深埋藏厚煤層沿空掘進礦壓顯現(xiàn)研究

李繼蘇

（山西馬堡煤業(yè)有限公司， 山西 武鄉(xiāng) 046300）

隨著開采深度不斷增大，煤層賦存條件日益復雜，礦山壓力顯現(xiàn)成為制約煤礦安全生產(chǎn)的重要因素，礦壓顯現(xiàn)明顯的巷道，巷道變形頂板下沉，底板及幫部鼓起，治理不到位，往往會導致掘進工作面施工困難，甚至發(fā)生頂板、沖擊地壓事故，礦山壓力發(fā)生機理較為復雜，但經(jīng)過多年研究摸索，我國在礦壓發(fā)生原理及控制技術(shù)方面，已取得了較多成就。礦壓顯現(xiàn)究其根本是井巷周圍煤巖體所受壓力的顯現(xiàn)，其載荷來源主要有原巖應力，構(gòu)造應力及上覆巖層自重產(chǎn)生的重力載荷，通過有效監(jiān)測手段，摸索礦壓的主要應力來源，通過有效治理措施，消除應力來源，是治理礦壓顯現(xiàn)最為直接有效的手段。

1 沿空掘進巷道載荷分析

1.1 煤層賦存條件

山西馬堡煤礦主采15 號煤，煤層結(jié)構(gòu)簡單，整體為單斜構(gòu)造，斷層發(fā)育、煤層厚度4.25～5.20 m，平均4.80 m，局部含夾矸，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。井田范圍內(nèi)，煤層上覆巖層賦存穩(wěn)定，其基本頂為細粒砂巖，平均厚度16.45 m，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，較堅硬，是礦壓顯現(xiàn)主要影響關(guān)鍵層（見表1）。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征表

1.2 礦井地應力分析

巷道圍巖變形是一個復雜過程，其根本原因是巷道圍巖在三向應力作用下，發(fā)生蠕變，由西原正夫模型[1]可知，只有當圍巖的等效應力大于圍巖的單軸屈服極限時，不穩(wěn)定蠕變啟動，并且隨著等效應力的增大，不穩(wěn)定蠕變速率隨之增大，礦壓顯現(xiàn)越明顯，巷道圍巖破壞加快。將圍巖真實的三向應力等效成單向應力[2]，其值與地應力成正相關(guān)，可見，高地應力是巷道圍巖產(chǎn)生不穩(wěn)定蠕變的必要條件，且地應力的升高能夠加快圍巖蠕變破壞的速率。根據(jù)馬堡礦地應力測試結(jié)果顯示：礦井最大水平應力最大為13.99 MPa，最小水平主應力最大為7.36 MPa，垂直主應力最大為8.88 MPa，最小為7.47 MPa。最大水平應力σH為垂直應力σv的1.58～1.87 倍，水平應力是影響巷道穩(wěn)定的主要因素，由最大主應力原理可知，此類地應力場對巷道頂?shù)装宸€(wěn)定性影響較大。水平應力與巷道夾角越大，對巷道影響越大，馬堡礦最大水平主應力方向與礦井開拓巷道夾角在24.0°～58.6°之間，由此推斷最大水平主應力方向與回采巷道的夾角在31.4°～66.0°之間，夾角大，對回采巷道的掘進施工影響較大。

1.3 基于賦存條件構(gòu)造應力分析

礦井井田范圍內(nèi)斷層發(fā)育，斷層處巖層的不連續(xù)性導致斷層本身的不穩(wěn)定性，隨著采掘活動開展，其超前支承壓力的影響范圍不斷向前發(fā)展，當?shù)竭_斷層影響區(qū)域后，斷層兩側(cè)本身的殘余構(gòu)造應力[3]與采掘工作面超前支承壓力疊加，使斷層附近的支承壓力增高，形成新的高應力區(qū)（見下頁圖1）。斷層面（帶）與采掘工作面之間的中間區(qū)域為應力疊加高峰區(qū)，如果斷層本身屬于容易積聚能量的類型，則疊加后的應力高峰區(qū)位置同樣容易積聚更大的能量。據(jù)現(xiàn)有成果，當采掘工作面鄰近上述斷層構(gòu)造時，相當于工作面單邊卸壓，采掘工作面相當于卸壓區(qū)域，為高應力集中區(qū)。

