魏川博

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司技術(shù)中心 山西 大同 037003）

0 引言

受地質(zhì)條件、圍巖性質(zhì)、采掘順序、支護(hù)方式等因素的影響,大同礦區(qū)煤峪口礦工作面和巷道存在著不同程度的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，下分層巷道壓力普遍存在煤柱側(cè)側(cè)壓大，而且307 盤(pán)區(qū)巷道集中壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈[1]。煤峪口礦12#煤層8705工作面因周?chē)鄬用褐鶇^(qū)域的復(fù)雜條件預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生開(kāi)采應(yīng)力集中現(xiàn)象，為解決這一難題，采取鉆孔卸壓的防治措施，研究合適的卸壓鉆孔直徑并將鉆孔卸壓方案應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)工作面安全高效生產(chǎn)。

1 工程概況

煤峪口礦主采的307 盤(pán)區(qū)多層煤柱開(kāi)采區(qū)域，共包含2 個(gè)工作面，其中11#煤層8703 工作面已開(kāi)采完畢，現(xiàn)要開(kāi)采12#煤層8705 工作面。12#煤層：上距11#煤層1.70 m～33.20 m，平均19.75 m，煤層厚0 m～5.16 m，平均厚2.47 m，含夾矸0～3 層。井田東部煤層較穩(wěn)定，大部可采；中部煤層與11#煤層層間距逐漸減小，并與11#煤層合并。總體上，由東向西煤層厚度增大，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，一般含1 層夾石，為大部可采穩(wěn)定煤層。12#煤層的平均厚度2.47 m，普氏系數(shù)為2，頂板為灰白色細(xì)粒砂巖，以石英為主，上部有水平層理，膠結(jié)堅(jiān)硬；底板為灰白色細(xì)粒砂巖與中粒砂巖互層，成分以石英為主，含煤塊及黃鐵礦結(jié)核，膠結(jié)堅(jiān)硬，目前開(kāi)采8703工作面開(kāi)采深度為342 m～344 m。

8705 工作面的空間四鄰關(guān)系為：北側(cè)為307 盤(pán)區(qū)巷道，東北為11#-12#煤層8703工作面采空區(qū)相隔8 m煤柱，西側(cè)為實(shí)體煤與11#煤層8703 工作面相隔32 m煤柱，上覆為11#層-12#煤層合并層8701工作面采空區(qū)（8705 工作面巷道內(nèi)錯(cuò)于8701 工作面布置），下覆為14#煤層。工作面空間四鄰關(guān)系如圖1 所示。其中2705巷道為高3 m，寬4.5 m的拱形斷面巷道。

圖1 8705工作面多層煤柱區(qū)域開(kāi)采情況

2 12#煤層8705工作面采動(dòng)應(yīng)力分析

利用有限差分FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)8705 工作面周?chē)鄬用褐鶇^(qū)域應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬，模擬不同推進(jìn)長(zhǎng)度時(shí)8705工作面采動(dòng)應(yīng)力，數(shù)值模擬模型尺寸為600 m×500 m×120 m（長(zhǎng)×寬×高），共建立1 538 075個(gè)單元，煤巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

分別選取了工作面推進(jìn)50 m、150 m、250 m、350 m、450 m、570 m位置，繪制采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律圖，如圖2所示。

圖2 8705工作面推進(jìn)不同距離的應(yīng)力分布規(guī)律圖

8705 工作面上覆為開(kāi)采較早的8101 工作面采空區(qū)，8705工作面開(kāi)采過(guò)程中，受采空區(qū)的影響，支承壓力值較低。工作面推進(jìn)距離為50 m時(shí)，支承壓力峰值為12.09 MPa，峰值點(diǎn)位于煤壁前方5.8 m處，影響范圍為42.2 m；工作面推進(jìn)距離為150 m 時(shí)，峰值為13.62 MPa，峰值點(diǎn)位于煤壁前方5.7 m 處，影響范圍為37.7 m；工作面推進(jìn)250 m 時(shí)，峰值為13.57 MPa，位于煤壁前方5.6 m 處，影響范圍為36.7 m；工作面推進(jìn)350 m時(shí)，峰值為14.17 MPa，位于煤壁前方5.5 m 處，影響范圍為36.65 m；工作面推進(jìn)450 m時(shí)，峰值為14.21 MPa，位于煤壁前方5.5 m處，影響范圍為36.65 m；工作面推進(jìn)570 m 時(shí)，峰值為14.37 MPa，位于煤壁前方5.5 m處，影響范圍為36.65 m。

12#煤層8705 工作面隨著推進(jìn)逐漸形成三角煤柱區(qū)。當(dāng)工作面從開(kāi)切眼推進(jìn)至200 m 區(qū)間內(nèi)，距8703工作面較遠(yuǎn)，煤柱區(qū)應(yīng)力值變化量不明顯；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)，三角煤柱開(kāi)始形成，煤柱應(yīng)力值逐漸升高；推進(jìn)至350 m 時(shí)，應(yīng)力持續(xù)升高，集中系數(shù)增至2.47；推進(jìn)至380 m 時(shí)，三角煤柱受兩個(gè)工作面回采疊加效應(yīng)最大，應(yīng)力升高且集中系數(shù)增至2.59；工作面繼續(xù)推進(jìn)，開(kāi)始逐漸遠(yuǎn)離三角煤柱區(qū)，推進(jìn)至停采線時(shí)，應(yīng)力值應(yīng)保持較高狀態(tài)，集中系數(shù)為2.51。

