頂板條帶弱化法防治中央大巷沖擊地壓機(jī)制及實(shí)踐

鄭建偉,鞠文君,呂大釗,孫曉冬,姜鵬飛,李海濤,付玉凱,杜濤濤,劉 彪

(1.煤炭科學(xué)研究總院有限公司 深部開(kāi)采與沖擊地壓防治研究院,北京 100013;2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100013;3.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司,北京 100013;4.陜西煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 西安 710065)

淺表煤炭資源儲(chǔ)量逐年遞減,深部開(kāi)采勢(shì)在必行,沖擊地壓災(zāi)害是我國(guó)實(shí)現(xiàn)深部煤炭安全開(kāi)采所亟待解決的關(guān)鍵難題之一[1-2]。自撫順勝利煤礦首次發(fā)生沖擊地壓事故(1933年)以來(lái),我國(guó)大量學(xué)者開(kāi)始對(duì)沖擊地壓展開(kāi)系統(tǒng)研究,有學(xué)者通過(guò)對(duì)巷道及采場(chǎng)進(jìn)行力學(xué)建模來(lái)探索沖擊地壓發(fā)生過(guò)程中的力學(xué)內(nèi)涵[3-4];有學(xué)者采用數(shù)值模擬[5-6]和物理相似模擬[7-8]對(duì)沖擊地壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的重現(xiàn);有學(xué)者借助煤巖組合體的力學(xué)行為來(lái)研究沖擊地壓,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試件所施加的載荷也經(jīng)歷了靜載荷、動(dòng)載荷和動(dòng)靜組合的發(fā)展歷程[9-11]。經(jīng)過(guò)多年的研究,我國(guó)在沖擊地壓機(jī)制、監(jiān)測(cè)預(yù)警和防治措施方面形成了一大批具有鮮明特色的高水平研究成果[12-13],尤其在防治措施方面,依據(jù)不同的致災(zāi)機(jī)制和對(duì)應(yīng)的開(kāi)采條件,提出諸多行之有效的防沖措施,如合理優(yōu)化開(kāi)拓開(kāi)采布局、開(kāi)采保護(hù)層[14]、鉆孔卸壓、煤層注水軟化、切頂爆破[15]、水力壓裂斷頂[16]、區(qū)域壓裂[17]、地面壓裂[18]、吸能主動(dòng)支護(hù)以及多種措施組合的協(xié)同防沖技術(shù)[19-22]。上述措施在一定程度上對(duì)沖擊地壓的防治起到了關(guān)鍵作用,但是隨著開(kāi)采條件和地質(zhì)稟賦條件復(fù)雜程度增加,以上措施的局限性也越來(lái)越引起廣泛關(guān)注,如礦區(qū)開(kāi)拓開(kāi)采布局使用條件嚴(yán)格限制;切頂卸壓對(duì)兩旁為實(shí)體煤的掘進(jìn)巷道效果有限;鉆孔卸壓等技術(shù)對(duì)于巷道支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)性能有較大的負(fù)面影響;吸能支護(hù)在一定程度上是被動(dòng)防護(hù)措施、成本較高且布置密度和強(qiáng)度有一定的限制。

綜合考慮已有防治措施的優(yōu)缺點(diǎn),認(rèn)為應(yīng)力控制才是徹底解決巷道沖擊地壓災(zāi)害的最根本途徑,但是大范圍地改變地應(yīng)力場(chǎng)的分布特征顯然必須面對(duì)巨大的人財(cái)物力成本。基于此筆者提出頂板條帶弱化技術(shù),并且分析了該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)路徑和防沖內(nèi)涵,且在孟村中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,并取得良好效果,認(rèn)為頂板條帶弱化法對(duì)巷道防沖目的的實(shí)現(xiàn)可以起到一定的積極作用。

