薄基巖留底煤采場沖擊地壓誘發煤與瓦斯突出研究

焦二朋

(西山煤電股份有限公司馬蘭礦， 山西 古交 030200)

1 前言

沖擊地壓是一種常見的礦山動力災害，隨著開采深度的增加，沖擊地壓災害日趨嚴重。特別是在薄基巖條件下的采場，基巖承受的附加載荷比一般條件下大，采動壓力傳播速度快，更易于發生沖擊地壓。而在薄基巖條件下留底煤的采場，更加劇了巷道底板的應力集中，在上覆巖層高集中應力的作用下，巷道底煤由彈性狀態轉化為塑性狀態。底煤的塑性狀態使煤體產生裂隙，使局部地區的形成瓦斯積聚。由于采動的影響，作用在底煤的應力載荷不斷增大，當集中的應力超過其所能承載的極限時，底煤積聚的彈性變性能突然釋放，發生底板沖擊地壓；由于煤體裂隙不斷增多，當煤體內儲存的能量及其周圍裂隙所解析的瓦斯突然噴出時，會發生沖擊地壓誘發煤與瓦斯突出復合型動力災害[1-4]。薄基巖留底煤采場條件下沖擊地壓誘發煤與瓦斯突出是一種新型的災害，國內外的研究還沒有就其機理與防治技術達到完全認識與根治的程度。因此本文以山西某礦為研究對象，探討了薄基巖留底煤采場沖擊地壓誘發煤與瓦斯突出的機制，并給出了防治措施，對類似條件下煤礦的沖擊地壓和煤與瓦斯突出的防治具有借鑒意義。

2 工作面概況

某礦1307工作面是-808m水平3下煤層首采區南翼工作面，地面標高43.2～44.8m，井下標高-705～-850m，埋深約750～900m，表土層厚度為580m。煤層厚度約2.0～4.5m，平均厚度3.5m，煤層賦存穩定，煤層傾角為6°～10°，f=1.7左右。1307工作面為一褶皺構造，地層總體趨勢為北高南低，西高東低。巷道掘進過程中揭露多條斷層，斷層落差大，造成工作面出現厚度不均的底煤存在。

3 沖擊地壓誘發煤與瓦斯突出機制

巷道開掘之前，煤巖體是處于三向應力的平衡的靜止狀態的。巷道的開掘使得其平衡狀態破壞，應力重新分布，主要表現為應力范圍的增大和應力的峰值向煤壁深部轉移，在巷道邊緣前方形成應力增高區，部分圍巖的應力進入塑性狀態分布[5-6]。在薄基巖的條件下，煤層受到的垂直應力比一般條件下大，形成集中應力區峰值高，范圍大，更易形成高應力集中區。由于巷道底板留有厚度較大的底煤，底煤強度低，薄基巖作用在巷道的高垂直應力經兩幫向底板傳遞，在巷道底板處形成應力集中密實區，該區域的煤體在高集中應力的作用下由彈性狀態轉化為塑性狀態。由于塑性區內的煤體的內聚力已經基本消失，主要依靠巖塊間的摩擦力維持穩定，塑性區煤體內不斷發生剪切破壞，會產生裂紋裂隙，孔隙壓力降低，吸附的瓦斯解析成游離的瓦斯膨脹。在外界擾動的作用下，當底煤積聚的能量超過其所能承載的極限時，會突然釋放巨大的彈性變形能，發生沖擊地壓，而煤體的動能進一步使局部的瓦斯解析膨脹，在振動的聯合作用下，誘發裂紋裂隙解吸出的游離瓦斯異常涌出，具體過程如圖1所示。

4 沖擊地壓誘發煤與瓦斯突出的力學機制

薄基巖留底煤采場沖擊地壓誘發煤與瓦斯突出的主要因素為表土層厚度和底煤的厚度。表土層厚度越大，作用在煤巖體的應力就越大，將表土層的厚度表示為作用在巷道的載荷q，表土層厚度越大，載荷的數值q就越大。為了計算方便，將圍巖看成理想的塑性狀態，巷道圍巖符合Mohr-Coulomb模型，將巷道變形轉化為平面求解，建立力學模型，具體如圖2所示。由于巷道兩側是對稱區域，因此只需考慮一側即可。