8705 工作面開(kāi)采后三角煤柱區(qū)應(yīng)力與原巖應(yīng)力相比，升高了251%，積聚的能量較大，發(fā)生沖擊地壓可能性增大，為改善其應(yīng)力過(guò)于集中的現(xiàn)象，降低事故隱患發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)8705 工作面開(kāi)采170 m～410 m 區(qū)間鄰近三角煤柱區(qū)域采取鉆孔卸壓的措施進(jìn)行重點(diǎn)防范。

3 鉆孔卸壓機(jī)理

煤壁鉆孔卸壓與松動(dòng)爆破是綜合防治此類(lèi)難題的一項(xiàng)煤巖層的改性弱化技術(shù)。通過(guò)合理布置的鉆孔可以引起巷道深部圍巖(鉆孔遠(yuǎn)端附近圍巖)首先發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞,從而形成一個(gè)弱化區(qū)和弱化帶,引起巷道周邊圍巖內(nèi)的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移,從而使巷道周邊附近圍巖處于低應(yīng)力區(qū),有利于巷道圍巖的穩(wěn)定[2]。其目的是降低煤層與圍巖的強(qiáng)度，使煤巖體的彈性能得到釋放并形成破碎帶塑性區(qū)，減弱甚至消除沖擊地壓發(fā)生的內(nèi)因和外因[3]，從而達(dá)到防治沖擊地壓的目的。

4 卸壓鉆孔孔徑大小的選擇

按照煤峪口礦鉆機(jī)型號(hào)及施工經(jīng)驗(yàn)，采用單排卸壓鉆孔布置，卸壓鉆孔孔徑一般為108 mm，根據(jù)計(jì)算確定向三角煤柱區(qū)域卸壓鉆孔深度為20 m。為研究不同鉆孔直徑對(duì)卸壓效果的影響，選擇合適的鉆孔直徑，選取鉆孔間距均為0.5 m、深度均為20 m，距離底板高度1 m。孔徑為φ96 mm、φ108 mm、φ130 mm的3種方案，分別數(shù)值模擬卸壓效果，應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3。

圖3 不同孔徑條件下卸壓效果應(yīng)力云圖

煤柱區(qū)應(yīng)力：鉆孔直徑為φ96 mm時(shí)，煤柱區(qū)應(yīng)力值降為12.98 MPa；直徑為φ108 mm時(shí)，煤柱區(qū)應(yīng)力值降為12.20 MPa；直徑為φ130 mm時(shí)，煤柱區(qū)應(yīng)力值降為10.02 MPa。鉆孔間應(yīng)力：鉆孔直徑為φ96 mm、φ108 mm 時(shí)，鉆孔間煤體處于卸壓狀態(tài)，應(yīng)力值分別為13.94 MPa與14.20 MPa；直徑φ130 mm時(shí)鉆孔間煤體處于應(yīng)力集中狀態(tài)，應(yīng)力值為26.37 MPa。

可以看出，鉆孔直徑由96 mm 增大至130 mm 時(shí)，煤柱區(qū)應(yīng)力值始終在下降但下降不明顯，而孔間應(yīng)力集中程度顯著加大，可見(jiàn)鉆孔直徑過(guò)大會(huì)造成應(yīng)力更加集中，相比96 mm和130 mm鉆孔直徑，108 mm孔徑更為合適。最終確定卸壓方案為在8705 工作面煤柱影響區(qū)2705 巷道內(nèi)向三角煤柱區(qū)布置鉆孔進(jìn)行單排卸壓，鉆孔直徑為108 mm，間距為0.5 m，孔深為20 m，如圖4所示。

圖4 8705工作面2705巷道卸壓鉆孔布置圖

5 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

分別在8705 工作面5#、15#、25#、35#、45#、55#、65#液壓支架（型號(hào)為：ZZS-5600）配備了YHY60型礦用本安型數(shù)字壓力計(jì)，用于監(jiān)測(cè)工作面開(kāi)采過(guò)程中頂板應(yīng)力變化情況。液壓支架平均初撐力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2所示。

表2 支架平均初撐力統(tǒng)計(jì)表

支架型號(hào)為ZZS-5600 型，額定工作阻力為5 600 kN，初撐力為額定工作阻力的41.71%～78.16%，支架初撐力基本滿足要求。

以工作面35#支架監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，分析工作面開(kāi)采階段時(shí)，工作阻力占整個(gè)開(kāi)采階段變化情況，35#支架工作阻力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3所示。

表3 支架工作阻力分布統(tǒng)計(jì)

（1）支架初期工作阻力：平均2 946 kN，頂板應(yīng)力不大；（2）支架中期工作阻力：平均4 419 kN，頂板應(yīng)力穩(wěn)定增加；（3）支架末期工作阻力：平均5 401 kN，頂板應(yīng)力達(dá)到峰值，支架安全閥部分開(kāi)啟。

6 結(jié)論

（1）8705 工作面開(kāi)采后三角煤柱區(qū)應(yīng)力上升過(guò)高，發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害可能性較大，通過(guò)數(shù)值模擬得出需鉆孔卸壓的范圍為距離工作面開(kāi)切眼170 m～410 m處。

（2）受2705 巷鉆孔卸壓影響，8705 工作面開(kāi)采過(guò)程中，監(jiān)測(cè)的支架壓力穩(wěn)定，工作面頂板應(yīng)力與載荷平穩(wěn)，無(wú)明顯礦壓顯現(xiàn)，未發(fā)生動(dòng)載礦壓或沖擊地壓等動(dòng)力顯現(xiàn)，說(shuō)明使用108 mm直徑鉆孔卸壓具有一定有效性。