1 研究區(qū)概況

1.1 開(kāi)采現(xiàn)狀及中央大巷概況

孟村煤礦井田位于黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長(zhǎng)礦區(qū)中西部,井田面積60.47 km2(東西方向的長(zhǎng)度為10.30 km,南北方向的寬度為5.87 km),井田范圍內(nèi)分布穩(wěn)定的4號(hào)煤層(唯一可采),4號(hào)煤層埋深700～740 m,平均厚度為16.25 m(3.70 ～26.30 m)。礦井采用立井(3條)開(kāi)拓方式,一組(5條)東西向的中央大巷將井田分為南北兩翼盤(pán)區(qū),礦井采用“一井一面”,采用分層綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采方法回收資源,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為6.00 Mt/a,首采工作面401101布置在401盤(pán)區(qū)。

中央大巷共包括5條大巷,由南至北分別為中央一號(hào)回風(fēng)大巷、中央一號(hào)輔助運(yùn)輸大巷、中央運(yùn)輸大巷、中央二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷和中央二號(hào)回風(fēng)大巷。根據(jù)三維勘探及現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)過(guò)程中的揭露情況,孟村煤礦中央大巷局部橫穿其中的3條大型構(gòu)造形成的復(fù)合構(gòu)造帶,分別為塬口子向斜(X1向斜)、謝家咀背斜(B2背斜)和D29斷層,受復(fù)合構(gòu)造的影響極大,如圖1所示。塬口子向斜(X1向斜)軸線呈NE—SW向,在孟村煤礦井田內(nèi)軸長(zhǎng)和向斜寬度分別為8.50 km 和2.00 ～2.20 km,其南翼傾角、北翼傾角和軸部?jī)A角分別為7°～8°、5°～7°和2°～3°。謝家咀背斜(B2背斜)從河川口開(kāi)始發(fā)育(向西),軸線走向大致平行于X1向斜,該背斜的軸長(zhǎng)和寬度分別為7.00 km 和2.50 ～3.00 km,其南翼傾角和北翼傾角分別為3°～4°和7°～8°。DF29斷層最大落差為38.00 m,傾角為55°～65°,走向大致與兩褶曲軸線(X1向斜和B2背斜)平行,且橫貫中央大巷。這5條中央大巷均是布置在4號(hào)煤層中部的純煤巷道,中央大巷斷面均設(shè)計(jì)為直墻半圓拱形,采用“錨桿+金屬網(wǎng)+錨索+噴射混凝土”的聯(lián)合支護(hù)方式(局部架設(shè)U型棚),相鄰2條大巷之間煤柱寬度為35.00 m。

圖1 中央大巷穿越復(fù)合地質(zhì)構(gòu)造帶Fig.1 Complicated geological structures occurred in central roadway

1.2 沖擊地壓發(fā)生現(xiàn)狀

孟村煤礦中央大巷掘進(jìn)過(guò)程中巷道片幫、冒頂嚴(yán)重,成型較差且煤炮聲大,在斷層影響區(qū)域附近和褶皺附近動(dòng)力顯現(xiàn)越趨于頻繁,強(qiáng)度亦相應(yīng)增加,在掘進(jìn)工作面處出現(xiàn)煤塊彈射現(xiàn)象,極大地影響了掘進(jìn)工作的開(kāi)展;同時(shí)在硐室巷道密集區(qū)域動(dòng)力顯現(xiàn)明顯,出現(xiàn)頂板漿皮(噴漿混凝土層)崩出,底板物料彈起等動(dòng)力現(xiàn)象,嚴(yán)重威脅井下工作人員人身安全。

近年來(lái)孟村煤礦中央大巷復(fù)雜構(gòu)造區(qū)沖擊地壓顯現(xiàn)(事故)頻發(fā),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)造成持續(xù)的巨大損失,中央大巷沖擊地壓顯現(xiàn)位置如圖2所示,最近一次沖擊地壓發(fā)生在2020年5月24日,中央二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷里程1 200 ～1 278 m(78 m)范圍內(nèi)突然底臌且達(dá)到0.50～1.00 m,頂板局部金屬網(wǎng)撕裂,里程1 238～1 278 m 段(40 m)破壞最為嚴(yán)重。

圖2 中央大巷沖擊地壓顯現(xiàn)(事故)點(diǎn)分布Fig.2 Rockburst distribution of the central roadway

