華亭煤礦采掘工作面應(yīng)力集中區(qū)域沖擊地壓防治技術(shù)

呂甲鵬,林 飛,屈 英,趙文元,郭敏杰,焦宏強(qiáng)

(華亭煤業(yè)集團(tuán)華亭煤礦,甘肅 平?jīng)?744100)

0 引言

華亭煤礦轉(zhuǎn)入2501采區(qū)開(kāi)采后,自第2個(gè)工作面開(kāi)始,沖擊地壓災(zāi)害凸顯,共記錄礦震68 486次,沖擊地壓顯現(xiàn)228次。經(jīng)沖擊傾向性鑒定,判定華亭煤礦煤5層為強(qiáng)沖擊傾向性煤層。所以消除或減輕沖擊地壓災(zāi)害是確保人員生命安全和企業(yè)持續(xù)發(fā)展的第一要?jiǎng)?wù)。

為此,對(duì)采掘工作面進(jìn)行應(yīng)力集中區(qū)域排查,制定有針對(duì)性的沖擊危險(xiǎn)治理方案及管理措施,是降低沖擊地壓危害的最直接和最有效方法之一,以避免盲目卸壓造成人力和物力的浪費(fèi)[1]。

1 概況

華亭煤田區(qū)域構(gòu)造為一個(gè)大體上呈北北西—南南東向展布的“S”型不對(duì)稱向斜構(gòu)造形態(tài)。華亭煤礦目前回采的是2501采區(qū)一分層的250107-1工作面,掘進(jìn)的是2501采區(qū)二分層的250101-2工作面。2個(gè)工作面均受褶皺構(gòu)造、夾矸、賦存厚硬頂板等因素影響,開(kāi)采條件復(fù)雜惡劣,部分區(qū)域應(yīng)力集中程度較高,所以引發(fā)沖擊地壓顯現(xiàn)的危險(xiǎn)性較高,大大增加了沖擊地壓防控工作的難度[2]。采掘工作面布置如圖1所示。

圖1 2501采區(qū)采掘工程平面布置

2 應(yīng)力集中區(qū)域劃分

2.1 自然因素造成的應(yīng)力集中區(qū)域

2.1.1 褶曲構(gòu)造

根據(jù)華亭煤礦地質(zhì)資料可知,華亭煤礦內(nèi)褶皺構(gòu)造發(fā)育,井田內(nèi)分布有華亭向斜和華亭背斜2條主要的褶曲構(gòu)造線。大體上呈北北西—南南東向展布的“S”型構(gòu)造形態(tài),屬于一個(gè)東緩西陡、中間寬緩、南北兩段收斂的形似紡綞形的復(fù)式不對(duì)稱向斜構(gòu)造,這種褶皺構(gòu)造為水平載荷擠壓作用下發(fā)生緩慢變形的結(jié)果,是形成應(yīng)力集中區(qū)域的主要地質(zhì)構(gòu)造因素[4-6]。

經(jīng)分析,250107-1回采工作面穿華亭背斜,同時(shí)工作面開(kāi)采區(qū)域內(nèi)發(fā)育了幅度較小的呈波狀起伏的次一級(jí)褶皺,受背斜構(gòu)造、向背斜轉(zhuǎn)折影響,250107-1工作面開(kāi)采區(qū)域范圍內(nèi)水平應(yīng)力較大而形成高應(yīng)力集中區(qū)域,褶曲構(gòu)造造成的應(yīng)力集中區(qū)域如圖2所示。

圖2 褶曲構(gòu)造造成的應(yīng)力集中區(qū)域示意

2.1.2 夾矸影響

厚煤層工作面開(kāi)采過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)煤層夾矸結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)會(huì)造成煤層分岔,從而導(dǎo)致采掘工作面發(fā)生沖擊地壓的幾率增大,危險(xiǎn)性增強(qiáng),尤其是在褶曲、殘留煤柱等應(yīng)力異常區(qū)內(nèi),夾矸帶的沖擊危險(xiǎn)性更為嚴(yán)重[3]。

根據(jù)相鄰工作面煤層探測(cè)及地質(zhì)鉆孔資料分析,250101-2運(yùn)輸順槽229～1 609 m區(qū)段,靠近煤層底板1.1～12.1 m發(fā)育有夾矸1層,厚度0～8.8 m;回風(fēng)順槽開(kāi)口以里267.8～1 803.3 m,靠近煤層底板1.8～9.8 m發(fā)育夾矸1層,厚度0～2.0 m。掘進(jìn)兩順槽夾矸影響應(yīng)力集中區(qū)域剖面示意如圖3所示。

