孤島工作面應(yīng)力分布規(guī)律及防沖技術(shù)研究

賈傳洋

(臨沂大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 臨沂 276000)

沖擊地壓是深井開(kāi)采中常見(jiàn)的一種自然災(zāi)害，在煤礦井工開(kāi)采過(guò)程中易造成強(qiáng)烈的圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。對(duì)于沖擊地壓等礦井動(dòng)力災(zāi)害而言，上覆巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)決定了礦山壓力的顯現(xiàn)程度，工作面開(kāi)采過(guò)程中，采場(chǎng)圍巖結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，由采動(dòng)引起的覆巖空間結(jié)構(gòu)巖層的運(yùn)動(dòng)，包括高位厚硬頂板的結(jié)構(gòu)塊回轉(zhuǎn)、垮落，導(dǎo)致應(yīng)力重分布和應(yīng)力集中，造成沖擊地壓發(fā)生[1]。其中孤島工作面由于其獨(dú)特的開(kāi)采布置方式及覆巖空間結(jié)構(gòu)，使得孤島工作面采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與非孤島工作面不同[2-4]。因此，有必要研究孤島工作面覆巖結(jié)構(gòu)形態(tài)及應(yīng)力分布規(guī)律，提出有效的孤島工作面防沖措施，對(duì)于孤島工作面沖擊地壓防范具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 孤島工作面覆巖結(jié)構(gòu)形態(tài)

覆巖空間結(jié)構(gòu)是指老頂及上方的巖層破裂后在采場(chǎng)周?chē)纬傻娜S結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的覆巖空間結(jié)構(gòu)有“O”型、“S”型、“C”型和“θ”型[5-9]。

“C”型覆巖空間結(jié)構(gòu)采場(chǎng)對(duì)應(yīng)的是三面采空的孤島工作面(圖1)。對(duì)于孤島工作面某一特定的堅(jiān)硬巖梁，在采空區(qū)側(cè)的觸矸線(xiàn)附近，存在一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)，在實(shí)體煤側(cè)的斷裂線(xiàn)附近，也存在一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)。堅(jiān)硬巖梁破斷后向觸矸線(xiàn)及斷裂線(xiàn)下方的巖體轉(zhuǎn)移，在實(shí)體煤及采空區(qū)矸石上形成兩個(gè)應(yīng)力集中區(qū)[10]。

圖1 典型覆巖空間結(jié)構(gòu)

2 孤島工作面圍巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬

2.1 工程背景

本次研究以某工作面為工程背景，工作面位于-708 m水平，地面標(biāo)高為39.4～39.9 m，井下標(biāo)高為-691.8～-769.4 m，主要開(kāi)采煤層為3#煤層，工作面走向長(zhǎng)1 200 m，傾向長(zhǎng)110 m，煤層開(kāi)采高度7.2 m。兩側(cè)工作面已開(kāi)采完畢，工作面寬度分別為90 m、80 m，其中孤島工作面與兩側(cè)工作面之間的煤柱寬度為4 m。

2.2 數(shù)值模型建立

模型尺寸為400 m×300 m×100 m(長(zhǎng)×寬×高)，模型共有492 400個(gè)單元體。模型四個(gè)側(cè)面為水平位移約束，底面為豎向位移約束，頂面為載荷邊界，載荷大小為模型上邊界的上覆巖層自重。數(shù)值模擬模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型

2.3 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔得到的煤層柱狀圖和巖體物理力學(xué)參數(shù)，模型所采用的煤層及其頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)表

2.4 圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

圖3和圖4為不同開(kāi)采環(huán)境下的煤層垂直應(yīng)力場(chǎng)云圖及三維視圖。通過(guò)分析不同工作面形態(tài)條件下煤層垂直應(yīng)力分布圖可知，采空區(qū)分布位置決定了工作面的開(kāi)采形式，且對(duì)工作面四周的應(yīng)力分布影響很大，也是造成孤島工作面礦壓顯現(xiàn)不同于一般工作面的主要原因。圖3和圖4揭示了隨著工作面形態(tài)的變化，工作面支承壓力分布形態(tài)、峰值大小及影響范圍同時(shí)發(fā)生變化。

