堅硬煤層條件下防沖卸壓措施選擇及參數(shù)優(yōu)化分析

姚智堂，王顏亮 ，董亞東，高昊銳，劉耀輝，王 團，魏曉虎，徐 旭

（1.中煤礦業(yè)集團有限公司，北京 100089；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100083；3.鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；4.北京安科興業(yè)礦山安全技術(shù)研究院有限公司，北京 102299）

0 引 言

近年來，隨著采掘強度的增加，煤礦沖擊地壓災害日益成為影響煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的重要因素之一[1-3]。近年來隨著我國煤炭資源開采向內(nèi)蒙、陜西等西部省份遷移，這些地區(qū)的動壓顯現(xiàn)和沖擊事故數(shù)量呈明顯增加的趨勢，其中，內(nèi)蒙古鄂爾多斯烏審旗地區(qū)礦井與東部沖擊地壓礦井相比，開采深度普遍不超過750 m 的條件下，頻繁出現(xiàn)動壓顯現(xiàn)[4-7]。其主要原因為開采布局以寬煤柱雙巷掘進為主，煤層堅硬導致沖擊傾向性較強，推采速度較快等[8]，這些原因嚴重威脅礦山安全生產(chǎn)。

2017 年2 月，國家煤礦安全監(jiān)察局組織制定的《防治煤礦沖擊地壓細則》規(guī)定：“沖擊地壓礦井必須采取區(qū)域和局部相結(jié)合的防沖措施”、“沖擊地壓礦井應當在采取區(qū)域措施基礎(chǔ)上，選擇煤層鉆孔卸壓、煤層爆破卸壓、煤層注水、頂板水力致裂、底板鉆孔或爆破卸壓等至少一種有針對性、有效的局部防沖措施”。目前，東部對沖擊地壓接觸較早的礦井基本形成了各自的沖擊地壓局部防治措施體系，但是，鄂爾多斯地區(qū)堅硬煤層條件下，局部防沖措施的選擇及參數(shù)優(yōu)化工作尚屬起步階段，具有較強的實踐意義。本文以鄂爾多斯市母杜柴登礦井30202 工作面為工程背景，開展了工作面沖擊地壓局部防治措施的選擇及參數(shù)優(yōu)化工作。

1 常用防沖局部卸壓措施分析

沖擊地壓災害是一種復雜的礦山動力顯現(xiàn)，為實現(xiàn)對高應力區(qū)煤巖體應力的解除與轉(zhuǎn)移，保障工作面的安全回采，目前工程領(lǐng)域較常見的卸壓措施有卸壓爆破、煤層大直徑鉆孔卸壓、水力壓裂技術(shù)等，以下對常見沖擊地壓防治的局部卸壓措施進行對比分析。

（1） 卸壓爆破。

卸壓爆破是通過在高應力區(qū)（或預計可能產(chǎn)生應力集中的區(qū)域） 附近實施打孔爆破，主動破壞煤體使之失去承載能力，從而起到卸壓效果的卸壓方式。其目的是改變支承壓力帶的形狀和減小應力峰值，使巷道周邊的圍巖和深部巖體脫離，使得原來處于高應力狀態(tài)的巖體應力釋放，將應力轉(zhuǎn)移到圍巖深部[9]。

優(yōu)點：見效快，應力能實現(xiàn)實時轉(zhuǎn)移，適用于地應力大、煤質(zhì)堅硬的煤層。

缺點：危險系數(shù)高，炸藥管制嚴格，不適用高瓦斯礦井，對爆炸參數(shù)要求高，如炮眼孔徑太小，若裝藥不能滿足要求，則不僅起不到防突的作用，反而有可能誘導突出的發(fā)生。

（2） 煤層注水。

煤層高壓注水是在工作面前方用高壓水注入煤體，從而壓裂煤體，使煤體結(jié)構(gòu)破壞，降低煤體承載能力，同時降低煤體的彈性性質(zhì)。

優(yōu)點：煤層注水成本低，操作簡單，適應性強；煤層注水措施一般適用于地應力大、瓦斯壓力大、煤質(zhì)松軟、易于粉化和流變的突出煤層。

缺點：見效慢，不適用于預警區(qū)二次卸壓，對煤層堅硬地區(qū)卸壓效果不明顯，注水效果難以保證，工作面易產(chǎn)生污水。

（3） 煤層大直徑鉆孔卸壓。

煤層大直徑鉆孔卸壓措施是通過在煤體中施工大直徑鉆孔來防治沖擊地壓的措施，其目的是為煤體變形提供空間，達到?jīng)_擊地壓防治“低密度”的效果[10]。此措施適用深巷、高應力煤層，而且工藝簡單、效果明顯、經(jīng)濟效益好、安全且適應性強，是一種易于推廣、有著廣闊的應用前景的局部防沖措施。大直徑鉆孔卸壓應用廣泛，全國大多數(shù)沖擊地壓礦井采用此項防沖卸壓措施式[11]，如國內(nèi)華豐煤礦、陽城煤礦、古城煤礦、義馬煤礦、濟寧梁寶寺、新巨龍煤礦等礦井。

