張雙樓煤礦應(yīng)力集中區(qū)沖擊地壓災(zāi)害防控實踐

張雷

(1.江蘇徐礦能源股份有限公司 張雙樓煤礦， 江蘇 徐州 221616；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

由于沖擊地壓礦井開拓開采設(shè)計不合理，同時缺乏“區(qū)域先行、局部跟進(jìn)、分區(qū)管理、分類防治”的治災(zāi)思路[1-2]，導(dǎo)致在采掘強沖擊傾向性煤層過程中極易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害[3-5]。沖擊地壓發(fā)生時，聚積在煤巖體中的彈性能量以突然、急劇、猛烈的形式釋放，造成煤巖體振動和破壞，動力將煤巖拋向井巷，同時發(fā)出強烈聲響，造成支架與設(shè)備、井巷的破壞及人員的傷亡等[6-9]。尤其是當(dāng)回采區(qū)域內(nèi)煤層上方存在堅硬厚層砂巖頂板時，工作面回采過程中頂板突然破斷產(chǎn)生的強礦震誘發(fā)沖擊災(zāi)害的概率較大，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。

針對堅硬頂板突然破斷誘發(fā)沖擊災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警，文獻(xiàn)[10]通過微震監(jiān)測系統(tǒng)獲取強礦震發(fā)生的具體位置，構(gòu)建微震多維信息識別指標(biāo)體系，包括優(yōu)選的頻次指標(biāo)和新提出的震源集中程度、最大應(yīng)力和總應(yīng)力當(dāng)量指標(biāo)。文獻(xiàn)[11]根據(jù)礦震事件分析礦壓顯現(xiàn)劇烈程度、沖擊危險程度，并根據(jù)能量、頻次等變化規(guī)律，提前預(yù)警分析沖擊災(zāi)害發(fā)生的概率。上述針對沖擊災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警對沖擊地壓的防控起到了很好的預(yù)測指導(dǎo)作用，但針對工作面局部區(qū)域堅硬厚層頂板誘發(fā)的沖擊災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警還需要精準(zhǔn)探測研究。

深井堅硬厚層砂巖頂板是誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害的主控因素之一。針對堅硬厚層頂板誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害防治，文獻(xiàn)[12]建立了分時、分區(qū)、分級斷頂爆破防治沖擊地壓技術(shù)體系，并通過理論計算、鉆屑監(jiān)測和微震監(jiān)測手段檢驗斷頂爆破的效果。文獻(xiàn)[13-14]從堅硬頂板作用在煤體上產(chǎn)生的應(yīng)力、能量、動載荷角度揭示了堅硬頂板誘發(fā)沖擊地壓機理及沖擊災(zāi)害發(fā)生的判別準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[15]認(rèn)為綜放開采特厚煤層條件下堅硬厚層砂巖極易滑移失穩(wěn)，為沖擊地壓的發(fā)生提供了遠(yuǎn)場動載荷。文獻(xiàn)[16]分析了綜放工作面堅硬厚層頂板誘發(fā)沖擊地壓的主控因素為高靜載應(yīng)力、高能量礦震載荷和柔性支護(hù)。針對堅硬厚層頂板誘發(fā)沖擊災(zāi)害的防治難題，國內(nèi)外研發(fā)了爆破切頂和水壓致裂頂板技術(shù)[17]。文獻(xiàn)[18]探討了深孔斷頂爆破防沖機制。文獻(xiàn)[19]研究了防治沖擊地壓的多級爆破卸壓技術(shù)。以上研究針對堅硬頂板爆破卸壓防治沖擊地壓災(zāi)害取得了豐碩成果，但現(xiàn)有的爆破卸壓防治措施僅針對煤層頂板，對頂板-煤體-底板三協(xié)同爆破卸壓治理研究較少，特別對堅硬厚層砂巖頂板覆層區(qū)域的沖擊災(zāi)害防治研究更少。

