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巨厚礫巖下沖擊地壓發生機理及加固技術研究*

2017-04-16 02:33:19史俊偉孟祥瑞陳章良
中國安全生產科學技術 2017年12期

史俊偉,孟祥瑞,陳章良,董 羽

(1.山東工商學院 管理科學與工程學院,山東 煙臺 264005;2.安徽理工大學 能源與安全學院,安徽 淮南 232001)

0 引言

沖擊地壓作為一種煤巖動力災害,尤其在深部資源開采中,具有“強擾動”和“強時效”特性,導致災害頻發[1]。沖擊地壓發生機理一直是國內外學者研究的熱點,目前比較成熟的理論主要有強度理論、能量理論和沖擊傾向性理論等[2]。章夢濤[3]等提出了沖擊地壓的失穩理論及煤層注水防沖技術;姜耀東,潘一山和姜福興等[4]構建了材料失穩、滑移錯動和結構失穩3種沖擊地壓模型;齊慶新等[5]提出沖擊地壓粘滑失穩機理;潘俊鋒[6]提出了沖擊啟動的材料-結構動力失穩機理。華豐煤礦作為我國沖擊地壓災害頻發的礦井之一,學者對其防沖技術進行了大量研究[7],但在巨厚礫巖誘沖機理方面研究較少[8]。本文根據關鍵層理論[2]和沖擊地壓啟動理論[6],通過相似材料模擬試驗對巨厚礫巖下沖擊地壓發生機理進行研究,并在前人研究基礎上,提出一種囊袋式離層加固防沖技術。

1 工程概況

研究區域選取華豐礦1410工作面,垂直開采深度1 140 m,煤層上覆巨厚礫巖厚度達500~800 m。前組煤的4層、6層煤為主采煤層,煤巖層平均傾角為33°,煤層平均厚度為6.41 m,頂板以上2.6 m,有4層厚度約為4~5 m厚的中砂巖和2層厚度約為5~6 m的粉砂巖,構成堅硬的基本頂。另外,4層煤上方約150~200 m處,有一組500~800 m厚度礫巖層,作為主關鍵層,礫巖層堅硬,完整性好。實地監測數據顯示,4層煤具有嚴重沖擊傾向性,沖擊地壓破壞能力較強,在多個工作面造成支架損壞、冒頂片幫、巷道堵塞、甚至造成人員傷亡。沖擊地壓的發生也造成了地表沉陷,在華豐礦1410工作面正上方地表,有明顯的塌陷區,并且在地表貫通形成長數百米,寬2~3 m,深50~80 m的巨大斑裂。

2 巨厚礫巖誘發沖擊地壓的相似材料模擬試驗

2.1 相似模型制作及開挖

本次試驗選取華豐煤礦1410工作面為研究對象。根據相似理論(相似第三定理)[9],選取1∶200的比例作為模型的幾何相似比。根據華豐煤礦1410工作面煤巖層綜合柱狀圖和幾何相似理論,相似材料模型共鋪設17層R1~R17,模型總高度為1.8 m,有效高度為1.46 m。采用平面相似模擬試驗臺,由框架系統、加載系統和測試系統3部分組成,其中加載系統為4個液壓支柱,模型的上方鋪設一層約50 mm厚的鋼板,通過液壓系統對模型頂部均勻施加載荷(Q=15.22 MPa,r礫=0.025 MN/m3)。

2.2 相似材料模擬試驗結果

當工作面推進至70 m時,第一巖梁在直接頂端部被剪斷發生剪切破壞,工作面初次來壓,覆巖破壞特征如圖1;當工作面推進至90,120,160,190,220,250 m時,其覆巖破壞特征分別如圖2~7;當工作面推進至300 m時,巨厚礫巖層下部均出現較大裂隙,巨厚礫巖層由于自身重力自離層部分發生整體性垮落,并伴隨有聲響,巨厚礫巖下部破斷面近似形成一梯形截面,這一現象與文獻[9]中結論基本一致。而巨厚礫巖上部裂隙一直向上擴展,在離層的斜上方一直擴展到地表。相似材料模擬結果與實際相吻合,通過地表巖移觀測發現,在華豐礦1410采區正上方地表,有明顯的塌陷區,并且在地表貫通形成長數百米,寬2~3 m,深50~80 m的巨大斑裂。