1.3 致災(zāi)因素分析

孟村煤礦主采的4號(hào)煤層屬于強(qiáng)沖擊傾向性(Ⅲ類(lèi))煤層,作用在中央大巷的水平應(yīng)力超過(guò)30 MPa,最大水平主應(yīng)力與東西向巷道(中央大巷等)軸向夾角為65°～81°,側(cè)向應(yīng)力系數(shù)的范圍為1.60～1.96,并且隨著測(cè)點(diǎn)至源口子向斜(X1向斜)軸部的距離越小,測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力越大,可以認(rèn)為孟村煤礦中央大巷附近應(yīng)力等級(jí)高且屬于典型的σH>σh>σV地應(yīng)力分布類(lèi)型。中央大巷5條巷道水平布置,多巷近距離布置造成巷間煤柱垂直應(yīng)力相對(duì)較高,會(huì)進(jìn)一步加劇巷道及其煤巖體的應(yīng)力集中程度增加。簡(jiǎn)化后的中央大巷圍巖應(yīng)力特征如圖3所示(僅對(duì)2條巷道進(jìn)行作圖示意),圖中P0為中央大巷巷幫初始支承壓力;P1為復(fù)合構(gòu)造區(qū)內(nèi)因地質(zhì)構(gòu)造形成的附加支承應(yīng)力;P2為因多條巷道近距離布置在煤柱中形成的次生支承應(yīng)力[23-24];P3為復(fù)合構(gòu)造區(qū)中央大巷巷幫圍巖內(nèi)部形成的綜合應(yīng)力;Pm為中央大巷發(fā)生沖擊地壓的閾值。

圖3 簡(jiǎn)化后的中央大巷圍巖應(yīng)力特征Fig.3 Stress characteristic of simplified central roadway

分析圖3可知,具有強(qiáng)沖擊傾向的煤層為沖擊地壓的發(fā)生提供了內(nèi)部因素;復(fù)合構(gòu)造區(qū)內(nèi)(地質(zhì)賦存)地應(yīng)力較高,且多巷近距離布置(開(kāi)拓布置現(xiàn)狀)進(jìn)一步提高了巷道圍巖煤巖體所承受的應(yīng)力等級(jí),也就是說(shuō)為沖擊地壓的發(fā)生提供了一定的應(yīng)力條件;同時(shí)巷道上方約45.00 m處賦存一層厚度為21.00 m的粉砂巖,為巷道附近能量的集聚提供了良好的“儲(chǔ)能”條件。當(dāng)上覆堅(jiān)硬頂板在外部應(yīng)力場(chǎng)作用下集聚的能量增加到其儲(chǔ)能極限時(shí)就會(huì)破斷而釋放能量,且復(fù)合構(gòu)造區(qū)內(nèi)大巷已處于較高的應(yīng)力等級(jí),在堅(jiān)硬頂板破斷引起的動(dòng)載擾動(dòng)的疊加作用下,達(dá)到?jīng)_擊地壓發(fā)生的應(yīng)力閾值時(shí),就會(huì)誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。對(duì)比處于復(fù)合構(gòu)造影響范圍外的巷道,由于受到的構(gòu)造應(yīng)力的影響相對(duì)較小,在動(dòng)載擾動(dòng)疊加的作用下,尚未達(dá)到?jīng)_擊地壓發(fā)生的應(yīng)力閾值,因此可以保持穩(wěn)定;也就是說(shuō)降低堅(jiān)硬頂板破斷時(shí)作用在巷道的動(dòng)載荷可以有效緩解孟村煤礦中央大巷沖擊地壓災(zāi)害的威脅。

