縱 峰，秦子晗，李 根

(1.陜西永隴能源開發(fā)建設(shè)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

在煤層群開采條件下，采用上保護(hù)層開采是防治沖擊地壓的一項重要戰(zhàn)略措施，能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域范圍的卸壓效果[1-2]。但在實際開采過程中，受構(gòu)造及其他開采條件限制，一部分煤柱的留設(shè)往往不可避免，而該煤柱往往會成為應(yīng)力最為集中的區(qū)域，當(dāng)下部煤層進(jìn)行采掘活動時，容易誘發(fā)沖擊地壓等事故。鶴崗峻德礦曾因上覆煤層殘留煤柱及本煤層區(qū)段煤柱疊加影響，于2013年3月15日發(fā)生一次沖擊。由此可見，在煤層群開采條件下，上覆煤柱已成為沖擊地壓災(zāi)害重要致災(zāi)因素。

在針對遺留煤柱對沖擊地壓的影響方面，目前主要從兩方面進(jìn)行處理，一是通過留設(shè)窄煤柱，降低應(yīng)力集中程度從而減小沖擊地壓危險；二是通過在下方煤層采掘過程中對圍巖進(jìn)行大直徑鉆孔或煤層爆破，來疏導(dǎo)煤層高應(yīng)力。對于第一種方法，屬于設(shè)計階段的防治措施，對已經(jīng)存在的遺留煤柱無法實施；而采用第二種方法時，僅對可能的沖擊發(fā)生區(qū)進(jìn)行卸壓，并無法消除上方煤柱高應(yīng)力來源，故需要反復(fù)卸壓，工程量大，也易造成巷道支護(hù)段的破壞，加劇了巷道變形。

針對以上問題，本文通過對上覆遺留煤柱在承載過程中的應(yīng)力分布分析，將煤柱區(qū)與下方巷道劃為一個系統(tǒng)進(jìn)行整體研究，利用能量耗散機(jī)理，從能量源頭及傳播途徑多方面著手，建立了遺留煤柱區(qū)的沖擊地壓防治措施，并在鶴崗礦區(qū)的南山礦進(jìn)行了現(xiàn)場實施，實現(xiàn)了遺留煤柱區(qū)的安全回采。

1 遺留煤柱應(yīng)力承載及傳遞規(guī)律

1.1 煤柱載荷的估算

根據(jù)煤柱受力情況分析，采空區(qū)遺留煤柱的載荷主要來自兩方面：一是煤柱上方巖層重量，二是煤柱兩側(cè)懸露頂板轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量[3-4]。具體如圖1所示。

圖1 煤柱受力情況示意

寬度為B的煤柱上方的總載荷P為：

(1)

式中，B為煤柱寬度，m；D為采空區(qū)寬度，m；δ為采空區(qū)上覆巖層垮落角；H為巷道埋深，m；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3。

1.2 煤柱底板應(yīng)力傳遞規(guī)律

在工作面回采結(jié)束后，由于上覆巖層逐層冒落、斷裂與下沉，將在采空區(qū)邊緣形成支承壓力，造成煤柱附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。其承載的高應(yīng)力會進(jìn)一步向底板的煤巖層中傳播，形成相應(yīng)的應(yīng)力升高區(qū)，并隨深度的增加發(fā)生應(yīng)力的擴(kuò)散和衰減。

這里將煤柱下方的底板巖體視作半無限體，根據(jù)土力學(xué)理論[5-6]，集中載荷P作用在半無限體的平面上，而平面下方任一點M將受到影響，如圖2所示。

圖2 集中載荷P對底板內(nèi)M點的影響

根據(jù)彈性力學(xué)的疊加原理，底板巖體內(nèi)M點處受到的垂直應(yīng)力σz可用下式表示。

σz=KP/Z2

(2)

式中，σz為底板巖體內(nèi)M點垂直應(yīng)力，MPa；P為集中荷載，MN；Z為M點距集中荷載P作用點的垂直距離，m。其中K由下式表示：

(3)