圖1 工作面初次來壓(L=70 m)Fig.1 The first weighting at working face

圖2 工作面第一次周期來壓(L=90 m)Fig.2 The first periodic weighting at working face

圖3 工作面第二次周期來壓(L=120 m)Fig.3 The second periodic weighting at working

圖4 工作面第三次周期來壓(L=160 m)Fig.4 The third periodic weighting at working face

圖5 工作面第四次周期來壓(L=190 m)Fig.5 The fourth periodic weighting at working face

圖6 工作面第五次周期來壓(L=220 m)Fig.6 The fifth periodic weighting at working face

圖7 工作面第六次周期來壓(L=250 m)Fig.7 The sixth periodic weighting at working face

圖8 巨厚礫巖破斷、垮落(L=300 m)Fig.8 Break down of super thick conglomerate

2.3 相似材料模擬試驗結果分析

通過圖1~9,可以看出:

1)根據關鍵層相關理論,隨著工作面的推進,離層自下而上發育,在巨厚礫巖層下部離層空間達到最大;最大離層量隨工作面推進逐漸減小,在200 m處出現“跳躍式”下降,在290 m處出現“微翹”,離層量達到最大。各次周期來壓步距并非都完全相等,初次來壓步距為70 m,周期來壓約為初次來壓的1/4~1/2,當離層發展到巨厚礫巖層處時,周期來壓達到最大50 m。

2)離層發育高度跟工作面推進距離成線性關系,通過最小二乘法擬合可以得到兩者的線性關系:y=-5E-0.7s4+0.000 3s3- 0.078 8s2+ 8.273 6s- 274.87,當離層發育至巨厚礫巖處時,不再向上發展;離層寬度與周期壓步距變化方向基本一致,且離層寬度約為周期來壓步距的1.5~2.5倍。

3 巨厚礫巖下沖擊地壓發生機理研究

3.1 集中靜載荷誘沖機理

根據能量理論,在煤層開采過程中,煤層開挖導致上覆巖層自重應力與構造應力平衡被打破,應力在重新分布的過程中,釋放的能量大于煤巖層所能夠消耗的能量時,便會發生沖擊地壓。根據沖擊地壓啟動理論[6],將沖擊地壓類型劃分為集中靜載荷型沖擊地壓和集中動載荷型沖擊地壓。根據相似材料模擬結果和華豐煤礦煤層開采實踐,將巨厚礫巖下巖層的破斷和垮落,在工作面煤壁極限平衡區內所造成的應力集中載荷定義為集中靜載荷,該載荷受開采深度、支承壓力變化以及斷層等地質條件影響,其主要變化特征為應力(主要為煤壁超前支承壓力,以及巷道側向支承壓力)變化時間是緩慢的,短期內很難出現礦壓顯現,并且應力集中加載是漸進式的。隨著煤層的不斷推進,工作面來壓周期性顯現,該集中靜載荷也不斷漸進式增加,當在某個時刻,在煤壁處集中靜載荷所集聚的彈性應變能大于該處煤巖破壞所需的最小能量,該彈性能便會釋放,沖擊波以煤巖為載體不斷傳播,在采場煤巖壁薄弱處形成沖擊礦壓顯現。

圖9 巨厚礫巖下覆巖運動情況Fig.9 The movement of overburden under super thick conglomerate stratum

根據沖擊地壓啟動理論[6]、廣義虎克定律和庫侖-莫爾準則以及動力破壞能量轉化機理[10],巨厚礫巖下煤巖體所在的應力場是一種三維應力場,在三維應力場條件下,應當遵循三軸應力破壞準則,即σ1=[(1+sinφ)/(1-sinφ)]σ3+σc。三維應力狀態下,集中靜載荷集聚能量E靜為:

(1)

(2)

