝藥線密度為3.2 kg/m。

表2 底板爆破卸壓設(shè)計參數(shù)

圖13 底煤爆破卸壓位置Fig.13 Location of floor coal blasting pressure relief

4 效果分析

選取2020年10月6日作為前后對比的界限，該時間前中央大巷構(gòu)造區(qū)域開展了頂板及幫部局部集中卸壓等工作。圖14為卸壓階段及卸壓后時期微震月均頻次及月均能量變化情況，可以看出，采取頂板定向水力壓裂、頂板爆破預(yù)裂、大直徑鉆孔、煤層爆破等綜合卸壓措施后，微震月均頻次及月均能量持續(xù)大幅度降低，分別降至約6次/月、5.80×103J/月，防沖卸壓效果顯著。截止到目前，中央大巷復(fù)合構(gòu)造壓裂區(qū)內(nèi)再未發(fā)生過大能量微震事件。

圖14 微震月均活動變化情況Fig.14 Change of monthly average activity of microseisms

5 結(jié)論

(1)多巷布置條件下復(fù)合構(gòu)造區(qū)靜載荷既有埋深產(chǎn)生的基礎(chǔ)靜載荷又有巷間煤柱、褶曲、斷層提供的增量靜載荷，二者疊加使靜載荷積聚處于高水平狀態(tài)，但斷層面附近存在一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)。

(2)分析401101工作面與中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)的時空關(guān)系，結(jié)合中央大巷地質(zhì)條件得出中央大巷動載荷來源主要有：401101工作面采空區(qū)頂板斷裂；401101工作面采空區(qū)頂板活動誘發(fā)DF29斷層活化導(dǎo)致附近頂?shù)装鍞嗔?；采空區(qū)震源釋放的動載荷導(dǎo)致中央大巷高應(yīng)力區(qū)頂?shù)装鍞嗔?。這3種動載荷互相耦合，為中央大巷沖擊地壓啟動提供動載荷。

(3)為切斷401101工作面頂板活動對中央大巷的影響，在中央二號回風(fēng)大巷施工切頂爆破孔；為實現(xiàn)增加靜載荷的釋放或轉(zhuǎn)移，在中央大巷構(gòu)造區(qū)附近施工大直徑鉆孔、煤層爆破等措施；為弱化頂板對中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)的影響，施工頂板定向長鉆孔水力壓裂。

(4)通過對動、靜載荷的分類處理，采取上述措施后中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)微震月均頻次及月均能量持續(xù)大幅度降低，分別降至約6次/月，5.80×103J/月，防沖卸壓效果顯著。從此中央大巷復(fù)合構(gòu)造壓裂區(qū)內(nèi)再未發(fā)生過大能量微震事件。