式中，R為M點距集中荷載P作用點的水平距離，m。

由式(2)可知，若在集中荷載下，應(yīng)力的大小隨深度的增加而減小，在水平面上離作用點越遠(yuǎn)，應(yīng)力越小，但是，越往深處，作用力的影響范圍越大。

2 遺留煤柱下沖擊地壓防治技術(shù)

2.1 遺留煤柱下沖擊機(jī)理分析

由前述分析可以看出，煤柱下方應(yīng)力的增加與煤柱的影響關(guān)系密切，由于煤巖物理力學(xué)變化過程的本質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)化，因此從能量角度進(jìn)行研究則可以簡化應(yīng)力傳遞中間過程的分析，避免繁瑣復(fù)雜的計算過程，同時能夠更整體、更全面地考慮各種因素[7-8]。

一般情況，將巷道圍巖作為一個系統(tǒng)進(jìn)行整體分析，但對于煤柱下方的巷道而言，其受力狀態(tài)不僅來自本身采掘作業(yè)帶來的采動應(yīng)力影響，更主要是來自上方遺留煤柱的集中高應(yīng)力傳導(dǎo)，因此針對該情況進(jìn)行分析時，應(yīng)將上方煤柱及頂板連同下方巷道圍巖作為一個系統(tǒng)進(jìn)行整體分析。具體如圖3所示。

圖3 遺留煤柱下采掘巷道圍巖系統(tǒng)

由能量耗散理論可知，煤巖體變形破壞對應(yīng)其內(nèi)部的能量變化，概括起來包括能量的積累、釋放與耗散。即煤巖體與外界沒有熱交換時，外力做功產(chǎn)生的能量通過彈性能的積累、釋放與耗散能的耗散進(jìn)行自組織調(diào)節(jié)[9]，如式(4)所示：

Uin=Ue+Ud

(4)

式中，Uin為煤巖體自組織過程中的能量變化量，即外界能量的凈流入；Ue為可釋放彈性應(yīng)變能；Ud為耗散能，包括塑性勢能、破壞動能、輻射能等能量。

而Ue根據(jù)遺留煤柱下煤巖系統(tǒng)則可表示為：

Ue=U頂+U柱+U巖+U圍

(5)

式中，U頂為上方采空區(qū)頂板懸頂所形成的彎曲彈性能；U柱為遺留煤柱內(nèi)儲存的彈性應(yīng)變能；U巖為煤層間巖層在上覆載荷及本煤層采動作用下的彈性應(yīng)變能；U圍為巷道圍巖儲存的彈性應(yīng)變能。

而煤層及煤柱在力學(xué)平衡條件下破壞時，當(dāng)釋放的彈性能量大于消耗的能量時，則發(fā)生煤巖拋出的動力災(zāi)害。

2.2 基于能量耗散的防沖機(jī)理分析

根據(jù)以上分析，在同等煤巖條件下，通過卸壓措施對煤巖系統(tǒng)內(nèi)的彈性應(yīng)變能的耗散量越多，剩余的彈性應(yīng)變能就越少，沖擊地壓發(fā)生的可能就越小或沖擊地壓發(fā)生時釋放的能量就越少，沖擊危險性也就越低。因此，降低遺留煤柱下沖擊危險從以下4條途徑考慮：

(1)減少煤柱上方的頂板懸頂 根據(jù)頂板彎曲彈性能Uw的計算公式，

(6)

式中，q為頂板及上覆巖層附加載荷的單位長度載荷；L為頂板的懸伸長度；E為頂板巖層彈性模量；J為頂板斷面慣矩。

從式(6)中可以看出，頂板彎曲彈性能與懸頂長度的5次方成正比，懸頂長度越長，頂板所積聚的能量就越大。因此，通過對煤柱上方的頂板處理，可以大幅度降低彈性能的積聚，有利于沖擊危險性的降低。

