彬長礦區沖擊地壓防治技術體系及遠景目標

雷照源,焦 彪,張春霞,席國軍,史星星

(陜西彬長礦業集團有限公司,陜西 咸陽 712046)

0 引言

煤炭資源供應是保障國家戰略安全的重大因素。2021年以來,受全球不安定因素多變影響,導致我國煤炭資源產銷比失調[1]。隨著深部礦井煤炭資源產出的占比逐漸擴大,其沖擊地壓誘發礦井災變嚴重抑制煤炭資源的平穩產出[2]。開展區域化沖擊地壓防治是保證礦井安全生產的基礎,是有序釋放產能的保障,是企業發展瓶頸的突破口。

自1738年在英國發生人類有文字記載以來的首次巖爆距今已經300多年,20世紀80年代我國因煤礦開采深度的增加,在典型“三硬”條件的煤礦相繼發生了沖擊地壓事故。歷經幾代學者的努力,針對沖擊地壓問題先后提出強度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、變形失穩理論等,通過揭示沖擊地壓發生機理、顯現強度、破壞特征等,一定程度上對沖擊地壓防治起到積極的作用[3-5]。深埋煤炭資源賦存條件的多樣化,構造變形、構造形成過程和構造應力場等方式共同決定著礦床賦存方式和應力環境,開采過程中所引發的巖石力學問題也成為國內外研究的焦點[6-8]。深埋特厚煤層綜放開采條件下,多個關鍵層沿工作面走向和傾向2個維度呈現不同破斷運動特征;關鍵層與“三帶”位置關系不同,上部覆巖層形成空間結構的彈性能釋放路徑導致沖擊的時效性也不同[9-10]。因此從礦井賦存條件出發,探索出源頭控制、路徑轉移、區域防治的沖擊地壓綜合防治技術體系,是礦井安全高效生產的重要途徑。

彬長礦區是黃隴煤炭生產基地深埋特厚煤層的代表,區內地質構造發育,是典型的復雜環境沖擊地壓集結區。近年來,彬長集團以“打造世界復雜條件一流煤炭企業”為目標,以《煤礦安全規程》《防治煤礦沖擊地壓細則》等國家法律法規為準繩,以災害預測為依據,在沖擊地壓防治方面取得了豐碩成果。彬長礦區極特厚煤層開采下,隨采隨掘沖擊現象具有影響范圍廣、作用顯現劇烈等特點。通過下屬5對生產礦井沖擊地壓鑒定,為兩強兩中一弱。因此以胡家河煤礦為例,開展構建極特厚煤層井上下三維立體分區式沖擊地壓防治技術研究具有現實必要性。

1 礦井現狀

1.1 礦井概況及賦存特征

胡家河煤礦作為彬長礦業集團主力礦井,礦井設計生產能力為500萬t。礦井位于咸陽市長武縣境內,南北寬7.2 km,東西長8.5 km,面積約55.239 4 km2,主采4號煤層,共劃分5個盤區。其中煤厚10～26 m。目前回采401、402盤區,地面標高+932～+1 170 m,煤層底板標高+340～+400 m,埋深在590～830 m之間,平均埋深710 m。煤層上覆巖層斷層、褶皺發育。

主采4號煤層為結構簡單的穩定煤層,一般有1～2層夾矸,且位于煤層的中上部,夾矸厚度一般小于0.3 m。其頂板巖性以灰-深灰色泥巖、砂質泥巖為主,底板則以黑色碳質泥巖為主。工作面布置均在煤層中,煤層頂底板賦存情況見表1,煤巖力學參數見表2。

表1 煤層頂底板賦存情況

表2 煤巖力學參數

1.2 生產工藝

4號煤層設計采用長壁綜采放頂煤采煤方法,全部垮落法管理頂板。根據礦井生產能力、煤層賦存條件以及目前所選用的采煤機特點,設計煤層開采厚度14 m,平均日推進3.2 m。其中割煤高度3.5 m,截深為0.8 m;采用“一采一放”的放煤工藝,放煤高度10.5 m。工作面選用ZF13000/21/40液壓支架、防沖支架型號為ZQ8000/21/37,匹配37.5 MPa的乳化泵。工作面采用“一進一回”通風模式,巷道與工作面方向一致,采用錨網索支護。工作面生產參數見表3。

表3 工作面生產參數

胡家河煤礦401106工作面北側為401105綜放工作面(采空區),間隔35 m保護煤柱,南側為DF5斷層保護煤柱,西側為401盤區3條盤區大巷保護煤柱。基于胡家河煤礦綜放開采形成的大空間采場,工作面上部形成的復合頂板層數多,根據覆巖“三帶”及沖擊“載荷三帶”劃分結果,在工作面運輸、回風順槽進行超前壓裂。

