采煤工作面過應力集中區(qū)沖擊地壓防治關鍵技術分析

郭瑞軍

(山西澤州天泰和瑞煤業(yè)有限公司,山西 晉城市 048021)

0 引言

在我國煤礦開采機械化程度不斷提升的背景下,安全生產愈加受到關注。對于煤礦多層開采而言,上部煤柱和本層煤柱使得采煤工作面應力集中,容易造成沖擊地壓事故。針對此種情況,相關研究人員開展了遺留煤柱誘沖機理及監(jiān)測治理的研究與分析。有研究表明,若煤柱單側屈服帶寬在煤柱寬度的0.33～0.43范圍內時,將會破壞煤柱平衡。隨著研究力度的加大,提出了一種鉆孔爆破卸壓技術,此種技術在治理礦井沖擊地壓方面效果顯著。但從現(xiàn)階段國內礦井的應用情況來看,由于受到種種因素的影響(如地質條件、參數(shù)設計、裝藥等),此種技術的卸壓效果不明顯,從而不能充分釋放應力[1]。因此,在使用此種技術的過程中,需充分考慮使用現(xiàn)場的實際情況,嚴格控制工藝參數(shù)。開展爆破卸壓方案的研究對提升礦井安全生產有著十分重要的意義。

基于此種情況,本文結合相應的工程案例,對工程中產生應力集中的情況進行分析,通過鉆孔爆破卸壓技術來釋放工作面集中的應力,從掘進前期、中期、后期3個階段進行卸壓。

1 工程概況

某煤礦采區(qū)的掘進工作面長達150 m,開采深度大約為540 m,平均傾角為31°,工作面上方具有殘留煤柱,寬度約為18 m,工作面(21煤層)遺留煤柱寬度約為15 m,開切眼及影響煤柱位置如圖1所示。

圖1 開切眼及影響煤柱位置

該工程的掘進順序主要根據(jù)風道向下與機道向上的順序,在風道下部掘進53 m 后,需停止掘進;在機道上部掘進75 m 后,應力集中相對較大。在對煤柱產生應力進行分析并做出相應的防治措施后,再次開展掘進工作。21煤層的平均煤厚為3.45 m,煤層頂部含有平均厚度為13.2 m 的灰白色細砂巖,底板含有平均厚度為9.05 m 的灰色粉砂巖。

2 煤柱影響下開切眼應力集中分析

2.1 17煤層遺留煤柱應力集中分析

通過分析開切眼上部17煤層的煤柱位置,建立相應的計算模型,以此來分析17煤層中煤柱對21煤層受力程度與走向的影響,如圖2所示。通過多因素耦合分析法與相關的經驗,設置21煤層開切眼處沖擊危險臨界值,當沖擊危險性判別指數(shù)大于2.0時,到達臨界值[2]。通過上述分析發(fā)現(xiàn),掘進附近的煤體主要承受著17 煤層與21 煤層的垂直應力,其中21煤層煤自重應力可表示為σh,見式(1)。

圖2 17層遺留煤柱計算模型

式中,σH17、σh分別表示17煤層、21煤層煤柱自重應力,為9.2 MPa、3.3 MPa,其中H17取值為368 m,h取值為498 m;θ表示煤柱的影響角,45°;σc為單軸抗壓強度,為8.2 MPa;x表示影響范圍,m;k為17煤層應力集中系數(shù),取3.0。

則可以將σn表示為:

在經過相應的計算后,得到應力疊加下21煤層的沖擊危險范圍趨于(61,199],此時,在17煤層的影響下,21煤層受到的煤柱影響應力增高范圍達到138 m,便可以通過沖擊危險指數(shù)將其分為不同的區(qū)域,即強沖擊危險區(qū)、應力影響區(qū),其影響范圍分別為52 m、68 m。

2.2 21煤層區(qū)段煤柱應力集中分析

在將21煤層北側的區(qū)域采空后,可以通過該區(qū)域頂部的硬巖層來呈現(xiàn)出巖層組的受力情況,并將其作為關鍵層[3]。由于巖層在應力的作用下會進行相應的移動,關鍵層懸臂段的重量疊加至該區(qū)域的外側,導致應力集中的情況出現(xiàn),可通過下列模型進行表示,即:

式中,σ、Δσ、σq分別表示側向為支承壓力、應力增加量、自重應力,MPa;H為21煤層的深度,取498 m;γ為各巖層容重,取2.5 t/m3;I為采空區(qū)的寬度,為50 m;α為移動巖層的移動角,為83°。

則可以得到σ為:

