采煤工作面過(guò)夾矸帶期間沖擊地壓防治技術(shù)研究

梁東輝，劉 雨，王建坤，沙成海

(山東省濟(jì)寧市金橋煤礦，山東 濟(jì)寧 272200)

0 引言

采掘工作面過(guò)夾矸帶、斷層等地質(zhì)構(gòu)造期間，受采動(dòng)影響夾矸帶內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力釋放，容易誘發(fā)沖擊地壓[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)全國(guó)多個(gè)礦區(qū)發(fā)生了采掘工作面在夾矸區(qū)域發(fā)生沖擊地壓的情況，因此采掘工作面過(guò)地質(zhì)構(gòu)造帶期間需采取有效的沖擊地壓防治措施，防止發(fā)生沖擊地壓事故。以金橋煤礦1304、1308工作面過(guò)夾矸帶回采作為研究對(duì)象，利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重點(diǎn)研究正在回采的1310工作面夾矸帶區(qū)域微震事件發(fā)生規(guī)律，進(jìn)而確定頂板垮落程度，根據(jù)壓力顯現(xiàn)，采取針對(duì)性預(yù)防卸壓措施，并對(duì)頂板爆破預(yù)裂卸壓措施進(jìn)行展望，確保1310工作面過(guò)夾矸帶期間不發(fā)生沖擊地壓事故。

1 工程概況

濟(jì)寧市金橋煤礦采掘活動(dòng)主要集中在一采區(qū)，主采3號(hào)煤，煤厚2.82～7.10 m，平均厚5.51 m，層位穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)一般較簡(jiǎn)單，含夾矸，通常位于煤層的中下部，其巖性一般為泥巖、炭質(zhì)泥巖或砂質(zhì)泥巖。一采區(qū)北翼夾矸南北向發(fā)育長(zhǎng)度100～170 m，平均約127 m，夾矸厚0～3.5 m，平均2.0 m；夾矸上煤厚1.9～5.2 m，平均3.2 m；夾矸下煤厚1.5～3.6 m，平均2.7 m。當(dāng)在夾矸帶區(qū)域進(jìn)行采掘活動(dòng)時(shí)，受采掘工作面超前應(yīng)力場(chǎng)與夾矸應(yīng)力場(chǎng)疊加影響，導(dǎo)致應(yīng)力高度集中[2]，容易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。采區(qū)工作面布置如圖1所示。

圖1 一采區(qū)北翼夾矸帶平面位置Fig.1 Plan location of partings band in north wing of No.1 mining area

2 一采區(qū)過(guò)夾矸帶區(qū)域微震發(fā)生規(guī)律

通過(guò)對(duì)1308工作面、1304工作面、1310工作面過(guò)夾矸帶前與過(guò)夾矸帶期間微震事件頻次、能量進(jìn)行對(duì)比，研究過(guò)夾矸帶期間頂板垮落程度。由表1～表3可知，1308、1304、1310這3個(gè)工作面過(guò)夾矸帶前日平均微震事件次數(shù)均小于過(guò)夾矸帶期間日平均微震事件次數(shù)，過(guò)夾矸帶前日平均微震事件能量大于過(guò)夾矸帶期間日平均微震事件能量，表明工作面過(guò)夾矸帶前頂板劇烈發(fā)育，單個(gè)微震事件能量較大，能量得到有效釋放，頂板垮落較為充分，過(guò)夾矸帶期間頂板微破裂發(fā)育，單個(gè)微震事件能量較小，頂板未充分垮落，能量未得到有效釋放[3]，因此過(guò)夾矸帶期間現(xiàn)場(chǎng)壓力顯現(xiàn)較為明顯，造成幫鼓、底鼓等現(xiàn)象，增加了擴(kuò)幫、臥底工作量，給工作面正常生產(chǎn)帶來(lái)一定的影響。

表1 1308工作面過(guò)夾矸帶微震事件對(duì)比Table 1 Comparison of microseismic events of No.1308 working face passing through partings band

表2 1304工作面過(guò)夾矸帶微震事件對(duì)比Table 2 Comparison of microseismic events of No.1304 working face passing through partings band

表3 1310工作面過(guò)夾矸帶微震事件對(duì)比Table 3 Comparison of microseismic events of No.1310 working face passing through partings band