3.2 集中動載荷誘沖機理

根據關鍵層理論[2]和煤礦沖擊地壓啟動理論[6],巨厚礫巖層的破斷和垮落造成主關鍵層的失穩,由于巖體的非均質特性,集中載荷施加于下部巖層,釋放出大量的沖擊動能和勢能,使其他巖體失穩,形成一種正反饋現象,能量不斷向下傳遞并疊加,導致整個煤巖層的失穩,誘發工作面沖擊地壓啟動。因此華豐礦巨厚礫巖下沖擊地壓的發生符合沖擊地壓啟動理論中的集中動載荷型沖擊地壓特征,可用集中動載荷型沖擊地壓相關理論來分析其沖擊地壓發生機理。根據關鍵層相關理論[2]和相似材料模擬結果,巨厚礫巖層的破斷和垮落是華豐煤礦沖擊地壓發生的主要力源,其導致沖擊地壓發生的源頭相對集中。隨著煤層的不斷推進,當巨厚礫巖出現大面積懸露,彎曲、破斷和滑移形成沖擊動載荷,沖擊動載荷以脈沖波或者彈性波的形式進行加載,并且發生的時間非常短,以巨厚礫巖下各巖層作為載體向煤巖層的深部進行傳播,在煤層的薄弱處能量釋放,發生沖擊地壓。

根據集中動載荷型沖擊地壓發生機理,巨厚礫巖層的破斷和垮落是華豐煤礦沖擊地壓發生的主要力源,巨厚礫巖的離層垮斷部分的質量與離層的高度是影響沖擊集中動載荷能量的主要因素,垮落礫巖層的質量越大,離層高度越高,沖擊能量越大。根據文獻[11]中研究成果,將巨厚礫巖層垮落部分近似看作梯形截面,可通過相似材料試驗測得梯形截面的上端面跨度L1為40 m,下端面跨度L2為85 m,高度H為3.5 m,寬度W為40 m,巨厚礫巖層的容重ρ為2.2 g/cm3。沖擊集中動載荷能量可近似的認為是巨厚礫巖的離層垮落部分的勢能。E動=mgh=1/2(L1+L2)WρgH2,可得E動=3.06×108J>>E靜=1.33×105J。

可以看出,以煤層極限平衡區內集聚的彈性應變能即集中靜載荷能量E靜和以巨厚礫巖斷裂、垮落傳遞來的動載荷沖擊能量即集中動載荷能量E動的總和大于煤巖體動力破壞的最小能量Ef min時,即當E靜+E動-Ef min>0時,采場沖擊地壓啟動。同時,由巨厚礫巖破斷、垮落所造成的集中動載荷沖擊能量遠大于集中靜載荷集聚彈性應變能,因此,以巨厚礫巖破斷、垮落產生的集中動載荷沖擊能量誘發沖擊地壓的強度更高,危險性更大。這與實驗測得,華豐煤礦4層煤,動態破壞時間為33.3 ms,彈性能量指數為13.05,沖擊能量指數為5.1,具有強烈沖擊傾向相驗證。

4 巨厚礫巖下囊袋式離層加固技術

文獻[12]對離層注漿控制上覆巖層運動作用機理做了相關研究,認為漿體中水與軟巖層中的粘土質作用膨脹能夠充填離層空間,灰漿凝結體能夠支撐上覆巖層,限制其破斷與垮落。文獻[13]提出采用離層注漿技術,在華豐煤礦巨厚礫巖下沖擊地壓防治中取得了較好的效果。通過對該礦地表巖移觀測和礦壓監測結果顯示,通過對巨厚礫巖下離層進行注漿充填,作為一種主動支護,有效的減少了巨厚礫巖的大面積破斷與垮落,減小了沖擊集中動載荷能量,不僅使工作面沖擊地壓危險性降低,同時也可使地表下沉率降低50%。

根據《煤礦防治水規定》中導水裂隙縫帶高度計算方法,計算四煤層綜放開采時,裂縫帶發育高度為126.75 m。當工作面推進到250 m時,離層發育高度為158 m>126.75 m,且下方有15.6 m的泥巖作為良好的隔水層,可以進行離層注漿。因此,離層注漿在工作面推進到250~290 m時進行,通過圖9可以看出,在工作面推進至290 m處離層量最大,達到3.5 m,且離層跨度也達到最大85 m,是進行離層注漿的最佳時期。注漿鉆孔應布置在采區偏上山方向,距開切眼145 m處,鉆孔深度為1 140 m-158 m=982 m,注漿時漿液就會先充填下山部分離層空間,進而充填盆地中心,直至充滿整個離層,如圖10。