通過式(5)來繪制21煤層開切眼掘進受側向支承壓力影響曲線,如圖3所示。

圖3 開切眼掘進受側向支承壓力影響曲線

由圖3可知,在應力的影響下,軸承壓力逐漸呈升高趨勢,當與煤壁的距離大約為12.5 m 時,軸承壓力開始逐漸降低,在距離煤壁26 m 后,軸承壓力逐漸趨近于穩(wěn)定。通常來說,開切眼掘進是在煤體側向支承壓力峰值影響區(qū)內進行,由于該區(qū)域的應力集中相對過大,需要做好相應的防護措施,以此來提升開切眼的安全性。

3 鉆孔卸壓爆破技術

在煤礦開采過程中,由于應力集中的影響,沖擊地壓的情況頻頻出現(xiàn),經常發(fā)生支架折損、片幫冒頂、巷道堵塞、人員傷亡等情況,對煤礦的安全生產造成了巨大威脅[4]。基于此種情況,提出一種鉆孔卸壓爆破技術。

3.1 原理

爆破卸壓,是目前較為常見的一種應力釋放方式,主要是通過爆破的方式將應力集中區(qū)域進行卸壓。其卸壓原理為:通過在煤巖層中進行爆破,使巷道周圍的巖體內部產生相應的縫隙,以減小巖體的彈性模量,從而降低巖體的強度與彈性。在降低巖體周圍的彈性模量后,進而降低沖擊地壓產生的能量。此外,在爆破卸壓技術的作用下,可以在煤層內部形成卸壓區(qū),進而將應力轉移至煤巖層的深處,減低煤巖體中的部分彈性模量,這對于削弱或者消除采礦工作面中的沖擊危險有著十分重要的作用。

3.2 使用條件

在爆破過程中,鉆孔卸壓具有不穩(wěn)定性的特點,導致應力發(fā)生轉移,從而增大了沖擊地壓事故發(fā)生的概率。通常來說,鉆孔卸壓爆破技術的注意事項有以下幾點:

(1)此種技術僅適用于存在高應力點的應力區(qū),并且在使用的過程中需要確保支護結構不遭到破壞;

(2)對煤層的硬度要求相對較高,適用于較大應力、煤質較為堅硬的煤層;

(3)由于此種技術具有一定的危險性,在使用時需要充分了解礦井中的瓦斯?jié)舛取?/p>

3.3 掘進期間防治方案

卸壓主要從掘進前期、中期、后期3 個階段進行。

3.3.1 前期卸壓

經過分析,掘進過程中主要受支承壓力的影響,應力集中較為嚴重。因此,采用鉆孔卸壓的方式來釋放兩幫集中的應力,從而使掘進面始終保持在地應力區(qū)附近。鉆孔技術參數(shù)見表1。

表1 鉆孔技術參數(shù)

3.3.2 中期卸壓

在掘進期間,卸壓與掘進同時進行,并做好相應的監(jiān)測,其步驟如下。

(1)在掘進區(qū)域進行大直徑的卸壓鉆孔時,需要布置孔徑為120 mm、長度為25 m 的鉆孔,如圖4所示。

圖4 貫通時卸壓方案

(2)正幫。掘進5 m 作為基礎,進行卸壓鉆孔,鉆孔位置如圖4中8#、9#孔所示,并且孔徑的間距應保持在1.5 m,孔深為25 m,孔徑為120 mm,高度保持在1～2 m 范圍內。完成鉆孔后,隔孔裝3 kg炸藥,開始爆破卸壓工作。除此之外,爆破前安裝相應的監(jiān)測應力計,并且應力監(jiān)測距掘進頭的距離不能超過25 m。

(3)負幫。掘進5 m 作為基礎,進行卸壓鉆孔,鉆孔位置如圖4中10#、11#孔所示,并且孔徑的間距應保持在1.0 m,孔深為12 m,孔徑為120 mm,高度保持在1～2 m 范圍內。在爆破前需將監(jiān)測應力計安裝至掘進工作面中,并且應力計的安裝間距不能超過25 m。

(4)在鉆孔時,若受到氣壓因素影響出現(xiàn)卡鉆、煤炮的現(xiàn)象,可以將其忽視,直至應力完全釋放[5]。

3.3.3 后期卸壓

在開切眼貫通后,進行刷幫安架和工作面回采工作,由于采空區(qū)中存在的關鍵巖需要保持受力平衡,在其尋找受力點的過程中會增大兩幫的集中應力,可以通過以下方案來進行防治[6]。