3 進(jìn)風(fēng)順槽幫鼓原因分析

1308工作面位于1310工作面東側(cè)，區(qū)段煤柱寬度為5 m。1308工作面、1310工作面回采過(guò)夾矸帶期間，對(duì)夾矸厚度超過(guò)1 m區(qū)域未進(jìn)行放煤，結(jié)合微震事件發(fā)生情況判定1308、1310工作面頂板基本未垮落，造成1308采空區(qū)側(cè)頂板巖層壓在區(qū)段煤柱及1310工作面實(shí)體煤上，使煤體成為壓力承載體。隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)面積逐漸增大，懸頂面積隨之增大，煤體承受的壓力增大，因而造成1310進(jìn)風(fēng)順槽幫鼓。另外，采空區(qū)面積的增大極易造成頂板突然垮落，引發(fā)沖擊地壓事故，如圖2所示。

圖2 1310工作面夾矸帶與煤層關(guān)系Fig.2 Relationship between partings band and coal seam in No.1310 working face

4 進(jìn)風(fēng)順槽過(guò)夾矸帶期間防沖措施

1310進(jìn)風(fēng)順槽過(guò)夾矸帶期間主要采取“強(qiáng)卸壓、強(qiáng)支護(hù)”措施，1310工作面夾矸帶為弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，工作面回采前已完成預(yù)卸壓工作，卸壓孔間距為5 m，過(guò)夾矸帶期間對(duì)卸壓孔進(jìn)行了加密施工，使夾矸帶區(qū)域煤體破壞區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，降低鉆孔周圍煤巖體應(yīng)力集中程度，使夾矸帶區(qū)域煤巖體不具備形成高應(yīng)力集中的條件[4]。1310進(jìn)風(fēng)順槽超前支護(hù)距離120 m，由煤壁向外依次采用7個(gè)邁步式超前支架(單排)配合單體棚支護(hù)46 m、18架單體棚支護(hù)9 m(一梁四柱、棚距0.5 m)、30個(gè)單元支架(單排、間距2.2 m)支護(hù)65 m；經(jīng)驗(yàn)算，超前支護(hù)強(qiáng)度能夠滿足需要。通過(guò)采取“卸—支”措施，并對(duì)鼓幫區(qū)域進(jìn)行超前刷寬，保證了1310工作面正常回采，但因受卸壓、支護(hù)、擴(kuò)幫等工作影響，導(dǎo)致1310工作面推進(jìn)速度較慢，給工作面正常生產(chǎn)帶來(lái)了較大影響。

5 頂板爆破卸壓技術(shù)應(yīng)用展望

通過(guò)采取卸壓、支護(hù)等一系列措施，僅保證了1310工作面可以生產(chǎn)，但未能從根本上解決1310進(jìn)風(fēng)順槽壓力大的難題。上文已對(duì)1310進(jìn)風(fēng)順槽壓力顯現(xiàn)明顯的原因進(jìn)行分析，主要是夾矸帶上方頂板未充分垮落，造成壓力向工作面煤體傳遞，因此必須確定1310工作面誘發(fā)沖擊的關(guān)鍵層位，采用爆破預(yù)裂的方法對(duì)關(guān)鍵層進(jìn)行破壞，進(jìn)而保證工作面推采期間頂板及時(shí)垮落。根據(jù)1310工作面綜合地質(zhì)柱狀圖，如圖3所示。結(jié)合微震事件發(fā)生層位，確定1310工作面誘發(fā)沖擊的關(guān)鍵層為4.48 m厚的粗砂巖及6.34 m厚的細(xì)砂巖，因此需對(duì)該層位進(jìn)行爆破。

圖3 1310工作面綜合地質(zhì)柱狀圖Fig.3 Comprehensive histogram of No.1310 working face

5.1 頂板爆破斷頂卸壓機(jī)理

巖石爆破碎裂是一個(gè)極為迅速的過(guò)程，使得對(duì)其機(jī)理的研究至今未形成一套完整準(zhǔn)確的理論，但爆破產(chǎn)生的動(dòng)壓“震裂”效應(yīng)及靜壓爆生氣體的“氣楔”作用得到了廣泛的認(rèn)可[5]。因此頂板爆破斷頂是在采煤工作面前方堅(jiān)硬頂板巖層中，按照一定的間隔預(yù)先打鉆孔，進(jìn)行斷頂爆破，利用炸藥爆炸的能量作用，使煤層上方一定距離處的頂板巖層形成一定范圍的破壞區(qū)和裂隙發(fā)育區(qū)。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，再借助支承壓力的預(yù)裂作用，促使堅(jiān)硬頂板巖層在采空區(qū)及時(shí)垮落[6]，從而達(dá)到降低頂板來(lái)壓強(qiáng)度和壓力顯現(xiàn)危險(xiǎn)性的目的。

