彬長礦區(qū)沖擊地壓防治技術(shù)體系及遠景目標

雷照源,焦 彪,張春霞,席國軍,史星星

(陜西彬長礦業(yè)集團有限公司,陜西 咸陽 712046)

0 引言

煤炭資源供應是保障國家戰(zhàn)略安全的重大因素。2021年以來,受全球不安定因素多變影響,導致我國煤炭資源產(chǎn)銷比失調(diào)[1]。隨著深部礦井煤炭資源產(chǎn)出的占比逐漸擴大,其沖擊地壓誘發(fā)礦井災變嚴重抑制煤炭資源的平穩(wěn)產(chǎn)出[2]。開展區(qū)域化沖擊地壓防治是保證礦井安全生產(chǎn)的基礎,是有序釋放產(chǎn)能的保障,是企業(yè)發(fā)展瓶頸的突破口。

自1738年在英國發(fā)生人類有文字記載以來的首次巖爆距今已經(jīng)300多年,20世紀80年代我國因煤礦開采深度的增加,在典型“三硬”條件的煤礦相繼發(fā)生了沖擊地壓事故。歷經(jīng)幾代學者的努力,針對沖擊地壓問題先后提出強度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、變形失穩(wěn)理論等,通過揭示沖擊地壓發(fā)生機理、顯現(xiàn)強度、破壞特征等,一定程度上對沖擊地壓防治起到積極的作用[3-5]。深埋煤炭資源賦存條件的多樣化,構(gòu)造變形、構(gòu)造形成過程和構(gòu)造應力場等方式共同決定著礦床賦存方式和應力環(huán)境,開采過程中所引發(fā)的巖石力學問題也成為國內(nèi)外研究的焦點[6-8]。深埋特厚煤層綜放開采條件下,多個關(guān)鍵層沿工作面走向和傾向2個維度呈現(xiàn)不同破斷運動特征;關(guān)鍵層與“三帶”位置關(guān)系不同,上部覆巖層形成空間結(jié)構(gòu)的彈性能釋放路徑導致沖擊的時效性也不同[9-10]。因此從礦井賦存條件出發(fā),探索出源頭控制、路徑轉(zhuǎn)移、區(qū)域防治的沖擊地壓綜合防治技術(shù)體系,是礦井安全高效生產(chǎn)的重要途徑。

彬長礦區(qū)是黃隴煤炭生產(chǎn)基地深埋特厚煤層的代表,區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,是典型的復雜環(huán)境沖擊地壓集結(jié)區(qū)。近年來,彬長集團以“打造世界復雜條件一流煤炭企業(yè)”為目標,以《煤礦安全規(guī)程》《防治煤礦沖擊地壓細則》等國家法律法規(guī)為準繩,以災害預測為依據(jù),在沖擊地壓防治方面取得了豐碩成果。彬長礦區(qū)極特厚煤層開采下,隨采隨掘沖擊現(xiàn)象具有影響范圍廣、作用顯現(xiàn)劇烈等特點。通過下屬5對生產(chǎn)礦井沖擊地壓鑒定,為兩強兩中一弱。因此以胡家河煤礦為例,開展構(gòu)建極特厚煤層井上下三維立體分區(qū)式?jīng)_擊地壓防治技術(shù)研究具有現(xiàn)實必要性。

1 礦井現(xiàn)狀

1.1 礦井概況及賦存特征

胡家河煤礦作為彬長礦業(yè)集團主力礦井,礦井設計生產(chǎn)能力為500萬t。礦井位于咸陽市長武縣境內(nèi),南北寬7.2 km,東西長8.5 km,面積約55.239 4 km2,主采4號煤層,共劃分5個盤區(qū)。其中煤厚10～26 m。目前回采401、402盤區(qū),地面標高+932～+1 170 m,煤層底板標高+340～+400 m,埋深在590～830 m之間,平均埋深710 m。煤層上覆巖層斷層、褶皺發(fā)育。

主采4號煤層為結(jié)構(gòu)簡單的穩(wěn)定煤層,一般有1～2層夾矸,且位于煤層的中上部,夾矸厚度一般小于0.3 m。其頂板巖性以灰-深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主,底板則以黑色碳質(zhì)泥巖為主。工作面布置均在煤層中,煤層頂?shù)装遒x存情況見表1,煤巖力學參數(shù)見表2。

表1 煤層頂?shù)装遒x存情況

表2 煤巖力學參數(shù)