1) 當(dāng)工作面后方為采空區(qū)時(shí)，即普通工作面正常回采(“O”型)，工作面開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)力分布均勻，工作面兩側(cè)超前支承壓力分布形態(tài)呈對(duì)稱(chēng)的馬鞍形，支承壓力峰值相對(duì)較小，為41.2 MPa，超前支承壓力峰值距工作面煤壁15 m，距巷幫12 m,同時(shí)在工作面后方的采空區(qū)兩側(cè)巷道煤壁5～10 m深處存在較高的應(yīng)力集中，雖然位于工作面后方，但采空區(qū)頂板的破斷會(huì)對(duì)工作面回采產(chǎn)生一定的擾動(dòng)。

2) 當(dāng)工作面后方及一側(cè)為采空區(qū)時(shí)(“S”型)，由于采空側(cè)側(cè)向支承壓力與超前支承壓力相互疊加，使得存在采空區(qū)一側(cè)的支承壓力峰值要高于實(shí)體煤側(cè)，工作面前方支承壓力分布形態(tài)整體呈不對(duì)稱(chēng)的馬鞍形。采空側(cè)應(yīng)力疊加后峰值高達(dá)75.9 MPa，峰值距工作面煤壁15 m，距巷幫13 m。實(shí)體煤側(cè)的應(yīng)力分布情況與普通工作面正常回采時(shí)相差不大。

圖3 垂直應(yīng)力場(chǎng)云圖

圖4 垂直應(yīng)力三維視圖

3) 當(dāng)工作面后方及兩側(cè)采空時(shí)(“C”型)，由于兩側(cè)采空范圍相當(dāng)，兩側(cè)采空側(cè)向支承壓力相差不大，工作面前方疊加后的應(yīng)力分布基本上呈對(duì)稱(chēng)的馬鞍形，工作面煤壁前方的邊角處出現(xiàn)應(yīng)力高峰，距巷幫和工作面煤壁13～15 m，峰值達(dá)到81.8 MPa。

4) 當(dāng)工作面周?chē)拿娌煽諘r(shí)，受采空側(cè)向支承壓力及超前支承壓力疊加影響，工作面煤體四個(gè)邊角處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；同時(shí)受超前支承壓力作用范圍影響，使得靠近推進(jìn)側(cè)的邊角處應(yīng)力峰值比遠(yuǎn)離推進(jìn)側(cè)大，且靠近推進(jìn)側(cè)應(yīng)力峰值達(dá)到94.3 MPa，遠(yuǎn)離推進(jìn)側(cè)的應(yīng)力峰值為85.2 MPa。

不同開(kāi)采壞境條件下煤層超前支承壓力情況見(jiàn)表2。通過(guò)上述分析可知，采空區(qū)的分布決定著工作面支承壓力分布形態(tài)、峰值大小及影響范圍，采空區(qū)的存在，使得偏向采空區(qū)側(cè)的超前支承壓力比實(shí)體煤側(cè)相對(duì)較高，峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，影響范圍廣；同樣由于采空區(qū)的存在，孤島工作面推進(jìn)過(guò)程中，工作面前方煤體的邊角處受應(yīng)力疊加作用，應(yīng)力集中程度高，巷道處于高應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)域，發(fā)生沖擊危險(xiǎn)的可能性大，開(kāi)采過(guò)程中需要重點(diǎn)防范，并采取相應(yīng)的防沖措施。

表2 不同開(kāi)采壞境條件下煤層超前支承壓力情況表

3 孤島工作面沖擊地壓防治措施

3.1 孤島工作面沖擊危險(xiǎn)性分析

為了保證孤島工作面安全回采，需弄清誘發(fā)沖擊地壓的潛在因素，在總結(jié)前期開(kāi)采工作面沖擊地壓事故發(fā)生的基礎(chǔ)上，獲得本次研究的工作面可能誘發(fā)沖擊地壓危害的因素有如下幾個(gè)方面。

1) 煤層具有沖擊危險(xiǎn)性。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，3#煤層的煤質(zhì)較脆，3#煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，具備誘發(fā)沖擊地壓的可能性。

2) 堅(jiān)硬頂板。根據(jù)工作面實(shí)際地質(zhì)條件，3#煤層上覆巖層存在厚層硬砂巖，易形成大面積懸頂，從而聚積大量彈性能。

3) 埋深大。工作面平均開(kāi)采深度在770 m左右，就開(kāi)采深度而言，工作面具備發(fā)生沖擊地壓的深度條件。

4) 孤島開(kāi)采影響。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，受采動(dòng)影響，兩側(cè)工作面覆巖發(fā)生破斷，造成孤島工作面邊角煤體形成側(cè)向支承應(yīng)力集中。