2 頂板條帶弱化法

針對(duì)非采動(dòng)巷道(如中央大巷)而言,上覆堅(jiān)硬頂板的存在會(huì)為巷道附近高等級(jí)能量的集聚提供良好的“儲(chǔ)能”條件,是誘發(fā)沖擊地壓的潛在因素之一。針對(duì)采動(dòng)巷道而言,堅(jiān)硬頂板未破斷時(shí)可以對(duì)上覆巖層提供支撐力,且將這部分力轉(zhuǎn)移至前方煤體,導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力升高,為巷道沖擊地壓發(fā)生提供基礎(chǔ)靜載荷;堅(jiān)硬頂板斷裂時(shí),上覆巖層會(huì)隨著堅(jiān)硬頂板的失穩(wěn)而垮落,出現(xiàn)聯(lián)合垮落失穩(wěn),隨后一起對(duì)范圍內(nèi)的下位巖層施加一定的動(dòng)載荷,進(jìn)而誘發(fā)巷道沖擊地壓。大范圍改變煤層的沖擊傾向性和調(diào)整巷道與地應(yīng)力的作用關(guān)系面臨巨大的壓力,而處理巷道上方的堅(jiān)硬頂板就成為緩解巷道沖擊地壓的有效措施。基于此,筆者提出頂板條帶弱化法(Roof Strip Weakening Method,RSWM)來(lái)對(duì)巷道上覆堅(jiān)硬頂板進(jìn)行致裂弱化達(dá)到防治巷道沖擊地壓的目的。頂板條帶弱化就是指在巷道正上方一定范圍的堅(jiān)硬頂板內(nèi)通過(guò)人工措施沿頂板順層方向制造平行于巷道軸向的條帶狀弱化范圍,如圖4所示。圖4中rh、rw分別為巷道的高和寬度;hs為條帶弱化范圍距離巷道的垂高;sw、sh、sL分別為條帶弱化范圍的帶寬、帶高、帶長(zhǎng)(平行巷道軸線方向的長(zhǎng)度);fi為帶內(nèi)裂隙發(fā)育程度。圖4中頂板條帶弱化范圍模型內(nèi)各參數(shù)的選擇需要根據(jù)措施巷道位置、覆巖巖層結(jié)構(gòu)、致裂措施工藝及裝備性能進(jìn)行綜合分析,一定范圍內(nèi)致裂覆蓋范圍越大(帶寬sw)、致裂長(zhǎng)度(帶長(zhǎng)sL)、致裂程度越高(裂隙發(fā)育程度f(wàn)i)、致裂高度越大(帶高sh),對(duì)于堅(jiān)硬頂板的弱化效果越好,所能起到的防沖效果更加顯著。

圖4 頂板條帶弱化范圍模型Fig.4 Model of roof strip weakening method

近年來(lái)超長(zhǎng)定向鉆孔技術(shù)的快速發(fā)展和水力壓裂設(shè)備的不斷升級(jí)換代為新技術(shù)的研發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的理論以及實(shí)踐基礎(chǔ),本文提出的頂板條帶弱化法是基于中煤科工開(kāi)采研究院所研發(fā)的超長(zhǎng)孔水力壓裂技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的水力壓裂技術(shù)一樣,超長(zhǎng)孔水力壓裂是指以高壓水為介質(zhì),在限定的封孔空間里,巖體在高壓水的作用下克服巖體的最小主應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度發(fā)生破裂并產(chǎn)生裂隙,巖體的原生裂隙和次生裂隙,通過(guò)氣、固、液多相多場(chǎng)耦合,使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展和延伸,形成具有一定寬度、長(zhǎng)度的人工裂縫,從而實(shí)現(xiàn)致裂等目的。

3 頂板條帶弱化法防沖機(jī)制

從整體來(lái)看,條帶弱化范圍內(nèi)裂隙(原生裂隙和次生裂隙)得以充分?jǐn)U展,一方面會(huì)導(dǎo)致范圍內(nèi)巖體的彈性模量降低,一方面將堅(jiān)硬頂板進(jìn)行分層,降低堅(jiān)硬頂板厚度,因此從3個(gè)角度來(lái)闡釋條帶弱化法的防沖機(jī)制。