1.3 礦區沖擊地壓現狀

彬長礦區沖擊地壓臨界深度約為500～600 m,最大最小水平應力分別為33.87 MPa、8.36 MPa,垂直應力約為20 MPa。隨著采深的增加,沖擊地壓的危險性急劇增長。根據《胡家河煤礦沖擊危險性評價》,4號煤層總體上具有強沖擊危險,礦井強沖擊區域分布如圖1所示。根據動靜載荷因素分析,4號煤層采深、褶曲、斷層、煤柱、底煤留設等因素均對靜載荷積聚起到促進作用;動載荷主要為采掘擾動和煤層上方硬厚砂巖斷裂所產生的沖擊動載。頂板為弱沖擊傾向性的頂板。

圖1 礦井強沖擊區域分布示意

1.4 主控巖層確定

沖擊地壓顯現形式與礦壓顯現形式基本類似,但動力來源和表現特點存在差異。一般來說強礦壓顯現是由頂板突然斷裂失穩引起覆巖運動造成的,必須建立在覆巖垮落的基礎上;而沖擊地壓是巖體內部彈性能突然釋放而誘發的動力災害,頂板不一定垮落。同時認為沖擊地壓能量釋放速率與巖體傳遞介質的完整程度和堅硬程度成正比,開采后形成的空間結構促使煤巖或局部煤巖發生破壞。

胡家河煤礦作為強沖擊煤層,其是由上覆巖層賦存條件決定的,覆巖賦存如圖2所示。根據關鍵層理論劃分覆巖結構類型,見式(1)。

圖2 煤層覆巖賦存情況

(1)

式中,E為彈性模量,GPa;h為巖層厚度,m;V為體積力,kg/m3。

根據判別式(1)可知,19.73 m粉砂巖、19.4 m泥質粉砂巖、271.27 m中砂巖、15.03 m泥巖、19.32 m含礫粗砂巖為關鍵層,其中271.27 m中砂巖為主關鍵層(主控巖層)。

根據三帶判別式(2)、式(3)[11],可知垮落帶高度為42～56 m,裂隙帶高度約為205 m。19.32 m含礫粗砂巖在垮落層內;15.03 m泥巖在裂隙帶內;中砂巖在裂隙帶與彎曲下沉帶之間。由此可知,19.32 m含礫粗砂巖、271.27 m中砂巖為影響工作面采動“小—大”來壓的主控巖層;其中271.27 m中砂巖作為主關鍵層,影響著礦井礦壓的整體分布。

Hc=(3～4)M

(2)

Hf=100M/(3.3n+3.8)+5.1

(3)

式中,M為開采厚度,m;n為開采煤層層數。

2 沖擊地壓防治技術體系

通過上述分析可知,胡家河煤礦由深埋高應力、遠場巨厚堅硬頂板、垮落帶堅硬厚頂板作用在煤層上,在大采場的超強擾動進一步誘發沖擊地壓發生。根據煤層力學屬性可知,4號煤層具有軟巖屬性,更易發生煤炮、幫鼓等現象。故此,打造井上下三維立體分區式技術體系是實現沖擊地壓防治的可行途徑之一。采掘工作面擾動下影響范圍的不同,《煤礦安全規程》《防治煤礦沖擊地壓細則》規定采煤工作面與掘進工作面之間、2個掘進工作面之間的水平間距滿足350 m、150 m的要求;采煤工作面重點關注100 m范圍堅硬巖層。故此根據彬長胡家河煤礦采煤、掘進布局進行井下分區式致裂技術,與地面水力壓裂共同構成井上下三維立體分區式沖擊地壓防治技術體系。

2.1 井上防沖技術

通過遠場主關鍵層的確定,采用地面水力壓裂技術,改變巖層本構關系,弱化巖層靜載的下壓作用。根據工作面的布置情況,設置2個地面水平鉆井進行地面壓裂技術,壓裂裂縫延伸在工作面傾向方向覆蓋整個工作面,走向方向覆蓋鉆井軌跡水平段區域。

壓裂工程采用電纜泵送橋塞射孔聯作壓裂工藝技術。采用高粘活性膠+2次暫堵壓裂工藝或高粘活性膠+交聯凍膠+1次暫堵壓裂工藝。水平井設計50 m為一段,每段射孔作業采用2簇射孔,簇間距15～25 m,每簇1 m,每米10孔,60°相位螺旋布孔,孔徑9 mm;壓裂作業每段采用10～16 m3/min排量,1 300～1 500 m3液量,35～40 m3加砂量。圖3為地面壓裂示意圖,主控巖層壓裂效果如圖4所示。壓裂過程中通過資料分析與判讀、導向過程控制、軌跡預測保障壓裂的準確性。

圖3 地面壓裂示意

圖4 地面水力壓裂效果示意

2.2 井下防沖技術

2.2.1 綜放工作面

工作面頂板兩側接觸面咬合的摩擦力不同,通過井下水力壓裂和爆破致裂分別破壞臨空側與實體側頂板接觸面咬合的摩擦力,達到降低整體強度的目的。在采動應力擾動下,使頂板在采空區及時垮落。根據區段煤柱承載效應,分析煤柱上部煤柱、頂板動載分布情況,確定致裂參數[12]。401106綜放工作面致裂計算參數見表4,“分區式”致裂技術如圖5所示。