圖10 離層注漿剖面及鉆孔傾斜位置Fig.10 Diagram of separation layer plane and drill hole oblique

為有效防治巨厚礫巖下沖擊地壓的發生,筆者結合前人研究成果與離層注漿實踐,提出一種巨厚礫巖下囊袋式離層加固技術。試驗工點位于距離1410工作面上半部華泰公路東300 m處,鉆孔沿工作面傾向方向布置,在預測離層發育高度最大的位置,即注漿鉆孔布置在采區偏上山方向,呈矩形或三角形布置,距1410工作面開切眼145 m處,間距一般為25 m,鉆孔深度為982 m,開孔直徑240~300 mm。試驗區工點地層結構自下而上依次為:直接頂為2.6 m的粉砂巖,老頂的厚度為20 m左右的細中砂巖組成以及實際厚度為800 m的巨厚礫巖組成。囊袋式離層加固材料,選用粉煤灰、水泥、外加劑及水,將粉煤灰、水泥、外加劑和水按一定的比例均勻混合攪拌而成,料漿質量濃度為60%~70%的似膏體注漿材料。注漿壓力維持在0.4~0.6 MPa,每米注漿量約120~130 L,注漿流量為50~65 L/min。自下而上注漿,待上一節囊袋注漿到設計漿量后才能進行下一節注漿。第一次注漿量為設計量的70%,余下部分每隔30 min,分2次注完。具體加固工藝流程見圖11。

①.高壓軟管;②.注漿管彎頭;③.注漿孔;④.注漿鋼管;⑤.塑料套環;⑥.尼龍囊袋;⑦.料漿液;⑧.橡皮膠圈;⑨.囊袋膨脹;.注漿管花孔;.橡膠堵頭;.鐵絲封頭;.煤層。圖11 囊袋式離層注漿加固工藝流程Fig.11 Bag-type layer reinforcing process

巨厚礫巖下囊袋式離層加固工藝,包括施工準備、鉆孔、注漿管及囊袋制作、注漿管和囊袋綁扎并下孔、料漿制備及注漿、拔注漿管和鉆孔回填、沖洗注漿管路7個步驟:

第1步 施工準備:將水泥、粉煤灰分別過4目標準篩,確保其沒有結塊,分別儲存于細料倉和膠結料倉。將水泥、粉煤灰與外加劑和水按照設計比例用稱量斗和電子稱稱量好備用。場地進行平整,并用全站儀或GPS等測量設備將注漿鉆孔③位置進行放樣,一般注漿鉆孔在地表可沿采場工作面走向和傾向布置,呈矩形或三角形布置,間距一般為10~30 m,具體可根據現場實際情況確定。攪拌機設備、高壓注漿泵以及鉆機等設備進場安裝就位。

第2步 鉆孔:采用大功率工程地質鉆機(>58 kW)或DZ60KS型振動錘沉管機鉆孔至設計深度,開孔直徑240~300 mm,鉆孔傾斜度要求小于1%。

第3步 注漿管及囊袋制作:注漿管④一般采用鋼管,外徑40 mm,內徑35 mm,長度一般大于鉆孔設計深度的400~600 mm。注漿管上端有一彎頭②,連接高壓膠皮軟管①在距鋼管底部300~400 mm的地方布設呈梅花形的注漿孔眼③,2~3排,孔眼大小為8~10 mm,個數為每排3~4個,共6~8個圓形鉆孔,方便料漿從花管流出,并在注漿鋼管④的底部采用橡膠閥門堵頭進行封底。囊袋采用尼龍纖維無縫編織⑥,規格為180~220 g/m2,囊袋直徑為500~600 mm,長度應該比設計孔深多600~700 mm。

第4步 注漿管和囊袋綁扎、下孔:先將尼龍囊袋⑥自下而上套在注漿管④外,將囊袋底端用14號細鐵絲扎緊,然后將底端再回折250~300 mm,再用14號細鐵絲扎緊,目的是防止料漿泄露。從囊袋底端開始每隔0.8~1.2 m,用橡皮膠套⑧或11號鐵絲將囊袋綁扎在注漿鋼管④上,在囊袋的最上端,用塑料套環⑤扎牢,確保套環⑤能在注漿管④上相對滑動,注漿鋼管④上端應該超出地面500 mm以上。將鉆孔清洗干凈后,用鉆機懸吊將綁有囊袋的注漿管④緩慢放入鉆孔③中,當囊袋到達設計高度即離層區域時停止下放。