圖1 超前支承壓力與斷層構(gòu)造應力疊加示意圖

1.4 基于賦存條件上覆巖層重力載荷分析

地下開采活動引起的上覆巖層的移動破壞是一個自下而上漸近發(fā)展而又十分復雜過程，受多重因素的影響。由于礦山巖體原始賦存的狀況的復雜性和采動巖體的破壞過程特殊性，使得地下開采引起的上覆巖層移動破壞成為非常復雜的非線性動態(tài)運動過程。對于上覆巖層運動研究，國外起步較早，德國學者舒里在1867 年提出就提出了懸梁假說[4]，開創(chuàng)了采場上覆巖層結(jié)構(gòu)研究的先河。1916 年，德國學者施托克（K.Stoke）提出了更加完善的懸臂梁假說，后又得到英國的弗里得（I.Friend）、前蘇聯(lián)的格爾曼等人的完善，經(jīng)過多年實際情況延展，懸臂梁假說是對礦井超前、側(cè)向支撐壓力最為合理的解釋。

國內(nèi)在研究采場上覆巖層運動規(guī)律起步較晚，但通過不斷摸索，不斷完善，取得的大量成就。錢鳴高院士在總結(jié)以往各種假說的基礎(chǔ)上，結(jié)合對巖層內(nèi)部移動的實測分析，提出了采場裂隙帶巖體的“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型[5]。該理論對整個上覆直至地表巖層的運動規(guī)律進行了分析，提出了“橫三區(qū)”“豎三帶”的認識，即沿工作面推進方向上覆巖層將分別經(jīng)歷煤壁支承影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實區(qū)，在煤系地層中，由于成巖時間和礦物成分等不同，使各巖層在厚度和力學性質(zhì)等方面總存在著不同程度的差別。一些較為堅硬的厚巖層在采動巖體的變形和破壞中起主要控制作用，它們以某種力學結(jié)構(gòu)（從平面中看破斷前為連續(xù)梁，破斷后為砌體梁等）支承上部巖層，而它們的破斷又直接影響采場礦壓、巖層移動和地表沉陷。研究發(fā)現(xiàn)由于各堅硬巖層的層位和特性不同，因而并不是每一層堅硬巖層在采動巖體運動中起主要控制作用，有時僅僅有一層或幾層。

沿空掘進工作面，受鄰近采空區(qū)隔離煤柱，支撐上覆巖層，上覆巖層垮落不及時，形成懸臂梁，懸臂梁導致的側(cè)向支撐壓力，是巷道沿空掘進的主要載荷來源（見圖2）。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定巷道懸臂梁層位，采取有效措施，是解決巷道側(cè)向支撐壓力最為有效的手段。馬家堡煤礦15 號煤基本頂為平均厚度為16.45 m厚細粒砂巖，質(zhì)硬，單軸抗拉強度大，隨著工作面回采，工作面中部頂板垮落，端頭頂板受煤柱支撐，形成煤柱支撐懸臂梁，懸臂梁形成的側(cè)向支撐壓力，是沿空掘進巷道的主要載荷，對沿空巷道鄰近采空區(qū)懸臂梁的有效處理，是解決側(cè)向支撐壓力的主要措施。