1.2 生產(chǎn)工藝

4號煤層設計采用長壁綜采放頂煤采煤方法,全部垮落法管理頂板。根據(jù)礦井生產(chǎn)能力、煤層賦存條件以及目前所選用的采煤機特點,設計煤層開采厚度14 m,平均日推進3.2 m。其中割煤高度3.5 m,截深為0.8 m;采用“一采一放”的放煤工藝,放煤高度10.5 m。工作面選用ZF13000/21/40液壓支架、防沖支架型號為ZQ8000/21/37,匹配37.5 MPa的乳化泵。工作面采用“一進一回”通風模式,巷道與工作面方向一致,采用錨網(wǎng)索支護。工作面生產(chǎn)參數(shù)見表3。

表3 工作面生產(chǎn)參數(shù)

胡家河煤礦401106工作面北側(cè)為401105綜放工作面(采空區(qū)),間隔35 m保護煤柱,南側(cè)為DF5斷層保護煤柱,西側(cè)為401盤區(qū)3條盤區(qū)大巷保護煤柱?；诤液用旱V綜放開采形成的大空間采場,工作面上部形成的復合頂板層數(shù)多,根據(jù)覆巖“三帶”及沖擊“載荷三帶”劃分結(jié)果,在工作面運輸、回風順槽進行超前壓裂。

1.3 礦區(qū)沖擊地壓現(xiàn)狀

彬長礦區(qū)沖擊地壓臨界深度約為500～600 m,最大最小水平應力分別為33.87 MPa、8.36 MPa,垂直應力約為20 MPa。隨著采深的增加,沖擊地壓的危險性急劇增長。根據(jù)《胡家河煤礦沖擊危險性評價》,4號煤層總體上具有強沖擊危險,礦井強沖擊區(qū)域分布如圖1所示。根據(jù)動靜載荷因素分析,4號煤層采深、褶曲、斷層、煤柱、底煤留設等因素均對靜載荷積聚起到促進作用;動載荷主要為采掘擾動和煤層上方硬厚砂巖斷裂所產(chǎn)生的沖擊動載。頂板為弱沖擊傾向性的頂板。

圖1 礦井強沖擊區(qū)域分布示意

1.4 主控巖層確定

沖擊地壓顯現(xiàn)形式與礦壓顯現(xiàn)形式基本類似,但動力來源和表現(xiàn)特點存在差異。一般來說強礦壓顯現(xiàn)是由頂板突然斷裂失穩(wěn)引起覆巖運動造成的,必須建立在覆巖垮落的基礎上;而沖擊地壓是巖體內(nèi)部彈性能突然釋放而誘發(fā)的動力災害,頂板不一定垮落。同時認為沖擊地壓能量釋放速率與巖體傳遞介質(zhì)的完整程度和堅硬程度成正比,開采后形成的空間結(jié)構(gòu)促使煤巖或局部煤巖發(fā)生破壞。

胡家河煤礦作為強沖擊煤層,其是由上覆巖層賦存條件決定的,覆巖賦存如圖2所示。根據(jù)關(guān)鍵層理論劃分覆巖結(jié)構(gòu)類型,見式(1)。

圖2 煤層覆巖賦存情況

(1)

式中,E為彈性模量,GPa;h為巖層厚度,m;V為體積力,kg/m3。

根據(jù)判別式(1)可知,19.73 m粉砂巖、19.4 m泥質(zhì)粉砂巖、271.27 m中砂巖、15.03 m泥巖、19.32 m含礫粗砂巖為關(guān)鍵層,其中271.27 m中砂巖為主關(guān)鍵層(主控巖層)。

根據(jù)三帶判別式(2)、式(3)[11],可知垮落帶高度為42～56 m,裂隙帶高度約為205 m。19.32 m含礫粗砂巖在垮落層內(nèi);15.03 m泥巖在裂隙帶內(nèi);中砂巖在裂隙帶與彎曲下沉帶之間。由此可知,19.32 m含礫粗砂巖、271.27 m中砂巖為影響工作面采動“小—大”來壓的主控巖層;其中271.27 m中砂巖作為主關(guān)鍵層,影響著礦井礦壓的整體分布。

Hc=(3～4)M

(2)

Hf=100M/(3.3n+3.8)+5.1

(3)