3.1 降低能量?jī)?chǔ)存

以堅(jiān)硬頂板中的一個(gè)單元體為研究對(duì)象,且該單元體處于三向非均壓受力平衡狀態(tài),假設(shè)堅(jiān)硬頂板中巖體的彈性模量為Er,泊松比為μr,厚度為hr,力學(xué)模型如圖5所示。三向應(yīng)力分別為最大水平正應(yīng)力(σrxH)、最小水平正應(yīng)力(σryh)和垂直正應(yīng)力(σrzv),在不同的正應(yīng)力作用方向上分別會(huì)形成相應(yīng)的正應(yīng)變?chǔ)舝xH、εryh、εrzv,單元體內(nèi)相互垂直的方向上受切應(yīng)力γrxy、γryz、γrzx作用,產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的切應(yīng)變?yōu)棣觬xy、τryz、τrzx、τrzy、τryx、τrxz,假設(shè)單元體的體積為V,則堅(jiān)硬頂板中巖體單元體在三向非均壓條件下的應(yīng)變能(Vc)如式(1)所示:

(1)

圖5 三向應(yīng)力下單元體力學(xué)模型Fig.5 Mechanical model of unite element under 3-direction stress

分析式(1)可知,堅(jiān)硬頂板所儲(chǔ)存的彈性能是與其自身物理力學(xué)性能(Er,μr,hr)和所處區(qū)域內(nèi)三向應(yīng)力(σrxH,σryh,σrzv)有關(guān)的函數(shù),其彈性模量越大高度越高,儲(chǔ)存的能量越大,也就是說(shuō)堅(jiān)硬頂板可以?xún)?chǔ)存的能量較高,儲(chǔ)能越高越易受外界干擾而失穩(wěn)誘沖。

頂板條帶弱化法可以在巷道上覆堅(jiān)硬頂板中形成一定的弱化范圍,一定程度上降低措施范圍內(nèi)堅(jiān)硬頂板的等效彈性模量,并且對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行分層。依據(jù)式(1)可知,彈性模量降低,堅(jiān)硬頂板儲(chǔ)存的能量降低,也就是破壞其“儲(chǔ)能”能力,不利于巷道附近范圍內(nèi)高等級(jí)能量的集聚,如此有利于巷道沖擊地壓防治。

3.2 增加能量耗散

與非措施范圍相比,條帶弱化范圍內(nèi)裂隙發(fā)育程度較高,在外部載荷作用下,處于不利方位的裂隙會(huì)在尖端形成集中應(yīng)力,當(dāng)滿足裂隙擴(kuò)展準(zhǔn)則時(shí)便會(huì)再次發(fā)育形成新的裂隙表面,增加裂隙的空間體積,原本會(huì)被巖體吸收的能量被消耗用于裂隙尖端的擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)力波傳播至條帶弱化范圍時(shí),賦存大量裂隙的條帶弱化范圍可以被抽象為“墊層”或者“夾層”,因此將這一過(guò)程簡(jiǎn)化為一維線波穿越夾層的力學(xué)模型,H代表上覆堅(jiān)硬巖層,F代表壓裂層,N代表下位巖層,如圖6所示。

圖6 一維線性波穿越夾層力學(xué)模型Fig.6 Mechanical model of the interlayer crossed by one-dimensional linear waves

下文中,di、ρi、ci、ηi、Si、σi(i=H、F、N),分別表示H層、F層和N層巖體的等效寬度、等效波阻抗、等效能量衰減指數(shù)、波速、等效面積、峰值應(yīng)力。應(yīng)力波穿越HF界面時(shí)入射應(yīng)力(σHi)可以由式(2)[25]表示:

(2)

其中,A0為正弦波的振幅;ω0為正弦波的頻率;φ0為正弦波的初始相位;x為距離;t為時(shí)間。依據(jù)動(dòng)量守恒原理可得穿過(guò)HF界面時(shí)在界面形成的透射應(yīng)力(σHt)和進(jìn)入F層的能量(WFt)如式(3)、(4)所示:

(3)

(4)

式中,EF為下層的等效彈性模量。

當(dāng)F層內(nèi)應(yīng)力波傳播至FN界面時(shí)繼續(xù)會(huì)發(fā)生反射和透射,此時(shí)穿越FN界面進(jìn)入N層的透射應(yīng)力(σNt)和能量(WNt)可用式(5)和式(6)表示:

(5)

(6)