(1)正幫。進行卸壓鉆孔,孔徑的間距應保持在1.0 m,孔深為25 m,孔徑為120 mm,高度保持在1～2 m 范圍內,隔孔裝3 kg炸藥后開始爆破卸壓工作。

(2)負幫。進行卸壓鉆孔,孔徑的間距應保持在1.0 m,孔深為12 m,孔徑為120 mm,高度保持在1 m 左右。

(3)在進行卸壓鉆孔時,應力計的安裝應用需要與卸壓工程同時進行,并且應力計的安裝間距不能超過25 m。

在實現(xiàn)21煤層的開切眼貫通、卸壓鉆孔、微震、應力監(jiān)測不需要作出相應的預警后,再安裝刷幫與支架。除此之外,為了有效降低工作面控頂面積和支護難度,可以根據(jù)從開切眼由下往上一邊開幫、一邊安裝支架的方式來實現(xiàn)。其中,開幫的寬度不小于3.8 m,并且?guī)蛡葹橄锏烙矌汀?/p>

3.4 鉆孔卸壓爆破技術應用效果

3.4.1 卸壓階段微震與應力在線監(jiān)測

卸壓期間微震特征曲線如圖5所示,圖中6月1日至7月19日屬于掘進前卸壓階段,在該階段中微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的事件超過1000件,其中102 J以下事件超過1000次,占總事件的比例為96%。

圖5 開切眼卸壓期間微震特征曲線

通過在開切眼與回風道中安裝相應的應力計,可以實現(xiàn)壓力的在線監(jiān)測。其中,正幫中4組,負幫中3組,回風道下幫2組,應力計的間距均為20 m,應力預測情況如圖6所示。由圖6可以得知,負幫在7月4日時應力計所顯示的壓力達到9.0 MPa,達到黃色預警區(qū)域,在7 月5 日時逐漸上升至10 MPa,達到紅色預警區(qū)域,再呈現(xiàn)出峰值,為13.19 MPa,此時需要進行相應的卸壓處理。在7月18日時,卸壓組采用鉆孔爆破卸壓技術進行卸壓后,將壓力降低至5.92 MPa,并且趨于逐漸降低的狀態(tài),在一定程度上緩解了壓力危機[7]。

3.4.2 掘進期間微震與應力在線監(jiān)測

圖7表示掘進貫通期間的微震能量事件,從圖7可以看出,在8月5日至8月15日期間,微震監(jiān)測系統(tǒng)測到的事件為341 次,其中小能量事件為334個,能量均小于102 J,并且在此期間沒有產生微震能量相對較大的事件,這在一定程度上保證了掘進工作的安全。

圖7 開切眼掘進貫通時微震能量事件

監(jiān)測發(fā)現(xiàn),在采用鉆孔爆破的方式對工作面進行卸壓處理后,掘進期間監(jiān)測的應力數(shù)據(jù)沒有較大變化,趨向于穩(wěn)定狀態(tài),并未出現(xiàn)相應的應力預警。在鉆孔爆破期間,鉆孔數(shù)量為34 個,長度為560 mm,并且大直徑卸壓孔總體的出貨量較低,由此證明此種技術具有降低采礦工作面應力的效果[8]。

4 結論

(1)在開切眼工作面掘進的過程中,由于17煤層遺漏煤柱的應力影響,21煤層的應力加大,掘進工作面的應力集中情況加劇,若不進行相應的卸壓與加強支護處理,則會加大沖擊地壓事故發(fā)生的風險。在通過模型計算后,得出在應力疊加的情況下,掘進煤層的沖擊危險區(qū)間為(61,199],此時應力集中的影響范圍為138 m。根據(jù)沖擊危險指數(shù)對其進行劃分后,強沖擊危險區(qū)、應力影響區(qū)的影響范圍分別變?yōu)?2 m、68 m,采空區(qū)外側支承壓力影響區(qū)間為(0,26),在這些數(shù)據(jù)的支撐下,有助于后續(xù)卸壓方案的制定。

(2)為了有效解決沖擊區(qū)域的應力集中情況,本次研究主要結合爆破卸壓技術,該技術可以實現(xiàn)在中等以上沖擊危險條件下釋放底板應力及在工作面區(qū)域應力的作用,并且適用性相對較強,但是在使用此種技術的過程中需要嚴格控制材料的用量與鉆孔工藝。因此,在制定卸壓方案的過程中,應結合卸壓爆破技術,從掘進前期、中期、后期3個階段來進行卸壓,并在掘進過程中同時進行卸壓、監(jiān)測。

(3)在對鉆孔爆破卸壓技術應用效果進行分析后發(fā)現(xiàn),微震小能量事件的占比相對較大,為96%以上,并且出現(xiàn)應力預警的概率相對較小,由此證明鉆孔爆破卸壓技術具有釋放集中應力的效果,同時分階段防治的方案符合現(xiàn)階段開切眼掘進的實際需求,這對開切眼掘進過程中提升工作面周圍的安全性有著十分重要的作用。