淺埋煤層工作面礦山壓力分區顯現機理及其控制

孫永新,郭中安,趙啟生

(陜西中太能源投資有限公司,陜西 榆林 719109)

0 引言

陜北的榆橫礦區地表受沖溝影響多以溝壑、黃土梁峁為主[1-2],在溝谷處不僅松散表土層因沖蝕而缺失,部分基巖也因沖蝕而缺失[3]。煤層回采受此影響,發生多次動載強礦壓現象,工作面煤壁切頂、片幫嚴重,支架大面積壓死,對工作面安全回采影響較大,嚴重威脅礦井安全高效開采。為此,不少學者也逐漸開始重視黃土梁峁區域煤層安全開采的問題,ZHANG等[4]研究神東礦區溝谷地形下煤層開采情況,發現溝谷的坡角對工作面礦壓顯現影響較大,隨著角度的增大礦壓顯現頻率和強度逐漸增加。趙杰等[5]發現覆巖關鍵層的缺失是引發溝谷區煤層開采工作面強礦壓顯現的主要原因,并且由于破角的影響,關鍵層破斷方式也呈現不同的特點。楊治林[6]運用突變理論研究淺埋煤層開采關鍵層的破斷失穩狀態,發現溝谷區關鍵層受地形條件的影響,在上坡段回采時由于缺少側向約束導致關鍵層破斷后會發生回轉失穩覆巖荷載向下傳遞增加了工作面支架的壓力。王方田等[7]采用現場實測和數值模擬的方法研究溝谷下淺埋煤層工作面開采礦壓顯現規律,得出背溝段開采工作面支架最大工作阻力和來壓動載系數最大,發生頂板切冒支架壓毀災害的可能性增加。王旭鋒等[8]建立在沖溝坡體下采場基本頂初次破斷的力學模型,覆巖關鍵層破斷后的塊體不能形成穩定結構,即“砌體梁”結構出現回轉或滑落失穩,而支架工作阻力又不足以平衡失穩結構巖體的自重時,就會引起工作面動載礦壓的出現。

以上研究表明,溝谷地形淺埋煤層開采工作面強礦壓顯現的主要影響因素有關鍵層的缺失和溝谷坡度。其中,背溝開采工作面礦壓顯現規律研究較少,針對該問題,文中采用現場實測的研究方法對來壓前后工作面來壓步距和來壓強度進行分析,研究溝谷地形下淺埋煤層礦壓顯現規律,并且提出相應的治理措施,以保證后續回采工作面的安全穩定。

1 工程背景

榆橫礦區朱家峁煤礦位于陜西省榆林市橫山縣境內,處于毛烏素沙漠與黃土高原接壤地帶。井田東西寬10.0 km,南北長7.6 km,面積50.193 2 km2。地表絕大部分被第四系松散沉積物覆蓋,較大溝谷中基巖零星出露。

礦井現主采3號煤層,1305-2工作面位于朱家峁煤礦一盤區西翼,工作面對應地面位置主要為黃土梁峁,區內地勢西北部低,東南部高,地形起伏較大,支離破碎,溝壑縱橫。工作面中部有2條溝谷通過,河溝處基巖被沖蝕,缺失厚度15～30 m。1305-2工作面長240 m,走向長3 905 m,煤層埋深125～205 m,近水平煤層,煤厚2.5～3.1 m,均厚2.8 m。工作面采用單一長壁綜合機械化一次采全高采煤法,全部垮落法管理頂板。工作面布置145組支架,基本支架選用ZY9000/17/35型掩護式液壓支架共136架,1305-2工作面正常回采期間,由于煤層埋藏較淺,工作面回采對地表有一定影響。同時,受地質條件的影響在工作面開采經過黃土梁峁上坡區域時,周期來壓顯現明顯,要防范地表臺階下沉引發壓架事故的發生。

2 工作面強礦壓顯現特征

1305-2工作面自2020年10月份正式開始回采,至2021年10月3日,已經累計推進2422 m。2021年10月,1305-2工作面在過第一條河溝的上坡段連續出現2次壓架事件,累計造成生產中斷16 d,嚴重影響礦井的安全生產和經濟效益。