圖2 圖巖層移動關(guān)鍵層賦存示意圖

2 基于沿空巷道應力分析的治理措施

經(jīng)過綜合分析，影響馬堡煤業(yè)沿空巷道掘進礦壓顯現(xiàn)的主要因素為水平地應力，斷層導致的構(gòu)造應力及沿空側(cè)的側(cè)向支承壓力。當掘進施工鄰近斷層等地質(zhì)構(gòu)造時，水平地應力、垂直應力，構(gòu)造應力疊加，導致巷道礦壓顯現(xiàn)明顯，底鼓、片幫、掘進及支護施工困難。對水平地應力、斷層構(gòu)造應力及側(cè)向支承壓力的有效處理，是解決沿空掘進巷道礦壓顯現(xiàn)的主要措施。

2.1 水平地應力的針對性治理措施

對地應力的最為有效的治理措施是“避”，即選擇合理的巷道布置方式，減小水平應力與巷道夾角，是解決地應力最為最根本的措施[5]，但考慮巷道實際用途及服務時長，礦井在進行開拓部署時，會盡量減小開拓巷道與地應力的夾角，由于回采巷道與開拓巷道垂直布置，開拓巷道與地應力夾角越小，則回采巷道與地應力夾角就會較大。在無法“避”的情況下，只能治，主要治理措施是“扛”和“放”，即通過加強支護，加固底板，使得巷道周圍煤巖體圍巖的單軸屈服強度大于最大水平主應力，此種方式治標不治本，且治理成本高，工程量大。“放”是通過采取有效措施，使得地應力有效釋放。沿空掘進巷道鄰近采空區(qū)，煤層上覆巖層完整性被破壞，地應力得到有效釋放，底板治理是地應力治理的關(guān)鍵，主要措施是通過底板爆破，底板切槽，破壞底板完整性，使得地應力得到有效釋放，巷道底鼓現(xiàn)象得到明顯改善。

2.2 斷層構(gòu)造應力的針對性治理措施

對于斷層構(gòu)造應力的治理原則也是以“避”為主，在進行巷道部署設(shè)計時，優(yōu)先選擇避開斷層，在無法避開的情況下，選擇合理的巷道布置，增大巷道與斷層夾角，減小斷層影響范圍。通過斷層面前，通過時施工超前鉆孔的方式，使得殘余構(gòu)造應力得到有效釋放，防治構(gòu)造應力集聚。掘進過程中，原積聚于斷層面附近的構(gòu)造應力得到有效釋放，受斷層影響，巷道頂板完整性差，選擇合理的加強支護措施，是施工過程中需要進一步解決的主要問題。

2.3 側(cè)向支承壓力的針對性治理措施

在工作面回采期間，根據(jù)礦井鉆孔資料，對關(guān)鍵層位進行深孔爆破，阻斷懸臂梁形成，鄰近工作面沿空掘進期間，上覆巖層懸臂梁得到有效解決，保證巷道低應力掘進。馬堡煤礦煤層上覆16.45 m 細粒砂巖是影響礦壓顯現(xiàn)主要關(guān)鍵層，對該層的深孔爆破，破壞該層完整性，阻斷懸臂梁的行成，沿空掘進期間由懸臂梁導致的上覆巖層自重應力問題得到有效解決。

深孔爆破主要施工流程為：準備鉆機→施工鉆孔→裝藥定炮→爆破孔封孔→爆破；基于馬堡煤礦煤層賦存條件，主要施工參數(shù)為：鉆孔開孔位置未回采工作面非生產(chǎn)幫肩窩處，爆破鉆孔間距為10 m，施工傾角60°，方位角210°，孔徑Φ75 mm，孔深40 m，具體參數(shù)見表2。

表2 馬堡煤礦頂板深孔爆破參數(shù)表

3 結(jié)語

綜合分析礦井沿空掘進期間礦壓顯現(xiàn)主要應力來源，通過底板卸壓、頂板卸壓，構(gòu)造應力超前卸壓等有效治理措施，解決沿空巷道圍巖應力疊加，能量集聚問題，使得巷道始終保持地應力掘進，施工過程中巷道礦壓顯現(xiàn)不明顯，相較于未采取措施的沿空施工巷道，巷道成型得到明顯改善，掘進速度顯著提升。