本文以江蘇徐礦能源股份有限公司張雙樓煤礦74101綜采工作面為工程背景，分析了砂巖覆層應(yīng)力異常區(qū)沖擊災(zāi)害發(fā)生原因，并利用礦震震動波CT(Computerized Tomography,計算機層析成像)反演技術(shù)探測砂巖覆層區(qū)應(yīng)力集中程度，進(jìn)而實施精準(zhǔn)的“頂板-煤體-底板”一體化爆破卸壓技術(shù)，優(yōu)化爆破工藝參數(shù)，通過分析工作面微震能量、頻次變化規(guī)律，驗證卸壓防沖效果。本文研究成果可為與張雙樓煤礦相似生產(chǎn)、地質(zhì)條件下工作面沖擊災(zāi)害的監(jiān)測防治提供參考。

1 工程概況

江蘇徐礦能源股份有限公司張雙樓煤礦74101工作面位于-1 000 m水平東翼采區(qū)，東至f30斷層，西至工業(yè)廣場保護(hù)煤柱，南臨7123采空區(qū)，北部為實體煤未采區(qū)。地面標(biāo)高為+38.0～+38.5 m，煤層底板標(biāo)高為-956.7～-980.5 m，工作面寬約180 m，走向長約1 336 m，工作面布置如圖1所示。74101工作面切眼附近發(fā)育f30斷層(∠55°， 斷層落差H為0～12.5 m)，工作面軌道巷靠近頂板砂巖增厚區(qū)發(fā)育f10(∠65°，H=0～4.5 m)正斷層，工作面內(nèi)延展影響范圍沿走向達(dá)50 m，沿傾向達(dá)35 m。

圖1 74101工作面布置Fig.1 Layout of 74101 working face

張雙樓煤礦7煤層和砂巖覆層區(qū)堅硬頂板沖擊傾向性鑒定結(jié)果均為強沖擊傾向性，煤巖易失穩(wěn)，誘發(fā)沖擊災(zāi)害。74101工作面局部砂巖覆層增厚區(qū)結(jié)構(gòu)如圖2所示。74101工作面主采7煤層，平均煤厚為3.5 m，近水平煤層，煤層堅固性系數(shù)為1.74，綜采放頂煤開采，垮落法管理采空區(qū)。工作面?zhèn)雾敒?.2 m厚泥巖，堅固性系數(shù)為3.5；直接頂為5.1 m的厚細(xì)砂巖，堅固性系數(shù)為5.3～6.5；基本頂為中細(xì)砂巖，頂板覆層異常區(qū)域基本頂平均厚度由6.8 m增大為12.7 m，堅固性系數(shù)為7.6～8，增厚區(qū)在工作面內(nèi)延伸達(dá)65 m左右；直接底為4.7 m厚泥巖，堅固性系數(shù)為3.5；基本底為24.4 m厚的細(xì)砂巖，堅固性系數(shù)為6.6～7.5。

圖2 74101工作面局部砂巖覆層增厚區(qū)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the local thick sandstone overburden area on 74101 working face

2 沖擊災(zāi)害概況及誘因分析

2.1 工作面沖擊災(zāi)害概況

74101工作面臨近7301工作面采空區(qū)，7301工作面下伏9121工作面正在回采9煤層(與7煤層間距約為26 m)。74101工作面軌道巷曾經(jīng)發(fā)生過強礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，現(xiàn)場底鼓為1～2 m，軌道及蓋板被彈起并拋到巷道另一側(cè)，底板出現(xiàn)小裂縫，幫部變形不明顯。2015-05-30，74101運輸巷在綜掘機割煤掘進(jìn)時曾發(fā)生“5.30”大礦震事件，能量為5.29×104J，掘進(jìn)工作面上幫向后第1—5排錨桿出現(xiàn)大位移，第1—2排錨桿最大位移量為0.8 m，掘進(jìn)工作面向后8～12 m內(nèi)向巷道中間鼓出0.2 m。2010-07-30,該區(qū)域-1 200 m東一采區(qū)7煤層運輸上山在掘進(jìn)過程中發(fā)生“7.30”沖擊地壓災(zāi)害，礦震最大能量震級為2.7級，破壞通風(fēng)設(shè)施7處，損壞刮板輸送機、帶式輸送機各1部，破壞巷道178 m，造成6人死亡。對該區(qū)域發(fā)生的3次較嚴(yán)重的沖擊災(zāi)害進(jìn)行總結(jié)分析，找出致災(zāi)主控因素及發(fā)生原因。