2021年10月3號發生第一次壓架事故,來壓時工作面46#～122#支架頂板在煤壁處斷開切頂,支架上方發出響聲,同時煤壁出現片幫情況,壓架造成工作面中部65#～95#支架全部壓死,工作面多處液壓管路損毀,影響生產10 d;恢復生產后,工作面向前推進了16 m,發生第二次壓架。第二次來壓與第一次相比,來壓呈現速度快、范圍廣和來壓強烈的特點。二次來壓過程中大部分支架在6 min之內壓力從28 MPa逐漸升至42 MPa,造成工作面中部45#～95#支架大部分被壓死,工作面多處液壓管路損毀,影響生產6 d。具體來壓位置如圖1所示。

圖1 1305-2工作面壓架平面位置示意

3 現場礦壓實測分析

3.1 工作面礦壓監測布置

為了獲得工作面頂板運動參數,分析采場頂板初次來壓和周期來壓,掌握工作面支架受力特點和頂板來壓規律,對2次強礦壓顯現規律進行研究,最終提出相應的防治措施,并對現場工程實踐提供進一步的指導。

在1305-2工作面采用尤洛卡礦業安全工程股份有限公司生產的礦壓在線監測系統,工作面每隔5架支架安裝1臺礦用本安型頂板壓力無線監測分站(KJ653-F2)對回采過程中支架初撐力、工作阻力進行實時動態監測。每個監測分站有2個監測通道分別安裝于支架左、右立柱。在確保安全閥的正常使用下,定點(間隔5架)由驗收員每班統計2次壓力表數據,開展正常的班檢工作,數據整理后根據動態檢測指標認真做好分析研究。

在工作面兩巷超前液壓支架上安裝指針式礦壓表,認真觀測記錄支架立柱工作阻力的變化情況并在巷道頂板布置頂板離層儀,用來監測頂板離層情況,為巷道的支護提供依據。當巷道幫部片幫嚴重時,及時采取補打錨桿等措施加強幫部支護。

根據以上監測設備觀測結果對工作面頂板活動規律、來壓特征,工作面支架受力特點,支架對頂板的適應性和控制效果,超前支承壓力影響范圍和分布特點,頂板、煤層穩定性,工作面支護質量等進行定期分析,保證工作面的安全高效開采。

3.2 工作面來壓期間礦壓監測

為了查明1305-2工作面在2021年10月份共發生2起壓架事故的原因,避免類似事故再次發生,根據工作面礦壓實測數據分析10月3日和10月23日頂板來壓前后礦壓規律,進而分析頂板結構演化規律,為后續頂板治理措施提供理論支撐。

統計并繪制2次強礦壓現象來壓前后2 d內的支架工作阻力變化情況,如圖2和圖3所示。

圖2 10月1日—10月5日工作面支架平均工作阻力

圖3 10月21日—10月25日工作面支架平均工作阻力

第一次來壓:1305-2工作面在第一次來壓前,工作面中部40#～110#支架工作阻力開始升高,支架壓力值明顯高于30 MPa,呈現出“中部高兩端低”的特點。10月1日回采時,工作面中部第40#和110#支架工作阻力明顯低于額定工作阻力,10月2日回采工作面支架工作阻力明顯開始升高,出現小范圍的來壓現象。而在10月3日回采時,工作面支架壓力值繼續升高,整體壓力值超過45 MPa,遠大于額定工作阻力,頂板來壓造成部分支架壓壞,礦壓顯現較為強烈。10月4、5日工作面支架壓力值開始降低,說明工作面回采引發頂板破斷彈性應變能集中釋放,礦壓顯現后頂板應力集中程度降低。