由上述分析可知,模型中應(yīng)力波首先在H層進(jìn)行傳播,經(jīng)過(guò)HF界面發(fā)生一次透射和反射,然后進(jìn)入F層繼續(xù)進(jìn)行傳播,再次經(jīng)過(guò)FN界面發(fā)生第2次透射和反射,然后進(jìn)入N層進(jìn)行傳播。

聯(lián)立式(2)～(6)得到在F層耗散的能量WF為

(7)

分析式(7)可知,當(dāng)F層的厚度dF越大、密度越小、波速越小、彈性模量越小,則在F層的能量耗散越大,也就是說(shuō)頂板條帶弱化范圍的存在對(duì)應(yīng)力波具有明顯的能量耗散作用,且頂板條帶弱化范圍的厚度越大、內(nèi)部裂隙越發(fā)育,條帶弱化范圍耗散的能量越多。

3.3 局部結(jié)構(gòu)調(diào)整

回采工作面堅(jiān)硬頂板走向方向上可以被理解為是被大量節(jié)理或構(gòu)造分割形成的相互擠壓呈鉸接狀態(tài)的有限個(gè)薄板[26],因此將巷道上方局部范圍內(nèi)的堅(jiān)硬頂板簡(jiǎn)化為一承受均布載荷的薄板,如圖7[27]所示。在分析時(shí)認(rèn)為該薄板滿足以下假設(shè):① 變形前后垂直于薄板中面的直線段法線均為長(zhǎng)度不變的直線(基爾霍夫假設(shè));② 平行于薄板中面的各平行層之間幾乎沒(méi)有相互作用力;③ 薄板發(fā)生彎曲變形時(shí),中面內(nèi)各點(diǎn)只有垂直位移且遠(yuǎn)小于薄板的厚度。對(duì)該薄板進(jìn)行受力分析時(shí),可以認(rèn)為薄板在均布載荷的作用下會(huì)發(fā)生一定的彎曲,在薄板內(nèi)取一單元體hdxdy,由文獻(xiàn)[28]可知薄板的彎矩Mxdx、Mydy和扭矩Mxydy、Myxdx分別如式(8)～(10)所示,彎矩為正時(shí)表示板中面以下處于受拉狀態(tài),中面以上是受壓狀態(tài);當(dāng)彎矩用向量表示時(shí),界面外法線方向?yàn)檎?/p>

圖7 回采工作面鉸接薄板模型[27]Fig.7 Linked plate model of mining face[27]

(8)

(9)

(10)

(11)

分析式(11)可知,彈性薄板彎曲變形能與其板厚度的三次方呈正比例關(guān)系,與彈性模量呈正相關(guān),也就是說(shuō)堅(jiān)硬頂板的厚度和彈性模量越大,易形成可以集聚較高能量的覆巖空間結(jié)構(gòu),當(dāng)達(dá)到儲(chǔ)能極限時(shí)釋放的能量越大,由此導(dǎo)致作用在下位巷道的動(dòng)載的等級(jí)越高,越容易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害;如果堅(jiān)硬頂板的厚度和彈性模量降低,則會(huì)優(yōu)化覆巖空間結(jié)構(gòu),從而減小破斷時(shí)傳遞至巷道的動(dòng)載荷等級(jí),降低巷道所承受的動(dòng)靜疊加載荷的等級(jí),達(dá)到防沖的目的。

筆者所分析的頂板條帶弱化范圍的效果之一就是在堅(jiān)硬頂板內(nèi)形成大規(guī)模的縱橫交錯(cuò)的裂隙網(wǎng),其一方面將堅(jiān)硬頂板進(jìn)行分層,也就是降低了堅(jiān)硬薄板的厚度,另一方面可以降低堅(jiān)硬頂板的彈性模量。整體來(lái)看也可以認(rèn)為是堅(jiān)硬頂板分層和弱化的實(shí)現(xiàn)調(diào)整了后方采空區(qū)(回采巷道范圍內(nèi))覆巖空間結(jié)構(gòu)的形態(tài),降低了前方回采巷道應(yīng)力等級(jí),在實(shí)際過(guò)程中,頂板條帶弱化范圍內(nèi)的裂隙在礦壓的作用下會(huì)形成再次擴(kuò)展,進(jìn)一步弱化堅(jiān)硬頂板的強(qiáng)度和完整性。通常情況下,在超前支承應(yīng)力影響范圍內(nèi),垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力,此時(shí)會(huì)誘導(dǎo)原有處于水平方向的裂隙向上擴(kuò)展,形成切割裂隙,從而構(gòu)建更加復(fù)雜的立體裂隙網(wǎng)絡(luò),進(jìn)一步降低巷道圍巖的基礎(chǔ)應(yīng)力等級(jí),從而降低沖擊地壓的發(fā)生。