2.2 沖擊災(zāi)害誘因分析

2.2.1 開采布局不合理

沖擊地壓防治應(yīng)堅持“區(qū)域先行、局部跟進(jìn)”的原則，從采掘布局、開采設(shè)計等方面避免或降低采掘區(qū)域高應(yīng)力集中現(xiàn)象。張雙樓煤礦3次沖擊災(zāi)害發(fā)生的原因是采掘布局不合理，開采擾動劇烈，致使局部應(yīng)力集中程度高，誘發(fā)沖擊災(zāi)害。張雙樓煤礦采掘工作面發(fā)生沖擊地壓之前，對沖擊地壓災(zāi)害認(rèn)識不足，未從開采保護(hù)層、不留孤島工作面等方面提高防范意識。采掘工作面參數(shù)設(shè)計、礦壓控制等均采用淺部開采經(jīng)驗與理論，尤其是終采線位置、大巷保護(hù)煤柱寬度、區(qū)段煤柱寬度等設(shè)計不合理，導(dǎo)致工作面開采過程中形成高應(yīng)力集中區(qū)。“5.30”沖擊與“7.30”沖擊區(qū)域，巷道間的煤柱高達(dá)26.5 m，形成孤島煤柱高應(yīng)力集中區(qū)，誘發(fā)沖擊災(zāi)害。74101工作面軌道巷和運輸巷掘進(jìn)過程中，臨近7301工作面采空區(qū)下覆9121工作面正在回采，74101工作面運輸巷掘進(jìn)工作面距9121回采工作面走向距離約為230 m，最遠(yuǎn)距離約為330 m，9121工作面綜放開采覆巖運移對74101工作面兩巷掘進(jìn)擾動較大，采掘距離遠(yuǎn)小于《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的最小安全距離，近距離采掘擾動，形成局部高應(yīng)力集中，是導(dǎo)致3次沖擊災(zāi)害發(fā)生的重要原因。

2.2.2 煤巖沖擊傾向性強

對張雙樓煤礦7煤層進(jìn)行沖擊傾向性測定，測定結(jié)果如下：平均動態(tài)破壞時間為47 ms，沖擊能量指數(shù)為4.13，彈性能量指數(shù)為9.2；單軸抗壓強度為17.4 MPa，7煤層上覆頂板的彎曲能量指數(shù)為23.9 kJ，綜合判定7煤層具有強沖擊傾向性，7煤層上覆頂板具有弱沖擊傾向性，即7煤層及其頂板在采動應(yīng)力集中條件下易發(fā)生失穩(wěn)破壞，誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。

2.2.3 砂巖覆層區(qū)應(yīng)力集中程度高

張雙樓煤礦為典型的千米深井，深井高應(yīng)力集中,極易誘發(fā)沖擊災(zāi)害。統(tǒng)計表明[3]，每開采百萬噸煤炭，沖擊地壓發(fā)生指數(shù)隨開采深度的增加明顯升高，74101工作面平均開采深度約為1 000 m，開采百萬噸煤炭其沖擊地壓發(fā)生指數(shù)為0.8，工作面可采煤炭儲量為137萬t。工作面可能發(fā)生沖擊地壓的次數(shù)為1.09次，即74101工作面采掘過程中，沖擊地壓發(fā)生的可能性接近100%。

煤體在應(yīng)力異常區(qū)內(nèi)沖擊失穩(wěn)主要有近場靜載應(yīng)力為主的沖擊和遠(yuǎn)場動載震動為輔的沖擊2種，如圖3所示。靜載應(yīng)力沖擊是由于煤體受力超過了其最大承載能力而發(fā)生的突然失穩(wěn)，而動載震動沖擊則是由于煤體上方存在厚層和堅硬的巖層，其破斷時產(chǎn)生強烈動載，震動波傳播到達(dá)煤體時，促使煤體內(nèi)的應(yīng)力急劇增加，產(chǎn)生猛烈的沖擊破壞。