第二次來壓:根據現場支架壓力監測數據可知,1305-2工作面在第二次來壓前,10月21日回采時,2#～50#和100#～140#支架壓力值超過35 MPa,說明工作面端頭頂板破斷,破斷的巖體搭接到支架上方,導致工作面礦壓呈現“兩端高中部低”的特征。10月22日回采時頂板壓力值整體變化較為平穩,應力集中程度較低。10月23日回采時,20#～120#支架壓力值激增超過45 MPa,由此可見頂板發生大面積斷裂造成局部應力集中程度加強,礦壓顯現較為明顯。10月24日和25日工作面支架壓力值仍然保持較高的水平,說明第二次礦壓現象強度明顯高于第一次,造成的破壞更為嚴重。

4 工作面礦壓分區顯現機理分析

通過對工作面兩次強礦壓顯現進行分析,不難發現1305-2工作面礦壓呈現“兩端弱中部強”的特征。因此,根據強礦壓顯現特征將工作面礦壓分布沿工作面長度方向劃分為2個典型的區域,如圖4所示。

圖4 工作面礦壓分區示意

1305-2工作面出現該分布特征,主要是由于兩方面的原因導致的。其一,1305-2工作面長度達到240 m,相較于普通工作面回采周期長,兩巷及上覆巖層長期受到掘進及采動影響,在礦壓方面的顯現異常劇烈,圍巖變形量大,故超長工作面常常呈現出來壓頻率增高,來壓步距縮短的特點。這兩次強礦壓顯現期間工作面正常回采的來壓步距為8～16 m,來壓期間減小為4～6 m,來壓強度達到45 MPa,超過支架額定工作阻力的80%。

其二,朱家峁煤礦地表多為黃土梁峁區域,存在零星溝谷發育區,受風化、水蝕較為嚴重。坡體產狀變化較大,受溝谷和坡體的影響容易導致基巖受力不均勻,溝谷底部和山腳處應力集中等系列問題。同時,在溝谷上坡階段回采,工作面來壓時基本頂巖塊主要失穩方式為滑落失穩,工作面支架須提供合理的支護力才能防止基本頂結構的滑落失穩。支架與頂板結構共同維持頂板的穩定,支架處于“給定失穩載荷”狀態。此時,關鍵層失去支撐能力且破斷的巖層缺少側向水平擠壓力作用,導致3號煤層開采后其破斷塊體形不成穩定結構而失穩,往往在工作面會出現動載礦壓現象。這是造成近淺埋煤層過溝谷地形上坡段時工作面易發生動載礦壓的根本原因。

為了進一步分析礦壓分區顯現機理,從工作面傾向頂板破斷特征的角度入手。由于工作面長度較長及關鍵層存在的影響,煤層上覆巖層頂板結構可能出現如圖5所示的特征。

圖5 頂板巖層垮落形態

由于煤層埋深較淺且覆巖關鍵層斷裂引發煤層覆巖移動變形,現以頂板2為研究對象,對該頂板進行受力分析。根據煤層的賦存特性,將頂板2簡化為簡支梁模型,其上受均布載荷作用,具體力學模型如圖6所示。

圖6 頂板力學模型

由圖6可知,梁自身的承載能力和其上端受均布載荷的作用暫時達到平衡狀態,但是隨著梁跨度的增加,逐漸發生彎曲,梁受到的剪力逐漸增大,直至發生破斷。

由于梁僅受固定端的反力,假設梁兩端的約束反力為FA和FB,彎矩分別為M1和M2,因豎直方向受力平衡,故有∑FA=0,則

(1)

式中,q為上覆巖層對頂板2的作用力,kN;γ為巖層容重,kg/m3;h為上覆巖層的總厚度,m;L為頂板2的跨度,m。

在頂板2上任取一截面C,求得該頂板的撓曲線微分方程

(2)

式中,E為彈性模量,kN/m2;I為頂板2的慣性矩,m4;ω為撓度,m;x為坐標原點到B點的距離,m。

在梁的中點,撓曲線切線的斜率ω′應等于0,即

(3)

求解得

(4)

所以在梁的中部,撓曲線切線的斜率等于零,撓度為極值。

由式(4)可知

(5)