圖3 250101-2掘進(jìn)兩順槽夾矸影響應(yīng)力集中區(qū)域剖面示意

2.2 開(kāi)采技術(shù)因素造成的應(yīng)力集中區(qū)域

2.2.1 切眼位置的影響

“刀把”形等不規(guī)則工作面、調(diào)斜、旋轉(zhuǎn)區(qū)域或多個(gè)工作面的開(kāi)切眼及停采線不對(duì)齊等,區(qū)域附近極易造成局部多倍甚至十幾倍的應(yīng)力集中,沖擊危險(xiǎn)程度急劇升高。對(duì)外錯(cuò)回采空間周圍應(yīng)力分布進(jìn)行的數(shù)值模擬研究表明,靠近采空區(qū)附近工作面周圍煤巖體的應(yīng)力集中程度非常高[7-9]。

250107-1工作面開(kāi)采時(shí),開(kāi)切眼與相鄰的250106-1工作面開(kāi)切眼外錯(cuò)66 m布置,形成應(yīng)力集中區(qū)域,如圖4所示。

圖4 250107-1切眼外錯(cuò)影響應(yīng)力集中區(qū)域示意

250101-2開(kāi)切眼與250102-1開(kāi)切眼外錯(cuò),同時(shí)受上覆遺留煤柱及邊界煤柱影響,形成應(yīng)力集中區(qū)域,如圖5所示。

圖5 250101-2切眼外錯(cuò)及煤柱影響應(yīng)力集中區(qū)域示意

2.2.2 停采線位置的影響

停采線是否對(duì)齊或者當(dāng)前回采工作面停采線外錯(cuò)緊鄰工作面是影響停采線附近區(qū)域沖擊危險(xiǎn)程度的重要因素。當(dāng)停采線參差不齊或者外錯(cuò)相鄰工作面停采線時(shí),停采線附近應(yīng)力集中程度很高,直接導(dǎo)致沖擊危險(xiǎn)程度升高。

250107-1工作面設(shè)計(jì)停采線外錯(cuò)250106-1工作面停采線44.8 m。

當(dāng)250107-1工作面推進(jìn)至250106-1停采線附近時(shí),可能造成局部應(yīng)力集中區(qū)域,如圖6所示。

圖6 250107-1停采線外錯(cuò)影響應(yīng)力集中區(qū)域示意

250101-2回風(fēng)順槽掘進(jìn)至197 m時(shí)進(jìn)入上分層采空區(qū),受250101-1工作面停采線影響造成應(yīng)力集中區(qū)域,如圖7所示。

圖7 250101-2回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間受250101-1停采線影響應(yīng)力集中區(qū)域示意

250101-2運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至38 m時(shí)進(jìn)入上分層采空區(qū),受250102-1工作面停采線影響造成應(yīng)力集中區(qū)域,如圖8所示。

圖8 250101-2運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間受250102-1停采線影響應(yīng)力集中區(qū)域示意

250101-2運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至255 m時(shí)進(jìn)入同分層采空區(qū),受250102-2工作面停采線影響造成應(yīng)力集中區(qū)域,如圖9所示。

圖9 250101-2運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間受250102-2停采線影響應(yīng)力集中區(qū)域示意

2.2.3 上分層遺留煤柱影響

當(dāng)開(kāi)采下分層工作面時(shí),上分層遺留煤柱其本身應(yīng)力集中程度較高,集聚有大量彈性能,同時(shí)也對(duì)上覆堅(jiān)硬頂板具有一定的控制作用。當(dāng)下分層工作面沿殘采煤柱開(kāi)采時(shí),其采掘擾動(dòng)影響容易造成殘采煤柱超過(guò)極限強(qiáng)度而發(fā)生失穩(wěn)破壞,加之其上覆所控厚硬頂板的再運(yùn)動(dòng),形成的沖擊動(dòng)載將十分容易導(dǎo)致工作面沖擊地壓危險(xiǎn)的發(fā)生。

250101-2運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間受上覆采空區(qū)承載煤柱影響,巷道應(yīng)力集中區(qū)域如圖10所示。

圖10 250101-2運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間受上分層遺留煤柱影響應(yīng)力集中區(qū)域示意