(2)煤柱內(nèi)彈性能的耗散 對于采空區(qū)內(nèi)的遺留煤柱，并不需要其作為保護(hù)煤柱的支撐作用，即煤柱內(nèi)除破碎區(qū)、塑性區(qū)外，彈性區(qū)的存在并不是必須的。因此，可通過緩慢卸壓措施降低彈性應(yīng)變能，使得煤柱能量的吸收與耗散在安全域內(nèi)達(dá)到動態(tài)平衡，甚至使耗散的能量大于吸收的能量。通過卸壓不僅能夠使一部分彈性能得到有效釋放，同時由于塑性變形及新自由面的形成耗散大量能量。

(3)應(yīng)力傳遞途徑的耗能處理 針對煤層之間的巖層頂板通過爆破或水力壓裂等措施，在層間頂板中形成一定寬度與高度的裂縫帶，相當(dāng)于在下方煤層與上方煤柱之間開采一個小型的保護(hù)層。使得預(yù)裂區(qū)域在上覆煤柱的集中高應(yīng)力下破碎、卸壓，從而達(dá)到耗散能量的目的，同時能夠有效屏蔽或減弱煤柱內(nèi)彈性能或應(yīng)力向下方的傳播，消除或減弱沖擊致災(zāi)程度。

(4)針對巷道圍巖系統(tǒng)內(nèi)集中靜載的卸壓處理 當(dāng)把巷道圍巖看作一個系統(tǒng)進(jìn)行研究時，煤柱及上方頂板的影響可視為系統(tǒng)外對巷道圍巖系統(tǒng)做功輸入。前述3種方法都是針對降低外界對巷道圍巖系統(tǒng)的能量流入而采取的措施，針對巷道圍巖系統(tǒng)本身，則主要通過對沖擊啟動區(qū)集中靜載荷的疏導(dǎo)來實現(xiàn)防沖的目的。

2.3 遺留煤柱下的防沖技術(shù)

從4種途徑的防治目的來看，前兩種屬于針對高應(yīng)力來源的消源處理，能夠從根本上消除或降低沖擊危險，在煤柱留設(shè)階段實施能夠取得良好的效果，但對于已回采結(jié)束的殘留煤柱，對頂板處理則存在施工困難的問題，而采用高壓水力壓裂技術(shù)對煤柱進(jìn)行弱化，則是一種安全且可行的手段。第3種屬于針對應(yīng)力傳播途徑的衰減方法，第4種屬于應(yīng)力傳遞末端的卸壓處理。從上述防治途徑出發(fā)，采用合理可行的方法能夠達(dá)到防治沖擊地壓的目的。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

鶴崗南山煤礦盆底區(qū)北翼18層三分段底板層綜放面，上方存在15層殘留煤柱，煤柱走向長度約100m，傾斜長度約200m，形狀不規(guī)則，與18號煤層間距約30m，工作面平面布置示意如圖4所示?？紤]到工作面在煤柱下方回采時，煤柱內(nèi)集中靜載與工作面采動應(yīng)力相互疊加，易誘導(dǎo)沖擊地壓的發(fā)生，為了保證工作面安全順利通過煤柱，制定專門的沖擊地壓防治措施。

圖4 工作面平面

3.2 防治措施

3.2.1 遺留煤柱水力壓裂技術(shù)

根據(jù)前述分析，通過直接對上方遺留煤柱進(jìn)行弱化處理，耗散煤柱中集中彈性能，可從源頭上降低沖擊危險。根據(jù)現(xiàn)場條件采用的是高壓水力壓裂技術(shù)，使用MRZB-31.5/125型乳化液泵。壓裂壓力選擇為20～30MPa；注水量選擇為5～7.5m3/h；壓裂方式為高壓注水。

具體施工方式為在18層工作面巷道內(nèi)，在遺留煤柱下方，施工與巷道頂板垂直90°的鉆孔，進(jìn)入煤柱，深度以終孔位置深入煤柱中間為宜，鉆孔直徑為75mm，鉆孔走向間距為20m。