通過以上對頂板2受力分析可知,隨著頂板垮落的增加在頂板中部撓度達到最大值,發生破壞的可能性也更大。這也解釋了兩次強礦壓顯現時,首先在工作面中部支架支撐能力達到極限,甚至發生破壞。在覆巖自重和工作面跨度較大2個因素的影響下,工作面方向頂板破斷呈現分區特性,出現中部先來壓兩端后來壓的情況。同時,也受覆巖關鍵層破斷的影響,加劇了頂板受力環境的復雜性,最終導致工作面礦壓分區效應明顯。

5 覆巖精準控制技術及效果

針對1305-2工作面在過溝谷地形時發生的強礦壓顯現,造成大面積壓架事故的問題。對兩次強礦壓顯現情況展開分析,結合礦壓分區顯現機理,提出具體的控制措施。

5.1 治理措施

為有效防治1305-2工作面強礦壓災害,重點在1305-2工作面溝谷影響區域回采巷道施工頂板水力壓裂孔,旨在實現破壞堅硬頂板的完整性,降低其能量儲存和應力傳導的屬性,同時在工作面回采后受上覆載荷作用促使預裂頂板及時垮落,消除強礦壓產生的主要因素,同時垮落頂板將對更高層位的巖層起到支撐作用,有利于抑制高位巖層的回轉下沉。

為此,采用水壓致裂技術,主要目的是致裂煤層上方的基本頂,改變其連續性,弱化應力傳遞與自身強度,在礦山壓力作用下,有利于煤層上覆巖層的分層逐步垮落,有效降低工作面中部的礦壓顯現強度。

施工位置:1305-2工作面長度240 m,煤層的基本頂為3.1 m厚的中粒砂巖,其與下部巖層組成的復合頂板厚度約為10 m。為了有效地降低工作面頂板的完整性達到預期的致裂效果,根據朱家峁煤礦礦壓分區顯現機理及鉆孔施工機制,對溝谷影響區800 m的范圍進行水壓致裂。最終確定在工作面實施長鉆孔的方式,由巷道兩側向工作面施工致裂孔。以此達到在分段壓裂的過程中同時兼顧工作面端部區域和強礦壓顯現區域的上方的頂板壓裂卸壓,以降低強礦壓風險的目的。

施工參數:工作面致裂孔參數。在工作面兩側巷道每個斷面各布置2個鉆孔為一組,共布置80組,共需施工160個深孔,每組鉆孔間距為10 m。鉆孔長度為91～111 m,鉆孔傾角與工作面傾向夾角為7°～8°,與工作面走向夾角為75°,致裂段長度為70～85 m,封孔段長度為21～26 m。根據巖石力學參數,鉆孔半徑為45 mm,注水壓力為22.1 MPa。具體布置方式參數如圖7和8所示。

圖7 工作面傾向方向水壓致裂孔布置方式

圖8 工作面走向方向水壓致裂孔布置方式

5.2 應用效果

第二次強礦壓顯現結束清理完工作面實施頂板超前爆破預裂方案,現場工作面支架壓力均勻受力,沒有局部壓力增加的情況發生,整體示數處于額定工作阻力范圍內,頂板放落效果良好,采空區頂板懸頂距離明顯縮短。地表裂縫寬度明顯縮短,且裂縫間距達到20 m,有效減緩地表的沉降。由此可見,采用頂板水力致裂技術對工作面回采安全有效且可行,達到了預期的目標。

6 結論

(1)1305-2工作面發生兩次強礦壓顯現,工作面前方發生切頂現象,煤壁片幫,工作面中部壓力明顯高于兩側,部分支架壓死,液壓管路損毀。地表相應位置發生臺階下沉。

(2)現場礦壓實測分析發現,強礦壓顯現期間周期來壓步距從8～16 m減小到4～6 m,來壓強度達到45 MPa,超過支架額定工作阻力的80%。基本頂巖塊滑落失穩是造成近淺埋煤層過溝谷地形上坡段時工作面易發生動載礦壓的根本原因。

(3)針對1305-2工作面在過溝谷地形時發生的強礦壓顯現問題,結合礦壓分析,提出頂板超前預爆破技術進行切頂卸壓,現場應用表明在一定程度上降低了來壓強度,采空區懸頂距離減小,保證了工作面安全高效開采。