圖3 煤體沖擊破壞Fig.3 The schematic diagram of coal rock burst

“7.30”沖擊災(zāi)害事故地點、74101軌道巷強礦壓發(fā)生區(qū)域、“5.30”運輸巷掘進(jìn)頭沖擊位置均位于74101工作面的頂板砂巖增厚區(qū)域，同時74101工作面軌道巷靠近頂板砂巖增厚區(qū)發(fā)育f10斷層，7煤層底板發(fā)育堅硬厚層細(xì)砂巖，3次沖擊災(zāi)害發(fā)生地點位于頂板、煤層、底板“三硬”區(qū)域。頂板砂巖覆層異常、斷層地質(zhì)構(gòu)造、底板堅硬細(xì)砂巖等地質(zhì)條件造成局部高應(yīng)力集中，誘發(fā)了3次沖擊災(zāi)害。

3 震動波CT反演監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

利用74101工作面回采過程中的礦震事件，進(jìn)行CT技術(shù)反演，精準(zhǔn)探測砂巖覆層增厚區(qū)域的高應(yīng)力集中分布區(qū)。沖擊地壓預(yù)測預(yù)報的基礎(chǔ)是確定煤層中的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力集中程度。由張雙樓煤礦煤巖物理力學(xué)性質(zhì)試驗與煤巖樣應(yīng)力對應(yīng)關(guān)系可知，其異常值A(chǔ)為

(1)

采動應(yīng)力場大小及其動態(tài)遷移可以通過震動波波速的大小來反映。應(yīng)力高且集中程度大的區(qū)域，相對其他區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)縱波波速的高值異常，即縱波波速越高的區(qū)域，應(yīng)力越高，應(yīng)力集中程度越大。CT反演探測結(jié)果如圖4所示，砂巖覆層增厚高應(yīng)力集中區(qū)：運輸巷側(cè)沿巷道75 m，延伸工作面60 m橢圓形區(qū)域；軌道巷側(cè)沿巷道60 m，延伸工作面80 m橢圓形區(qū)域。探測到的高應(yīng)力異常集中區(qū)域在掘進(jìn)過程中已發(fā)生2次沖擊災(zāi)害，說明反演結(jié)果可靠。

圖4 震動波CT探測應(yīng)力異常區(qū)分布Fig.4 Distribution of abnormal stress area detected by shock wave CT

4 沖擊地壓災(zāi)害防治實踐

針對劃分的74101工作面砂巖覆層增厚高應(yīng)力集中區(qū)，研究精準(zhǔn)的防治解危措施及工藝技術(shù)參數(shù)，卸荷降沖，實現(xiàn)安全回采。針對張雙樓煤礦7煤層砂巖覆層異常區(qū)域采取“頂板-煤體-底板”一體化爆破卸壓技術(shù)，該技術(shù)包括砂巖覆層區(qū)異常區(qū)沿工作面傾向斷頂爆破、臨空側(cè)煤柱走向斷頂爆破、工作面內(nèi)斷頂爆破、臨空側(cè)煤體爆破、實體煤側(cè)煤體爆破、沿工作面傾向斷底爆破、臨空側(cè)走向斷底爆破，形成分時分區(qū)分級的“頂板-煤體-底板”三協(xié)同爆破防治沖擊地壓技術(shù)體系。

4.1 “頂板-煤體-底板”一體化爆破卸壓技術(shù)

4.1.1 深孔爆破切頂技術(shù)

在74101工作面軌道巷和運輸巷接近應(yīng)力集中異常區(qū)域100 m范圍內(nèi)實施爆破切頂解危措施。在運輸巷布置1號鉆孔，孔徑為90 mm，爆破切割工作面內(nèi)部的厚層砂巖頂板。在軌道巷布置扇形鉆孔4個，孔徑為90 mm，其中2號、3號鉆孔孔底間距為10 m，5號孔與4號孔間距為20 m，解決了采空區(qū)側(cè)向形成的弧形三角板動載荷來源區(qū)的懸頂問題。每組設(shè)置1—5號鉆孔，間隔20 m施工一組鉆孔，對工作面沿走向100 m范圍內(nèi)爆破切頂，爆破孔布置如圖5所示。爆破切頂鉆孔設(shè)計參數(shù)見表1。

圖5 74101工作面扇形爆破孔剖面圖Fig.5 Sectional view of fan-shaped blast hole on 74101 working face