三角形ABC區域為應力集中的密實區，受到擠壓膨脹，在巷道底角處直線AB上正應力和剪應力為σn=q,τn=0。

圖3 底板任意點應力狀態

三角形ABC區域中每點的應力狀態相同，該區域可以看成均勻應力場，設均勻應力場平均應力為p，均勻應力場內的平均應力可以根據莫爾應力圓可以得出。根據圖3可知，莫爾應力圓隨著剪應力σ1的增大，直線K與莫爾應力圓逐漸接近，當莫爾應力圓與直線K相切時，巷道底板圍巖發生剪切破壞。隨著σ1的不斷增大，直線K與莫爾應力圓的切點N對應為圖2中的C、F兩點，巷道的底板剪切破壞從C、F兩點開始，逐漸向巷道底板一側靠近。因此在三角形ABC區域中，最大主應力σ1=q，最小主應力σ3>0。三角形ABC中平均應力為

(1)

式中：c——巷道底板圍巖的內聚力；

φ——巷道底板圍巖內摩擦角。

三角形BHM區域也屬于均勻應力區，自由邊界上法向應力和剪切應力都為零，因此，BCM區域應力為

(2)

式中：ψ——邊界AB與BM的夾角。

在三邊形BCH區域中，直線BH符合Hencky第一定律，得：

(3)

(4)

(5)

式中：u——邊界BH、HM與BM夾角。

則

(6)

三角形ABC為均勻應力場，則

(7)

(8)

極限應力載荷q為

(9)

由式(9)可知，當載荷達到極限值q時，就會發生沖擊地壓誘發煤與瓦斯突出。

5 沖擊地壓誘發煤與瓦斯突出防治技術

5.1 釋放煤巖體內能

在留底煤區域采用了“兩幫爆破卸壓，底板隔排卸壓”的處理措施釋放積聚的彈性變形能。從留底煤厚度區域邊界開始，兩幫每隔5m布置爆破鉆孔；底板每隔10m進行施工一條卸壓帶(可采用大直徑鉆孔或爆破)，在該處進行注水，具體如圖4所示。

圖4 釋放煤巖體內能示意圖

5.2 抽放瓦斯內能

通過對瓦斯進行抽放，從而消減煤體瓦斯的濃度，降低了發生煤與瓦斯突出災害的概率。1307工作面瓦斯提前預抽，共布置2 625個預抽鉆孔，鉆孔孔徑φ65mm，孔間距0.6～1.0m，孔深60～105m，封孔材料為聚氨酯，封孔長度8m，鉆孔角度與煤層傾角一致，抽放負壓194～195mm/Hg。

5.3 煤層注水

實踐證明煤層注水是有效預防沖擊地壓和煤與瓦斯突出復合動力災害的有效措施。通過煤層注水改變煤體的物理學狀態，增加了煤層塑性區的范圍，降低了能量在煤體的集中，從而可以達到防治沖擊地壓的目的。煤層注水也在一定的程度上減少了瓦斯的內能，可以有效預防煤與瓦斯突出。

在1307工作面運輸巷道和回風巷道各布置10個注水鉆場，孔徑φ94mm、孔底間距15m，孔深要求保證兩順鉆孔覆蓋全工作面，注水卸壓見表1。開孔高度在巷道底板往上1.0～1.5m，鉆孔角度沿煤層傾角施工。

表1 注水卸壓參數

6 效果檢驗

采用鉆屑法對沖擊危險區域卸壓效果進行檢測，確定卸壓效果[7-8]。選取三個點，采用鉆屑法，通過觀測煤粉量的大小來判定危險是否解除。鉆屑煤粉量曲線如圖5所示。

圖5 卸壓后鉆屑煤粉量曲線圖

由圖5可知，3個點的最大煤粉量均在2.2 kg/m左右，由此可以得出，防治措施有效防治了沖擊地壓和煤與瓦斯突出，達到了良好的防治效果。

7 結論

(1)研究了薄基巖條件沖擊地壓誘發煤與瓦斯突出的機制，并得出了該條件下沖擊地壓誘發煤與瓦斯突出的極限載荷。

(2)采用釋放煤巖體彈性變形能、抽放瓦斯內能、煤層注水對沖擊地壓誘發煤與瓦斯突出進行防治，并采用鉆屑法對防治效果進行效果檢驗，卸壓效果良好。