圖5 井下分區致裂技術示意

表4 井下綜采面致裂計算參數一覽

表4中,P0為頂板注水最小壓力,MPa;H為開采深度,m;MK為單孔注水量,t;T為鉆孔擔負的濕潤巖體量,t;W1為根據調查資料確定的巖層水分上限值,%;W2為巖層注水前巖體的原始水分值,%;K為水量不均衡系數,取0.5～1.0;R為浸潤半徑;vl=2R/3。n為綜合影響系數;f為封孔材料與孔壁的摩擦因數;λ為側壓系數;D為爆孔直徑,選50 mm。Pc為裝藥量,g/m;R壓為巖石抗壓強度,Pa。

2.2.2 掘進工作面

401盤區、402盤區工作面順槽、輔助順槽、開拓巷道為全煤巷道,巷道松動圈范圍約1.2 m。“靜動”載荷作用下,巷道周圍煤體的塑性破壞與應力分布如圖6所示。根據巷道掘進期間沖擊危險性評價,進行掘進迎頭、兩幫、底板“分段式”防沖設計,弱化擾動下的應力集中造成的煤巖體的彈射現象。掘進工作面采用爆破+大直徑孔卸壓技術,井上下三維立體分區式沖擊地壓防治技術體系流程如圖7所示。工作面順槽經歷“靜—動—動”3次載荷變化過程,第三次動載荷由工作面采動引起,采用“分區式”卸壓方式進行防護。

圖6 煤體巷道塑性破壞及應力分布示意

圖7 井上下立體分區式沖擊地壓防治技術體系

2.3 沖擊地壓防治技術體系準則

沖擊地壓防治根據主控巖層防范的原則上,以煤層沖擊傾向性鑒定和沖擊危險性評價為依據,分析“靜動載荷”影響規律,打造“井上下三維立體分區式沖擊地壓防治技術體系”,形成了“監測預警—防治解危—效果檢驗—安全防護—監督管理”的防沖技術管理辦法,實現了沖擊地壓分階段和分區域進行的動態防治,以達到最有效和最經濟的防治目的。

3 沖擊地壓防治遠景目標

總體來說,彬長礦區沖擊地壓防治通過發生力源、傳播路徑、顯現區域進行綜合防治。隨著綠色開采相關政策的逐步落實,根據彬長礦區大采場與主控巖層的聯動效應,提出主控巖層“上承下壓”代替井上防沖技術與柔模支護置換煤柱的沖擊地壓治理的遠景目標。

3.1 主控巖層“上承下壓”

根據主控巖層判定可知,主控巖層為覆巖相對厚、硬巖層。大量理論與實踐研究表明[13-15],煤層開采后的采出空間是由下向上逐漸傳遞到地表的,傳遞過程中受到了其控制作用,并在其下方形成采動裂隙;隨著開采范圍增大,該巖層發生破斷,采動裂隙隨之閉合,采出空間最終傳遞到地表,造成地面塌陷。在掌握彬長礦區采動裂隙及巖層移動規律基礎上,以關鍵層理論為支撐,在主控巖層破斷前,通過地面鉆孔向其下方封閉的采動裂隙腔體高壓注漿充填,產生“壓下托上”作用,將主控巖層下方碎脹巖體壓實形成支撐體,阻止主控巖層破斷,控制巖層移動。進一步防止堅硬巖層破斷,減小其能量釋放,減緩實體煤應力集中,從而實現減震防沖目的,同時也解決了煤矸等固廢物處理及地表下沉等問題。

3.2 柔模支護置換煤柱

柔模支護置換煤柱實質上就是將矸石充分利用柔膜進行支護,在工作面巷道形成“人造煤柱”,將原留設煤柱進行回收,達到不留煤柱、沿空留巷的目的,進一步減少彬長礦區煤柱型沖擊地壓發生。

考慮彬長礦區特厚煤層圍巖結構與柔模支護充填體效果的適應性,充填操作的難易程度、充填與工作面生產之間的協調因素。可以采用長距離泵送混凝土支護工藝。將煤矸石、粉煤灰、水泥、石子添加劑按一定比例配合而成巷道充填材料。柔模充填支護中,通過柔模將水滲出后采用錨桿形成對拉,提高其承載及抗變形能力。錨桿支護參數與巷道煤體幫支護參數保持一致。并通過監測位置反饋數據,分析巷道頂板的下沉速度及頂底板的移近量、巷道兩幫的相對變形量。

4 結論

(1)以彬長礦區胡家河煤礦為例,認為4號煤層的深埋、褶曲、斷層、煤柱、底煤留設等因素形成了沖擊的靜載荷積聚與大采場擾動和主控巖層斷裂所產生的沖擊動載共同形成了胡家河煤礦的沖擊現象。

(2)通過彬長礦區胡家河煤礦主控巖層判定,提出了井上下三維立體分區式沖擊地壓防治技術體系。即以主控巖層超前致裂為主,根據采掘工作面不同位置輔助分區致裂弱化技術。

(3)以主控巖層致裂為基礎,以“綠色開采+沖擊地壓防治”為目標,提出主控巖層“上承下壓”與柔模支護置換煤柱的沖擊地壓防治思路。