3.2 孤島工作面防沖技術(shù)

3.2.1 煤層注水

由于3#煤層具有強(qiáng)烈沖擊傾向性，采用煤層注水方式降低沖擊地壓發(fā)生概率。煤層注水采用雙向長(zhǎng)鉆孔注水方式，即長(zhǎng)鉆孔高壓預(yù)注水和靜壓注水相結(jié)合的方式進(jìn)行煤層注水。注水孔布置在上平巷的下幫和下平巷的上幫，垂直巷道走向；上平巷和下平巷的第一個(gè)注水孔超前回采工作面的距離為30 m，孔距20 m；鉆孔傾角沿煤層方向鉆進(jìn)，孔口位置位于巷道底板上方1.2～2 m處，終孔位置在煤層頂板下方0.5 m處。高壓注水壓力不低于8 MPa，靜壓注水壓力為防塵管路壓力。當(dāng)動(dòng)壓注水進(jìn)入工作面超前100 m范圍內(nèi)后，改為靜壓注水，采用靜壓補(bǔ)水。當(dāng)注水孔進(jìn)入工作面前20 m范圍內(nèi)時(shí)，改注下一組注水孔，工作面每次不低于2個(gè)孔注水。

3.2.2 大直徑鉆孔卸壓

孤島工作面應(yīng)力分布規(guī)律表明，工作面邊角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，而大直徑鉆孔卸壓可有效的降低應(yīng)力集中程度。大直徑卸壓鉆孔采用ZQJ-300/6型氣動(dòng)架柱式鉆機(jī)，孔徑110 mm，鉆孔仰角5～8°，孔深15 m，大直徑鉆孔布置平面示意圖如圖5所示。除表3劃定的危險(xiǎn)區(qū)以外，停采線(xiàn)周?chē)?00 m范圍全煤巷道全部按3 m間距施工卸壓孔；采放厚度5～8 m時(shí)，孔深22 m。對(duì)于大孔徑鉆孔卸壓方式，若卸壓效果不明顯，可加密鉆孔、增大鉆孔深度。

圖5 大直徑鉆孔布置示意圖

3.2.3 深孔斷頂卸壓

深孔斷頂爆破可以使老頂和上覆厚層堅(jiān)硬巖層產(chǎn)生大量裂隙，人為形成多次斷裂條件，避免堅(jiān)硬頂板一次斷裂形成較大動(dòng)壓顯現(xiàn)。深孔斷頂爆破卸壓鉆孔布置見(jiàn)圖6。鉆孔應(yīng)斜向工作面內(nèi)，鉆孔直徑大于70 mm，采用SM-Ⅱ型二級(jí)煤礦許用小直徑水膠炸藥配合延期電雷管1～5段爆破。起爆器使用MFB-100型發(fā)爆器，采用正向裝藥結(jié)構(gòu)，一次裝藥3～4個(gè)爆破孔同時(shí)起爆，連線(xiàn)方式為串聯(lián)。

表3 大直徑鉆孔參數(shù)方案

圖6 斷頂爆破卸壓走向示意圖

通過(guò)一系列防沖措施，弱化了工作面沖擊性能，降低了孤島工作面覆巖空間運(yùn)動(dòng)對(duì)工作面煤體的動(dòng)壓擾動(dòng)現(xiàn)象，有效的避免了沖擊地壓的發(fā)生。

4 結(jié) 論

1) 采空范圍決定覆巖結(jié)構(gòu)形態(tài)，影響采場(chǎng)應(yīng)力重分布與應(yīng)力集中，可從宏觀(guān)角度預(yù)測(cè)沖擊地壓發(fā)生區(qū)域。

2) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，采空區(qū)的分布決定著工作面支承壓力分布形態(tài)、峰值大小及影響范圍， 采空區(qū)的存在，使得偏向采空區(qū)側(cè)的超前支承壓力比實(shí)體煤側(cè)相對(duì)較高，峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，影響范圍廣。

3) 基于孤島工作面開(kāi)采應(yīng)力分布情況，提出了煤層注水、大直徑鉆孔卸壓及斷頂卸壓技術(shù)，確保孤島工作面的安全回采。