姜福興教授針對新巨龍沖擊地壓顯現(xiàn)的情況，確定了大直徑鉆孔參數(shù)配置及卸壓的解危措施，同時針對不同危險區(qū)域，提出了分區(qū)分級的防治理念，并在新巨龍煤礦成功應用，取得了良好的卸壓效果[12]。

蔣宇靜教授針對預警區(qū)域信息分析，認為鉆孔卸壓能夠有效降低巷道上方及其周圍巖體彈性能量的積聚，降低區(qū)域沖擊危險性，認為大直徑鉆孔卸壓機理及其合理參數(shù)的深入研究具有工程應用價值[13]。

優(yōu)點：工藝簡單，施工方便，通用性較強，容易貫通井下裂隙通道，卸壓安全性較高。

缺點：工程量大，卸壓成本高。

（4） 水力壓裂技術(shù)。

水力壓裂技術(shù)是指在鉆孔壓裂段預制裂縫，從而控制水力壓裂裂紋擴展方向的技術(shù)，對堅硬頂板的控制有明顯卸壓效果，但針對母杜柴登煤礦的地質(zhì)條件，需考慮到30202 工作面關(guān)鍵層位位置，同時在水力壓裂施工中需要控制水流流向所需壓裂方位進行起裂，即垂直于最大主應力方向進行起裂，避免水流沿著覆巖裂隙流失。

優(yōu)點：成本相對較低，理論效果好；不易產(chǎn)生灰塵。

缺點：施工可控制性較差；厚煤層壓裂效果有待研究。

2 工程概況及措施選擇

2.1 工程概況

鄂爾多斯市母杜柴登礦井30202 工作面位于302 盤區(qū)南翼東部，走向長3 718 m，傾向長268 m，平均采深640 m。工作面東側(cè)緊鄰30201 工作面采空區(qū)，兩工作面平行布置，留設(shè)20 m 區(qū)段煤柱，西側(cè)為實煤體，工作面平面位置如圖1 所示。工作面上方存在多層硬厚砂巖組，以工作面附近的B22 鉆孔為例，煤層上方100 m 范圍內(nèi)存在厚度超過10 m 的砂巖層有3 層，這些硬厚巖層在工作面大范圍開采后的懸頂及周期性運動，將對工作面的沖擊地壓顯現(xiàn)造成較大的影響，見表1。

表1 B22 鉆孔巖層特性Table 1 B22 borehole strata characteristics

由于30202 工作面平均埋深超過600 m，且具有煤層堅硬、頂板多厚硬巖層、寬區(qū)段煤柱、高強度開采等特征，在工作面回采期間，臨空巷道出現(xiàn)明顯動力現(xiàn)象，需開展針對性沖擊地壓防治技術(shù)研究工作。

圖1 30202 工作面位置及周邊開采概況Fig.1 Layout and mining of 30202 working face

2.2 母杜柴登30202 面卸壓方式選擇

在沖擊地壓礦井生產(chǎn)作業(yè)過程中，局部卸壓工程作為一種常規(guī)性的安全保障措施，具有工程量大，長期施工的特點。

因此，在卸壓方式選擇時應該遵循工程成本低、井下作業(yè)施工方便、安全系數(shù)高、可控性強的原則。針對局部卸壓措施的優(yōu)缺點分析匯總見表2，結(jié)合母杜柴登礦井煤層強度較大（其單軸強度平均為35.37 MPa）、頂板存在多層堅硬巖層等現(xiàn)狀，確定了30202 工作面采用煤層大直徑鉆孔卸壓技術(shù)作為局部卸壓的主要措施。

表2 卸壓解危措施分析對照Table 2 Analysis of pressure relief measures

3 卸壓參數(shù)的優(yōu)化

為降低沖擊地壓發(fā)生的可能性，30202 工作面輔助運輸巷采用煤層大直徑鉆孔卸壓方式對工作面進行預卸壓。施工過程中，若卸壓孔徑過小、間距過大，卸壓不充分，導致工作面沖擊危險性增大；若卸壓孔徑過大、間距過小，又會造成成本高和資源浪費等問題。

據(jù)此，本文采用數(shù)值模擬分析的方法，開展針對30202 工作面的煤層大直徑卸壓孔合理孔徑及間距研究。

3.1 模型建立

為進一步優(yōu)化卸壓效果，選用合理高效的大直徑鉆孔卸壓參數(shù)，設(shè)計了4 種卸壓方案（表3），采用有限元數(shù)值模擬軟件FlAC3D 建立模型進行了模擬。