5.2 頂板爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

合理的確定預(yù)裂爆破參數(shù)是保證預(yù)裂爆破取得理想效果的關(guān)鍵性工作，通常是以理論計(jì)算為依據(jù)，工程類比為參考，在小型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上綜合確定的方法來(lái)確定預(yù)裂爆破參數(shù)。

5.2.1 鉆孔深度

表4 煤礦常見(jiàn)巖石碎脹系數(shù)Table 4 Common rock bulking factors in coal mine

(1)

式中，M′為采放有效高度，根據(jù)1310工作面實(shí)際取6 m；C為采放總回采率，根據(jù)1310工作面實(shí)際取0.77；KK為垮落帶巖層平均碎脹系數(shù)，計(jì)算取1.3。

1310工作面夾矸及夾矸帶與殘留煤層的碎脹高度之和只有5.2 m，無(wú)法滿足填充回采空間要求，因此上部4.48 m厚的粗砂巖和6.34 m厚的細(xì)砂巖也參與了破斷運(yùn)動(dòng)，與微震事件發(fā)生層位基本吻合。利用關(guān)鍵層理論計(jì)算得到的1310工作面上部的厚度為4.48 m厚的粗砂巖和6.34 m厚的細(xì)砂巖均為關(guān)鍵層。

根據(jù)上面分析的結(jié)果同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件確定頂板深孔爆破卸壓鉆孔施工角度為60°，終孔位于6.34 m厚細(xì)砂巖層上邊緣，計(jì)算得到爆破斷頂鉆孔深度Lz≈18 m。

5.2.2 鉆孔間距

孔距的確定原則為深孔爆破后所形成的破壞區(qū)(壓碎區(qū)和破裂區(qū))應(yīng)相互貫通，以便使兩者連接形成完全的破碎帶。結(jié)合1308工作面與1310微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，周期來(lái)壓步距平均在13 m左右。而工作面深孔斷頂爆破是為了減小對(duì)相鄰工作面的影響，結(jié)合周邊礦井頂板爆破實(shí)際，每間隔5 m做一次斷頂爆破，即爆破鉆孔排距定為5 m，周期性破斷上覆堅(jiān)硬頂板，避免形成大面積懸頂結(jié)構(gòu)。

5.2.3 裝藥不耦合系數(shù)及裝藥量

不耦合系數(shù)對(duì)孔壁壓力、空氣沖擊波作用時(shí)間及切向作用力都有很大的影響，孔壁壓力和切向作用力隨著不耦合系數(shù)增大而減小，空氣沖擊波作用時(shí)間隨著不耦合系數(shù)增大而增大[7]。因此不耦合系數(shù)取合適的值才能把孔壁壓力、空氣沖擊波作用時(shí)間及切向作用力綜合效果發(fā)揮出來(lái)。

根據(jù)理論分析及礦井爆破經(jīng)驗(yàn)，一般堅(jiān)硬煤層爆破裝藥不耦合系數(shù)控制在1.20～1.45之間最為合適，因此1310工作面頂板爆破選擇炮孔直徑為75 mm，炸藥直徑為60 mm，不耦合系數(shù)為1.25，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，裝藥量在15 kg左右。

6 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)一采區(qū)北翼工作面過(guò)夾矸帶期間微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，夾矸帶區(qū)域微震事件呈現(xiàn)“高頻低能”，表明夾矸帶區(qū)域頂板微破裂發(fā)育，頂板未充分垮落，能量未得到有效釋放，因此過(guò)夾矸帶期間現(xiàn)場(chǎng)壓力顯現(xiàn)較為明顯。

(2)針對(duì)1310進(jìn)風(fēng)順槽壓力顯現(xiàn)明顯的情況，通過(guò)采取有效的“卸—支”措施，保證工作面安全推采。

(3)針對(duì)1310工作面頂板巖性，根據(jù)微震事件發(fā)生層位及理論計(jì)算，確定煤層上方4.48 m厚的粗砂巖和6.34 m厚的細(xì)砂巖為誘發(fā)沖擊關(guān)鍵層，進(jìn)而確定頂板爆破孔深度、間距、孔徑、裝藥量等參數(shù)，為后期頂板爆破預(yù)裂實(shí)施打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。