在已施工完的鉆孔安裝高壓注水管路，注水泵利用工作面的乳化液泵站，注水管選擇25mm×8.5mm-50MPa/2m的無縫鋼管，封孔器選擇水力膨脹式封孔器，封孔位置位于進(jìn)入煤層1m的位置。

管路安裝完畢后，先對封孔器內(nèi)注入高壓水，待封孔器膨脹達(dá)到封孔目的之后，再將泵站管路接到注水管路上進(jìn)行注水。具體如圖5所示。

圖5 遺留煤柱區(qū)水力壓裂鉆孔

壓裂開始時，泵站壓力先調(diào)至16MPa，待孔內(nèi)區(qū)域充滿水之后，再將泵站壓力增加至25MPa,進(jìn)行高壓注水。注水時間控制在3h，或者水壓下降至5MPa以下。

壓裂完成后，拆卸完注水管路后，應(yīng)對注水孔進(jìn)行封孔，封孔材料選擇水泥砂漿，封孔長度不低于10m。

3.2.2 頂板預(yù)裂方案

根據(jù)前述分析，通過對煤柱下方巖層預(yù)裂，能夠耗散向下傳遞的能量，從而對煤柱下方巷道起到保護(hù)作用。

頂板預(yù)裂措施采用兩巷施工鉆孔，進(jìn)行深孔爆破的方式。預(yù)裂步距為10m。炮孔終孔位置位于煤層上方20m的頂板層位，上部砂巖巖層部分裝藥，裝藥量在2.3kg/m左右，炮孔直徑為75mm，炸藥直徑為60mm，封孔長度深入煤層上方巖層至少5m，總封孔長度不少于15m。炮孔具體參數(shù)如表1所示。

表1 頂板預(yù)裂鉆孔參數(shù)

3.3 防治效果

圖6為南山煤礦盆底區(qū)北翼18層3段工作面風(fēng)道自2015年6月11日至2015年9月21日圍巖應(yīng)力變化情況。通過圖6可看出采用上述措施后，在回采過程中巷道應(yīng)力變化相對平緩。由于在煤柱區(qū)域提前采取了卸壓措施，部分應(yīng)力計還出現(xiàn)了應(yīng)力下降情況。從整體來看，整個回采期間煤柱區(qū)域兩巷始終處于低應(yīng)力狀態(tài)，大幅度降低了煤柱區(qū)的沖擊危險。目前，該工作面已安全回采結(jié)束，未發(fā)生一次沖擊地壓事故。

圖6 過煤柱期間圍巖應(yīng)力情況

4 結(jié) 論

(1)遺留煤柱對下方工作面沖擊地壓的影響主要來源于煤柱本身承載的高應(yīng)力，其影響因素與頂板懸頂和煤層間距有著密切關(guān)系。

(2)對于遺留煤柱影響下的沖擊危險區(qū)，根據(jù)能量耗散系統(tǒng)，通過減少頂板懸頂、耗散煤柱彈性能、傳播途徑應(yīng)力衰減和圍巖區(qū)弱化處理4種治理方法降低沖擊危險。

(3)根據(jù)遺留煤柱區(qū)實際條件，通過采用高壓水力致裂方式處理煤柱，既能夠耗散煤柱內(nèi)大量彈性應(yīng)變能，又能避免爆破卸壓帶來的瓦斯爆炸危險性。

(4)針對煤層之間的巖層頂板通過頂板預(yù)裂爆破措施，在層間頂板中形成一定寬度與高度的裂縫帶，屏蔽或減弱煤柱內(nèi)彈性能或應(yīng)力向下方的傳播。

(5)通過在南山礦盆底區(qū)北翼三分段工作面針對上方遺留煤柱采取耗能防沖措施，順利通過了遺留煤柱區(qū)，實現(xiàn)了工作面回采期間沖擊地壓零傷亡的目標(biāo)。

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