第5步 拌漿及注漿:將準備好的水泥、粉煤灰過4目標準篩,防止水泥和粉煤灰結塊,影響料漿質量。按照設計比例稱量好各物料,投入攪拌機進行攪拌,攪拌時間不小于90 s。攪拌完成之后,料漿進入高壓注漿泵,在HB6 - 3型高壓注漿泵的推動下,通過地面泵送管道、高壓膠皮軟管①、注漿管彎頭②和注漿鋼管④將攪拌好的漿液注入尼龍囊袋⑥內。

第6步 拔注漿管:待囊袋注漿量到設計要求后,且當注漿量與注漿壓力與設計要求達到基本一致時,囊袋已經完全膨脹,此時可采用YJ.50型插塑板機將注漿管緩慢拔出。值得注意的是此時拔管速度與注漿速度應該相協調, 一定要控制在0.5~0. 8 m/min,并保持注漿壓力0.4~0.6 MPa。待注漿鋼管④完全拔出以后,用沙土和碎石對上部空孔進行回填,同時將地面振動密實。

第7步:沖洗注漿鋼管,移至下一孔位,進行下一循環作業。為了提高工作效率,可使用多臺注漿泵并行作業,縮短施工周期。

通過工業試驗檢測數據顯示,囊袋式離層加固材料各項技術指標如下:料漿表觀密度為1.4~1.6 g/cm3,質量濃度為60%~70%,黏度為32~35 s,泌水率為0%~3%,塌落度220~260 mm,初凝時間小于4 h。單軸壓縮強度,σ8h>0.5 MPa,σ7d>2.5 MPa。不同于傳統的離層注漿工藝,囊袋式離層加固技術,在煤層開采初期即可對關鍵層下易產生離層區域進行橫向擠壓和縱向加固,使離層區軟弱巖層具有一定的抗彎、抗剪和抗壓強度,變傳統的被動的離層后注漿為主動的離層加固,從根本上限制離層的發育發展,確保關鍵層不會破斷,達到控制地表沉陷和防治煤層沖擊地壓的目的。通過囊袋的隔離作用,料漿不會泄露,通過裂隙擴散到工作面,污染環境。在注漿材料成本控制方面,按料漿比重為1.5 t/m3,囊袋直徑為400 mm,囊袋設計高度為100 m計算,則每個鉆孔的注漿總量約為18.84 t,按照本注漿材料成本約為150元/t計算,單孔鉆孔注漿材料費用約為2 836元。一般對于采場走向長度為1 000 m,傾向長度為100 m,按注漿孔距為20 m計算,需鉆孔總數約為200個,則總費用約為56.72萬元。若煤層容重為γ煤=1.37 t/m3,煤層可采厚度為3 m,則該面可采煤炭總量為41.1萬t,合計噸煤注漿材料成本僅為1.38元/t。因此,該離層加固技術具有一定的經濟、社會和環境效益,具有一定的推廣價值。

5 結論

1)通過相似材料模擬試驗,當工作面推進至290 m時,離層自下而上發育至巨厚礫巖層下部,離層量達到最大為3.5 m,離層寬度為85 m;離層寬度與周期來壓步距變化方向基本一致,約為周期來壓步距的1.5~2.5倍;離層發育高度y跟工作面推進距離s呈線性關系:y=-5E-0.7s4+ 0.000 3s3- 0.078 8s2+ 8.273 6s- 274.87。當工作面推進至300 m時,巨厚礫巖發生破斷、垮落。

2)以煤層極限平衡區內集聚的彈性應變能即集中靜載荷能量E靜和以巨厚礫巖破斷、垮落傳遞來的動載荷沖擊能量即集中動載荷能量E動的總和大于煤巖體動力破壞的最小能量Ef min時,即當E靜+E動-Ef min>0時,采場沖擊地壓啟動。同時,研究發現由巨厚礫巖斷裂、垮落所造成的集中動載荷沖擊能量遠大于集中靜載荷集聚彈性應變能,因此,以巨厚礫巖斷裂、垮落產生的集中動載荷沖擊能量誘發沖擊地壓的強度更高,危險性更大。

3)提出一種囊袋式離層加固防沖技術,對離層區域進行橫向擠壓和縱向加固,使離層區軟弱巖層具有一定的抗彎、抗剪和抗壓強度,變傳統的被動的離層后注漿為主動的離層加固。該技術能夠防止料漿外泄,保護環境,提高注漿效率,降低注漿成本,實現了煤礦安全高效綠色開采。

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