表1 頂板爆破鉆孔設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of roof blast hole

4.1.2 煤體爆破卸壓技術(shù)

74101工作面回采過砂巖覆層異常區(qū)域，對煤體采取短孔卸壓爆破技術(shù)。爆破參數(shù)：孔徑為42 mm，孔深為10 m，裝藥長度為5 m，封孔長度為5 m，爆破孔間距為5 m，爆破鉆孔布置如圖6所示。

圖6 煤體卸壓爆破孔布置Fig.6 Layout of coal pressure relief blasting borehole

4.1.3 底板爆破卸壓

74101工作面底板覆層堅硬厚層細(xì)砂巖，工作面回采通過頂板砂巖覆層異常區(qū)域時，極易產(chǎn)生大量彈性能，誘發(fā)沖擊災(zāi)害。底板爆破鉆孔布置在巷道兩幫距底板0.1～0.3 m處，按60～70°俯角施工，鉆孔深度為10 m，鉆孔間距為5 m，每孔裝藥2 kg，封滿炮泥，每次起爆鉆孔數(shù)量為5個，躲炮距離大于300 m。

4.2 治理效果評價

74101工作面煤體和頂?shù)装灞菩秹汉螅ぷ髅婊夭赏ㄟ^砂巖覆層異常區(qū)過程中，工作面軌道巷圍巖變形得到有效控制，如圖7所示，未出現(xiàn)巷道底板大面積底鼓影響安全生產(chǎn)現(xiàn)象。

(a) 爆破切頂前

卸壓爆破前后礦震日累計能量、頻次如圖8所示。從圖8可看出， 74101工作面砂巖覆層異常區(qū)域采取煤體及頂?shù)装逍秹罕魄埃瑥姷V壓顯現(xiàn)強烈，日累計最大能量高達(dá)1.57×104J，日累計頻次高達(dá)62次，高能量礦震發(fā)生次數(shù)多。采取針對性爆破卸壓防治措施后，礦壓顯現(xiàn)緩和，日累計最大能量均在104J以下，且日累計頻次均在30次以下，消除了高應(yīng)力集中現(xiàn)象，卸壓效果明顯。

圖8 卸壓爆破前后礦震日累計能量、頻次對比Fig.8 Comparison of daily accumulative energy and vibration frequency of rock bursts before and after pressure relief blasting

爆破卸壓后工作面回采期間礦震分布如圖9所示。74101工作面回采通過砂巖覆層應(yīng)力集中區(qū)過程中，采取“頂板-煤體-底板”爆破卸壓前單次釋放能量大于104J的礦震(圖中紅色圓點)主要位于工作面靠近砂巖覆層異常區(qū)域一側(cè)。采取爆破卸壓措施后，工作面通過砂巖覆層異常區(qū)域過程中，沒有出現(xiàn)高能量礦震，能量均小于104J，且礦震分布均勻，表明對煤體及頂?shù)装宀扇”菩秹捍胧┖螅簬r體彈性能有序釋放，礦震活動呈現(xiàn)低能量、低頻次的特征，沖擊危險性顯著降低。

圖9 爆破卸壓后工作面回采期間礦震分布Fig.9 Distribution of rock bursts on working face after pressure relief blasting

5 結(jié)論

(1) 張雙樓煤礦74101工作面周邊開采布局不合理、煤巖沖擊傾向性強、砂巖覆層區(qū)應(yīng)力集中程度高、防沖監(jiān)測預(yù)警臨界值界定不清是誘發(fā)3次沖擊災(zāi)害的主控因素。

(2) 采用礦震震動波CT反演技術(shù)獲取了74101工作面砂巖覆層區(qū)沖擊危險性，揭示了煤巖體突然失穩(wěn)破壞誘發(fā)沖擊災(zāi)害的原因。

(3) 針對74101工作面砂巖覆層區(qū)采取“頂板-煤體-底板”卸壓爆破技術(shù)措施后，其礦震日累計能量由1.57×104J降低至104J以下，震動頻次由60次降低至30次以下，煤巖體彈性能有序釋放，礦震活動呈現(xiàn)低能量、低頻次的特征，應(yīng)力異常區(qū)域沖擊危險性顯著降低。