3 降低應(yīng)力集中程度的卸壓解危措施

3.1 250107-1回采工作面兩順槽

3.1.1 褶曲構(gòu)造

為降低褶曲構(gòu)造形成的高應(yīng)力集中程度,在250107-1工作面回風(fēng)順槽770～1 120 m、1 608～1 758 m,運(yùn)輸順槽1 280～1 430 m實(shí)施超前分區(qū)解危卸壓(頂板深孔和巷幫煤體爆破)的基礎(chǔ)上,再采用巷幫煤體卸壓對(duì)地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)卸壓。

3.1.2 切眼位置影響

為降低250107-1開(kāi)切眼與邊界煤柱間構(gòu)成的三角煤柱應(yīng)力集中程度,在250107-1開(kāi)切眼煤柱側(cè)布置切頂深孔爆破配合煤體爆破卸壓。為縮短250107-1工作面初次來(lái)壓步距,在開(kāi)切眼上覆頂板煤巖層中進(jìn)行兩輪切頂深孔爆破,形成6.2 m寬的斜眼矩形單項(xiàng)掏槽,隨后再實(shí)施支護(hù)松動(dòng)爆破。

3.1.3 停采線位置影響

250107-1工作面設(shè)計(jì)停采線外錯(cuò)250106-1工作面停采線44.8 m,在250107-1回風(fēng)順槽推進(jìn)至2 033 m處時(shí),在實(shí)施超前分區(qū)預(yù)卸壓措施(頂板深孔和巷幫煤體爆破施工至設(shè)計(jì)停采線向外20 m)的基礎(chǔ)上,再采用巷幫煤體爆破降低煤體內(nèi)應(yīng)力水平。

3.2 250101-2掘進(jìn)兩順槽

3.2.1 夾矸影響

在250101-2掘進(jìn)兩順槽煤層分岔影響的40 m區(qū)域?qū)嵤┟后w爆破卸壓。兩順槽施工鉆孔沿巷道走向與巷道底板呈40°夾角,孔間距10 m,運(yùn)輸順槽孔深20 m,回風(fēng)順槽孔深15 m。單孔裝藥量6 kg,裝藥長(zhǎng)度2 m,裝藥方式為連續(xù)不耦合裝藥,黃泥封孔,封孔長(zhǎng)度不小于5 m,采用2號(hào)煤礦許用炸藥(φ63 mm/1 500 g),礦用雙導(dǎo)爆索配合2個(gè)煤礦許用毫秒延期電雷管正向起爆,爆破網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)由里向外一次起爆,一次最多起爆4孔,采用FD-200D型啟爆器啟爆。

3.2.2 切眼位置影響

250101-2開(kāi)切眼及運(yùn)輸順槽距開(kāi)切眼39 m段與250102-1開(kāi)切眼外錯(cuò),同時(shí)受上覆遺留煤柱及邊界煤柱影響,形成應(yīng)力集中區(qū)域,該區(qū)段在預(yù)卸壓措施的基礎(chǔ)上,再采取超深孔煤體爆破卸壓及頂板深孔爆破卸壓來(lái)降低該區(qū)域應(yīng)力集中程度。

3.2.3 停采線位置影響

250101-2回風(fēng)順槽掘進(jìn)至197 m時(shí)進(jìn)入上分層采空區(qū),受250101-1工作面停采線影響造成應(yīng)力集中區(qū)域,為降低應(yīng)力集中程度,在250101-2回風(fēng)順槽距聯(lián)絡(luò)巷口197～237 m范圍內(nèi)加密(預(yù)卸壓措施孔間距由2.4 m調(diào)整為0.8 m)施工巷幫大直徑鉆孔。

250101-2運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至38 m時(shí)進(jìn)入上分層采空區(qū),受250102-1工作面停采線影響造成應(yīng)力集中區(qū)域,為降低應(yīng)力集中程度,在250101-2回風(fēng)順槽距聯(lián)絡(luò)巷口38～78 m范圍內(nèi)加密施工煤體爆破卸壓。

250101-2運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至255 m時(shí)進(jìn)入同分層采空區(qū),受250102-2工作面停采線影響造成應(yīng)力集中區(qū)域,為降低應(yīng)力集中程度,在250101-2回風(fēng)順槽距聯(lián)絡(luò)巷口247～287 m范圍內(nèi)加密(預(yù)卸壓措施孔間距由2.4 m調(diào)整為0.8 m)施工巷幫大直徑鉆孔。