式中,M為開采厚度,m;n為開采煤層層數(shù)。

2 沖擊地壓防治技術(shù)體系

通過上述分析可知,胡家河煤礦由深埋高應力、遠場巨厚堅硬頂板、垮落帶堅硬厚頂板作用在煤層上,在大采場的超強擾動進一步誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生。根據(jù)煤層力學屬性可知,4號煤層具有軟巖屬性,更易發(fā)生煤炮、幫鼓等現(xiàn)象。故此,打造井上下三維立體分區(qū)式技術(shù)體系是實現(xiàn)沖擊地壓防治的可行途徑之一。采掘工作面擾動下影響范圍的不同,《煤礦安全規(guī)程》《防治煤礦沖擊地壓細則》規(guī)定采煤工作面與掘進工作面之間、2個掘進工作面之間的水平間距滿足350 m、150 m的要求;采煤工作面重點關(guān)注100 m范圍堅硬巖層。故此根據(jù)彬長胡家河煤礦采煤、掘進布局進行井下分區(qū)式致裂技術(shù),與地面水力壓裂共同構(gòu)成井上下三維立體分區(qū)式?jīng)_擊地壓防治技術(shù)體系。

2.1 井上防沖技術(shù)

通過遠場主關(guān)鍵層的確定,采用地面水力壓裂技術(shù),改變巖層本構(gòu)關(guān)系,弱化巖層靜載的下壓作用。根據(jù)工作面的布置情況,設置2個地面水平鉆井進行地面壓裂技術(shù),壓裂裂縫延伸在工作面傾向方向覆蓋整個工作面,走向方向覆蓋鉆井軌跡水平段區(qū)域。

壓裂工程采用電纜泵送橋塞射孔聯(lián)作壓裂工藝技術(shù)。采用高粘活性膠+2次暫堵壓裂工藝或高粘活性膠+交聯(lián)凍膠+1次暫堵壓裂工藝。水平井設計50 m為一段,每段射孔作業(yè)采用2簇射孔,簇間距15～25 m,每簇1 m,每米10孔,60°相位螺旋布孔,孔徑9 mm;壓裂作業(yè)每段采用10～16 m3/min排量,1 300～1 500 m3液量,35～40 m3加砂量。圖3為地面壓裂示意圖,主控巖層壓裂效果如圖4所示。壓裂過程中通過資料分析與判讀、導向過程控制、軌跡預測保障壓裂的準確性。

圖3 地面壓裂示意

圖4 地面水力壓裂效果示意

2.2 井下防沖技術(shù)

2.2.1 綜放工作面

工作面頂板兩側(cè)接觸面咬合的摩擦力不同,通過井下水力壓裂和爆破致裂分別破壞臨空側(cè)與實體側(cè)頂板接觸面咬合的摩擦力,達到降低整體強度的目的。在采動應力擾動下,使頂板在采空區(qū)及時垮落。根據(jù)區(qū)段煤柱承載效應,分析煤柱上部煤柱、頂板動載分布情況,確定致裂參數(shù)[12]。401106綜放工作面致裂計算參數(shù)見表4,“分區(qū)式”致裂技術(shù)如圖5所示。

圖5 井下分區(qū)致裂技術(shù)示意

表4 井下綜采面致裂計算參數(shù)一覽

表4中,P0為頂板注水最小壓力,MPa;H為開采深度,m;MK為單孔注水量,t;T為鉆孔擔負的濕潤巖體量,t;W1為根據(jù)調(diào)查資料確定的巖層水分上限值,%;W2為巖層注水前巖體的原始水分值,%;K為水量不均衡系數(shù),取0.5～1.0;R為浸潤半徑;vl=2R/3。n為綜合影響系數(shù);f為封孔材料與孔壁的摩擦因數(shù);λ為側(cè)壓系數(shù);D為爆孔直徑,選50 mm。Pc為裝藥量,g/m;R壓為巖石抗壓強度,Pa。

2.2.2 掘進工作面

401盤區(qū)、402盤區(qū)工作面順槽、輔助順槽、開拓巷道為全煤巷道,巷道松動圈范圍約1.2 m?！办o動”載荷作用下,巷道周圍煤體的塑性破壞與應力分布如圖6所示。根據(jù)巷道掘進期間沖擊危險性評價,進行掘進迎頭、兩幫、底板“分段式”防沖設計,弱化擾動下的應力集中造成的煤巖體的彈射現(xiàn)象。掘進工作面采用爆破+大直徑孔卸壓技術(shù),井上下三維立體分區(qū)式?jīng)_擊地壓防治技術(shù)體系流程如圖7所示。工作面順槽經(jīng)歷“靜—動—動”3次載荷變化過程,第三次動載荷由工作面采動引起,采用“分區(qū)式”卸壓方式進行防護。