由上述分析可知,采用頂板條帶弱化法防治巷道沖擊地壓主要有3方面的作用:降低能量?jī)?chǔ)存、增加能量耗散和局部結(jié)構(gòu)調(diào)整,其中與非采動(dòng)巷道相比,局部結(jié)構(gòu)調(diào)整更側(cè)重于回采巷道防沖目的的實(shí)現(xiàn)。因此結(jié)合孟村煤礦中央大巷的地質(zhì)賦存現(xiàn)狀和開(kāi)拓布置現(xiàn)狀,可以采用頂板條帶弱化法降低上覆堅(jiān)硬頂板的彈性模量,破壞其“儲(chǔ)能”能力,防止其集聚較高等級(jí)的能量;在致裂頂板的同時(shí)可以消耗一部分已經(jīng)集聚的能量,人工形成的裂隙在外部載荷的作用下進(jìn)行更加復(fù)雜的擴(kuò)展過(guò)程也同樣可以消耗一部分能量,也就是說(shuō)通過(guò)增加能量耗散,進(jìn)一步降低堅(jiān)硬頂板集聚的能量;通過(guò)上述2種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)孟村煤礦中央大巷防沖的目的。

4 頂板條帶弱化法防沖實(shí)踐

4.1 防沖設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)布置

由中央大巷南側(cè)T8煤層柱狀圖可知,大巷區(qū)段煤柱上方約45.00 m處存在厚度為21.00 m的堅(jiān)硬頂板(粉砂巖),基于頂板條帶弱化法防沖機(jī)制,認(rèn)為對(duì)該堅(jiān)硬頂板的弱化可以實(shí)現(xiàn)中央大巷防沖的目的。因此,將該堅(jiān)硬頂板設(shè)計(jì)為措施層,結(jié)合以往超長(zhǎng)孔水力壓裂工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),同時(shí)考慮到中央大巷的布置形式,本次壓裂共設(shè)計(jì)5個(gè)壓裂孔,其中1、2、3、4號(hào)孔間距約40.00 m,5號(hào)孔位于大巷保護(hù)煤柱上方,與4號(hào)孔間距約70.00 m,共計(jì)鉆孔長(zhǎng)度約為2 115.00 m,分段距離15.00 m左右,分段壓裂時(shí)間不小于30 min。為了壓裂設(shè)備的布置以及壓裂液返排水的簡(jiǎn)便處理,壓裂鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)位于中央運(yùn)輸大巷里程600.00 m的位置,如圖8所示。為了對(duì)頂板條帶弱化法防治巷道沖擊地壓效果進(jìn)行評(píng)價(jià),采用SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)壓裂前和壓裂后措施范圍內(nèi)巖層破斷釋放的信號(hào),措施范圍內(nèi)微震布置如圖8所示。

圖8 1～5號(hào)壓裂孔布置及監(jiān)測(cè)布置示意Fig.8 Layout of No. 1-5 fracturing boreholes and monitoring stations

4.2 效果分析

2020-07-01—2020-08-11完成5個(gè)孔的全部壓裂工作,壓裂過(guò)程中對(duì)孔口壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè),5個(gè)鉆孔共計(jì)壓裂45次,每次壓裂時(shí)間不等,但均超過(guò)設(shè)計(jì)的壓裂時(shí)間,在壓裂過(guò)程中井下煤炮聲時(shí)有發(fā)生,7月25日典型壓力-時(shí)間曲線如圖9所示。