3.2.4 上覆遺留煤柱影響

250101-2運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間受上覆采空區(qū)承載煤柱影響,巷道應(yīng)力集中。在250101-2運(yùn)輸順槽實(shí)施孔深為32 m和15 m的深淺孔煤體爆破卸壓措施。通過(guò)深爆破孔施工至遺留煤柱正下方,爆破沖擊力將上覆煤柱支承應(yīng)力向煤柱兩側(cè)的深部推移,降低峰值,減小應(yīng)力集中程度,再施工淺孔煤體爆破,將應(yīng)力向巷道兩側(cè)分散轉(zhuǎn)移,再次降低應(yīng)力集中。

4 卸壓解危方法

4.1 頂板深孔爆破

一組斷頂深孔爆破[10]共有5孔,分別命名為1#、2#、3#、4#、5#孔,1#、2#、3#鉆孔布置在距煤壁側(cè)1 m的巷頂上,開(kāi)孔位置傾向間距0.8 m,4#、5#鉆孔布置在距煤柱側(cè)1 m的頂板上,開(kāi)口位置走向間距0.8 m;使用二號(hào)煤礦許用炸藥(φ63 mm/1 500 g),裝藥方式為連續(xù)不耦合裝藥,采用黃泥封孔。礦用雙導(dǎo)爆索雙雷管正向?qū)П?煤礦許用毫秒電雷管引爆,FD-200D型啟爆器啟爆,爆破網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)最多2孔一次起爆,具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 250107-1回風(fēng)順槽頂板深孔參數(shù)

4.2 巷幫煤體爆破

每隔10 m布置一個(gè)煤體爆破卸壓孔,采用手持式風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)取孔,鉆孔垂直煤壁,鉆孔間距10 m,距巷底0.8 m,孔徑42 mm,孔深12 m;使用二號(hào)煤礦許用炸藥(φ35 mm/150 g),礦用雙導(dǎo)爆索正向?qū)П?雙煤礦許用毫秒延期電雷管正向起爆,FD-200D型啟爆器啟爆,單孔裝藥量3 kg,裝藥長(zhǎng)度4 m,封孔長(zhǎng)度不小于4 m,爆破網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)10孔一次起爆,巷幫煤體爆破后躲炮時(shí)間不得少于30 min。

4.3 超深煤體爆破

超深煤體爆破卸壓孔,采用履帶式液壓鉆機(jī)配合φ75 mm鉆頭在煤壁側(cè)施工。孔深35 m,孔高1.3 m,鉆孔方位164°,傾角5°,孔間距10 m。單孔裝藥量10.5 kg,裝藥長(zhǎng)度3.5 m,裝藥方式為連續(xù)不耦合裝藥,黃泥封孔,封孔長(zhǎng)度12 m,采用2號(hào)煤礦許用炸藥(φ63 mm/1 500 g),礦用雙導(dǎo)爆索配合2個(gè)煤礦許用毫秒延期電雷管正向起爆,爆破網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)由里向外一次起爆,一次最多起爆4孔,FD-200D型啟爆器啟爆。

5 應(yīng)用效果

250106-1工作面中回采時(shí)發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)7次,發(fā)生能量大于1.0×104J的震動(dòng)68次,應(yīng)用該防治方法后,250107-1工作面未出現(xiàn)過(guò)沖擊地壓顯現(xiàn),發(fā)生能量大于1.0×104J的震動(dòng)26次。250101-2工作面掘進(jìn)期間未出現(xiàn)過(guò)沖擊地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象,相較于250102-2工作面掘進(jìn)期間發(fā)生的3次沖擊地壓顯現(xiàn),效果顯著。由此可見(jiàn),通過(guò)對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行排查,并制定具有針對(duì)性的卸壓解危方法后,無(wú)論是震動(dòng)頻次、震動(dòng)能量還是大能量震動(dòng)次數(shù),均有顯著下降,為采掘工作面安全生產(chǎn)提供保障[11]。

6 結(jié)論

(1)理論分析地質(zhì)影響因素及開(kāi)采技術(shù)影響因素,分別劃分出褶曲構(gòu)造影響和夾矸影響因素造成的應(yīng)力集中區(qū)域,及切眼位置、停采線位置的影響及上分層遺留煤柱影響因素造成的應(yīng)力集中區(qū)域。

(2)通過(guò)分析不同應(yīng)力集中區(qū)域加之采掘擾動(dòng)影響下,劃分出明確的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域,便于指導(dǎo)沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警及綜合治理。

(3)提出具有針對(duì)性降低應(yīng)力集中程度的卸壓解危措施,以快速、準(zhǔn)確的降低應(yīng)力集中程度。