模型尺寸：卸壓孔間距為1 m 時，模型尺寸沿X、Y、Z 軸方向的大小分別為8、30 和6 m；卸壓孔間距為0.75 m 時，模型尺寸沿X、Y、Z 軸方向的大小分別為6、30 和6 m，其中沿X 軸是工作面走向方向，沿Y 軸是煤層傾向方向，Z 軸為垂直方向，4 個模型各施工8 個鉆孔，鉆孔鉆進深度為20m。模型如圖2 所示（以1 m 孔間距153 mm 孔徑為例）。

表3 數(shù)值模擬參數(shù)Table 3 Parameters of numerical simulation

模型定義為摩爾- 庫倫本構(gòu)模型，參考礦井實測數(shù)據(jù)及相關(guān)工程經(jīng)驗，確定煤體的物理力學參數(shù)具體見表4。模型上邊界設(shè)定為應力邊界，初始設(shè)置根據(jù)工作面埋深設(shè)定為20 MPa，模型下邊界固定X、Y 方向位移；模型左、右兩側(cè)固定X 方向位移；模型前、后兩側(cè)固定Y 方向位移。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 塑性破壞區(qū)域分析

4 種不同施工參數(shù)下塑性區(qū)的計算結(jié)果如圖3所示。

圖2 三維模型網(wǎng)格圖Fig.2 3 d model

由圖3（a） 以看出，按照方案一的參數(shù)施工鉆孔后，鉆孔周邊只在45°上、下肩角方向形成塑性破壞區(qū)，形式以剪切破壞為主。此方案塑性區(qū)并未貫通，且其他區(qū)域仍未破壞，具有承載能力；由圖3（b） 可知，按照方案二的參數(shù)施工鉆孔后，形成的塑性區(qū)域較上一種方案有所增大，塑性區(qū)相互連通，但中間仍存在約0.2 m 的未破壞區(qū)域；由圖3（c） 可知，按照方案三的參數(shù)施工鉆孔后，兩鉆孔間塑性區(qū)域完全貫通，形成完整的卸壓層，使煤體整體破壞并失去正在能力；由圖3（d） 可知，按照方案四的參數(shù)施工鉆孔后，較方案三塑性破壞區(qū)域進一步加大，形成整體卸保護帶。

表4 煤體物理力學參數(shù)Table 4 Physical and mechanical parameters of coal body

圖3 不同施工參數(shù)下塑性破壞區(qū)Fig.3 Plastic failure zone under different construction parameters

3.2.2 沿巷道垂向剖面應力分析

沿巷道垂向剖面應力分布云圖如圖4 所示，4種不同參數(shù)的的模擬結(jié)果顯示，鉆孔中部區(qū)域在鉆孔施工后，均出現(xiàn)不同程度向煤體應力向深部轉(zhuǎn)移的情況，其中，方案四由于卸壓強度最高，應力轉(zhuǎn)移程度也最高，其次是方案三。

3.2.3 卸壓參數(shù)的選擇

從卸壓效果方面考慮，經(jīng)過以上數(shù)值模擬分析，方案三、方案四均能達到較好的防治效果。

從施工時間考慮，根據(jù)現(xiàn)場工程經(jīng)驗，方案三（孔徑153 mm） 每日（可供施工的時間按照20 h計算） 鉆孔總進尺可達240 m，合每日輔助運輸巷向外施工5.6 m（孔間距0.75 m，兩幫施工正幫孔深20 m，副幫孔深12 m）；按照方案四（孔徑200 mm） 施工時，同樣方法計算約合每天向外施工4.6 m 巷道。據(jù)此，當工作面平均每日推進6 刀（5.2 m） 時，方案四的施工方式無法跟上回采進度，嚴重影響生產(chǎn)。

圖4 沿走向剖面應力云圖Fig.4 Stress cloud along section

綜上，30202 工作面采用方案三（孔徑153 mm，間距0.75 m） 的參數(shù)進行施工時，既能達到較好的卸壓效果，又能保證施工進度，降低施工成本，因此建議優(yōu)先采用此方案。

4 結(jié) 論

（1） 匯總對比了常規(guī)防沖局部卸壓措施的優(yōu)缺點及適用性，分析確定選用煤層大直徑卸壓措施作為工作面常規(guī)局部卸壓措施。

（2） 通過數(shù)值模擬分析，方案三（孔間距0.75 m，孔徑153 mm） 與方案四（孔間距0.75 m，孔徑200 mm） 均可使兩鉆孔間塑性區(qū)相互連通，起到卸壓目的。

（3） 結(jié)合現(xiàn)場施工效率、施工成本等其它因素，最終確定母杜柴登30202 工作面采用方案三（孔徑153 mm，孔間距0.75 mm） 作為煤層大直徑卸壓的參數(shù)，并在現(xiàn)場應用中起到了很好的效果。