圖6 煤體巷道塑性破壞及應力分布示意

圖7 井上下立體分區(qū)式?jīng)_擊地壓防治技術(shù)體系

2.3 沖擊地壓防治技術(shù)體系準則

沖擊地壓防治根據(jù)主控巖層防范的原則上,以煤層沖擊傾向性鑒定和沖擊危險性評價為依據(jù),分析“靜動載荷”影響規(guī)律,打造“井上下三維立體分區(qū)式?jīng)_擊地壓防治技術(shù)體系”,形成了“監(jiān)測預警—防治解?！Ч麢z驗—安全防護—監(jiān)督管理”的防沖技術(shù)管理辦法,實現(xiàn)了沖擊地壓分階段和分區(qū)域進行的動態(tài)防治,以達到最有效和最經(jīng)濟的防治目的。

3 沖擊地壓防治遠景目標

總體來說,彬長礦區(qū)沖擊地壓防治通過發(fā)生力源、傳播路徑、顯現(xiàn)區(qū)域進行綜合防治。隨著綠色開采相關(guān)政策的逐步落實,根據(jù)彬長礦區(qū)大采場與主控巖層的聯(lián)動效應,提出主控巖層“上承下壓”代替井上防沖技術(shù)與柔模支護置換煤柱的沖擊地壓治理的遠景目標。

3.1 主控巖層“上承下壓”

根據(jù)主控巖層判定可知,主控巖層為覆巖相對厚、硬巖層。大量理論與實踐研究表明[13-15],煤層開采后的采出空間是由下向上逐漸傳遞到地表的,傳遞過程中受到了其控制作用,并在其下方形成采動裂隙;隨著開采范圍增大,該巖層發(fā)生破斷,采動裂隙隨之閉合,采出空間最終傳遞到地表,造成地面塌陷。在掌握彬長礦區(qū)采動裂隙及巖層移動規(guī)律基礎上,以關(guān)鍵層理論為支撐,在主控巖層破斷前,通過地面鉆孔向其下方封閉的采動裂隙腔體高壓注漿充填,產(chǎn)生“壓下托上”作用,將主控巖層下方碎脹巖體壓實形成支撐體,阻止主控巖層破斷,控制巖層移動。進一步防止堅硬巖層破斷,減小其能量釋放,減緩實體煤應力集中,從而實現(xiàn)減震防沖目的,同時也解決了煤矸等固廢物處理及地表下沉等問題。

3.2 柔模支護置換煤柱

柔模支護置換煤柱實質(zhì)上就是將矸石充分利用柔膜進行支護,在工作面巷道形成“人造煤柱”,將原留設煤柱進行回收,達到不留煤柱、沿空留巷的目的,進一步減少彬長礦區(qū)煤柱型沖擊地壓發(fā)生。

考慮彬長礦區(qū)特厚煤層圍巖結(jié)構(gòu)與柔模支護充填體效果的適應性,充填操作的難易程度、充填與工作面生產(chǎn)之間的協(xié)調(diào)因素?？梢圆捎瞄L距離泵送混凝土支護工藝。將煤矸石、粉煤灰、水泥、石子添加劑按一定比例配合而成巷道充填材料。柔模充填支護中,通過柔模將水滲出后采用錨桿形成對拉,提高其承載及抗變形能力。錨桿支護參數(shù)與巷道煤體幫支護參數(shù)保持一致。并通過監(jiān)測位置反饋數(shù)據(jù),分析巷道頂板的下沉速度及頂?shù)装宓囊平?、巷道兩幫的相對變形量?/p>

4 結(jié)論

(1)以彬長礦區(qū)胡家河煤礦為例,認為4號煤層的深埋、褶曲、斷層、煤柱、底煤留設等因素形成了沖擊的靜載荷積聚與大采場擾動和主控巖層斷裂所產(chǎn)生的沖擊動載共同形成了胡家河煤礦的沖擊現(xiàn)象。

(2)通過彬長礦區(qū)胡家河煤礦主控巖層判定,提出了井上下三維立體分區(qū)式?jīng)_擊地壓防治技術(shù)體系。即以主控巖層超前致裂為主,根據(jù)采掘工作面不同位置輔助分區(qū)致裂弱化技術(shù)。

(3)以主控巖層致裂為基礎,以“綠色開采+沖擊地壓防治”為目標,提出主控巖層“上承下壓”與柔模支護置換煤柱的沖擊地壓防治思路。