圖9 7月25日典型壓力-時(shí)間曲線Fig.9 Typical pressure-time curve on July 25

從1～5號(hào)壓裂孔施工過(guò)程中對(duì)于巖屑和壓力的分析來(lái)看,頂板起伏較大,并非平整展布,且中央大巷頂板沿東西方向不同位置的巖石堅(jiān)硬程度不一,由南到北壓裂層巖石的強(qiáng)度有下降的趨勢(shì),靠近斷層的位置巖石的起裂壓力較低,在向斜構(gòu)造附近巖石的起裂壓力局部升高。

由于超長(zhǎng)孔水力壓裂過(guò)程中所產(chǎn)生的能量較低,且井下破裂信號(hào)繁雜,所以會(huì)存在壓裂信號(hào)被湮沒(méi)的現(xiàn)象,因此本次分析以長(zhǎng)時(shí)間段的整體固定區(qū)域監(jiān)測(cè)為主,分析監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)微震事件的相對(duì)變化情況。本次分析所選取的微震數(shù)據(jù)分別包括措施前的2020-06-01—07-12,措施后的2020-08-16—10-09兩個(gè)階段,微震事件能量及定位如圖10所示。

根據(jù)中央大巷微震事件定位及不同能量等級(jí)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,認(rèn)為在措施前(06-01—07-12)復(fù)合構(gòu)造區(qū)內(nèi)中央大巷的微震事件主要集中在D29斷層區(qū)、二輔運(yùn)4號(hào)聯(lián)絡(luò)巷區(qū)和塬子口向斜區(qū)3塊區(qū)域內(nèi),共監(jiān)測(cè)到微震事件70次,其中能量W>104J的微震事件3次,104J>E>103J的事件24次,103J>W>102J的事件37次,102J>W的事件6次。措施后(08-16—10-09)期間共監(jiān)測(cè)到微震事件28次,能量W>104J的微震事件0次,104J>W>103J的事件6次,103J>W>102J的事件15次,102J>W的事件7次,且微震事件主要集中在二輔運(yùn)4號(hào)聯(lián)巷和2號(hào)通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷區(qū)域附近。整體來(lái)看措施后監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)再無(wú)W>104J的微震事件出現(xiàn),其他等級(jí)的能量均出現(xiàn)明顯的下降,且能量的集聚區(qū)域也發(fā)生了一定的改變。微震監(jiān)測(cè)結(jié)果說(shuō)明原集聚的能量得到一定的釋放,且措施后壓裂范圍內(nèi)集聚能量的程度下降,表明措施范圍內(nèi)堅(jiān)硬頂板的完整性和儲(chǔ)能能力降低,改善了其儲(chǔ)能環(huán)境,從而可以減小傳遞至下方巷道動(dòng)載的等級(jí),避免其破斷失穩(wěn)而誘發(fā)沖擊地壓,有利于措施范圍內(nèi)巷道防沖減危目的的實(shí)現(xiàn)。

圖10 中央大巷微震事件平面分布Fig.10 Distribution location of micro seismic events in central roadway

5 結(jié) 論

(1)中央大巷賦存地應(yīng)力等級(jí)高、強(qiáng)沖擊傾向性、多巷平行布置造成的應(yīng)力集中和上覆易“儲(chǔ)能”的堅(jiān)硬頂板是導(dǎo)致孟村煤礦中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)沖擊地壓災(zāi)害頻發(fā)的主要因素。

(2)頂板條帶弱化就是指在巷道正上方一定范圍的堅(jiān)硬頂板內(nèi)通過(guò)人工措施沿頂板順層方向制造平行于巷道軸向的條帶狀弱化范圍,其主要作用是降低能量存儲(chǔ)、增加能量耗散和局部結(jié)構(gòu)調(diào)整,該措施可以通過(guò)采用超長(zhǎng)孔水力壓裂技術(shù)而實(shí)現(xiàn)。

(3)在中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)實(shí)施頂板條帶弱化法來(lái)進(jìn)行防沖實(shí)踐,措施后監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)再無(wú)W>104J的微震事件出現(xiàn),表明頂板條帶弱化法取得良好的防沖效果,同時(shí)也表明該技術(shù)可以為巷道防沖提供新的技術(shù)手段。