胡 冰

(山西汾西正城煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300)

1 工作面工程概況

1302工作面位于某礦北一采區(qū)北翼軌道暗斜井以北，開采水平為-650 m水平，開采煤層為3煤，地面標(biāo)高38.7～39.3 m，工作面煤層底板標(biāo)高為：-400～-510 m，開采面積為174 275 m2，其工作面平面位置圖見圖1.

圖1 1302工作面平面位置圖

工作面主采煤層為3煤，煤層平均厚7.5 m，采用綜放開采。直接頂為中砂巖，青灰～淺灰色，厚12.98 m，致密堅硬，f=-9～12. 基本頂為細(xì)砂巖，淺灰～灰白色，厚17.5 m. 工作面在掘進(jìn)過程中，在兩順槽及切眼處揭露了10幾個斷層。

從圖1可以看出，其中一條大斷層幾乎貫穿于工作面兩順槽之間，在實際開采過程中，當(dāng)工作面臨近此斷層時，支承壓力及頂板運動將會受到影響，如果不提前防范，局部的應(yīng)力集中及頂板的劇烈運動，都有可能引發(fā)沖擊地壓的發(fā)生[1-2].因此，針對1302工作面采用綜合指數(shù)法進(jìn)行沖擊危險等級狀態(tài)評價，應(yīng)用大直徑鉆孔卸壓技術(shù)，降低工作面沖擊危險性，防止沖擊地壓的發(fā)生[3].

2 1302工作面沖擊危險綜合指數(shù)法定量評價

根據(jù)鑒定報告可知，1302工作面3煤下部煤層屬于II類(具有沖擊傾向性)；3煤上部屬于III類(具有強(qiáng)沖擊傾向性)。

1) 根據(jù)1302工作面地質(zhì)因素及開采技術(shù)條件，采用綜合指數(shù)法評定其沖擊危險性指數(shù)(見表1).

由表1可知，1302工作面地質(zhì)因素影響下的沖擊危險性指數(shù)Wt1=0.56，因此確定其沖擊危險性等級為中等沖擊危險性。主要影響因素為堅硬厚層頂板巖層、煤的抗壓強(qiáng)度、煤層的強(qiáng)沖擊傾向性及開采區(qū)域內(nèi)的斷層構(gòu)造應(yīng)力[4-5].

2) 通過分析1302工作面開采技術(shù)條件，可以得到其工作面在開采技術(shù)因素影響下的沖擊危險指數(shù)，表2為由工作面開采技術(shù)因素影響下確定的沖擊危險狀態(tài)等級評定的綜合指數(shù)。

表1 由地質(zhì)條件確定的沖擊危險狀態(tài)評定指數(shù)表

表2 由開采技術(shù)條件確定的沖擊危險狀態(tài)評定指數(shù)表

1302工作面掘進(jìn)、回采技術(shù)因素影響下的沖擊危險性指數(shù)Wt2=0.474，判定為弱沖擊危險性，主要影響因素為沿空掘巷煤柱寬度等。

經(jīng)過綜合分析可以判定，1302工作面沖擊危險狀態(tài)等級為中等偏弱的沖擊危險性，沖擊危險指數(shù)為Wt=max{Wt1,Wt2}=0.56，其中，工作面受地質(zhì)條件因素影響較大。在1302工作面正式回采生產(chǎn)后，工作面的開采深度及斷層構(gòu)造將起主要的影響作用。

3 鉆孔參數(shù)對卸壓效果影響規(guī)律

3.1 基本建模過程

模型長40 m×寬40 m×高46.6 m，基本頂厚度17.32 m，直接頂厚4.66 m，煤層7.5 m，直接底3.26 m，基本底13.86 m. 為了設(shè)置應(yīng)力集中環(huán)境，在模型右邊界以左5 m處開挖了一條4 m×30 m×3.2 m的巷道，為防止邊界效應(yīng)對卸壓效果的影響，所有大直徑鉆孔都在模型內(nèi)5 m之后進(jìn)行，模擬了鉆孔間距、孔深及鉆孔直徑對卸壓效果的影響，該模型共有361 342個節(jié)點(node)，291 600個三維單元域(zone)[4-5]. 模擬過程中采用莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，模型物理力學(xué)參數(shù)見表3.

表3 模型圍巖參數(shù)表

3.2 鉆孔卸壓效果影響分析

1) 鉆孔間距對卸壓效果的影響。

模擬過程中，擬定10 m孔深，200 mm孔徑不變，改變鉆孔間距分別為3 m、5 m及10 m，研究大直徑鉆孔卸壓過程中鉆孔間距對卸壓效果的影響。

不同鉆孔間距下豎直應(yīng)力云圖見圖2，3，4.

圖2 鉆孔間距3 m豎直應(yīng)力云圖

圖3 鉆孔間距5 m豎直應(yīng)力云圖

圖4 鉆孔間距10 m豎直應(yīng)力云圖

由圖2，3，4可知：a) 由于鉆孔對煤體的破壞作用，使得煤巖體應(yīng)力向鉆孔周圍集中，當(dāng)應(yīng)力集中程度達(dá)到某一數(shù)值以后，鉆孔周圍煤體承受不住該高應(yīng)力，進(jìn)而發(fā)生塑性破壞，釋放一定的能量，達(dá)到卸壓效果。b) 當(dāng)鉆孔間距為3 m時，孔周圍形成了一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)，由于孔間距較近，相鄰應(yīng)力降低區(qū)發(fā)生疊加，卸壓區(qū)范圍增大，卸壓效果良好。c) 當(dāng)鉆孔間距為5 m、10 m時，孔周圍雖然有一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)，但是相鄰卸壓區(qū)域并未發(fā)生疊加，卸壓效果相對較差。

2) 鉆孔直徑對卸壓效果的影響。

模擬過程中，擬定10 m孔深，3 m鉆孔間距不變，改變鉆孔直徑分別為50 mm、100 mm及200 mm，研究大直徑鉆孔卸壓過程中鉆孔直徑對卸壓效果的影響。

不同鉆孔直徑下豎直應(yīng)力云圖見圖5，6，7.

圖5 鉆孔直徑50 mm豎直應(yīng)力云圖

圖6 鉆孔直徑100 mm豎直應(yīng)力云圖

圖7 鉆孔直徑200 mm豎直應(yīng)力云圖

由圖5，6，7可知：a) 不同的鉆孔直徑，其卸壓效果不同，當(dāng)鉆孔直徑為50 mm時，卸壓效果不明顯，僅在鉆孔周圍有小范圍卸壓區(qū)。b) 當(dāng)鉆孔直徑為100 mm及200 mm時，卸壓區(qū)范圍明顯增大，且相鄰卸壓區(qū)疊加，卸壓效果趨于良好。c) 對于大直徑鉆孔卸壓來說，直徑越大，卸壓解危效果越好。

3) 鉆孔深度對卸壓效果的影響。

模擬過程中，擬定3 m鉆孔間距、200 mm孔徑不變，改變鉆孔深度分別為5 m、10 m及20 m，研究大直徑鉆孔卸壓過程中鉆孔深度對卸壓效果的影響。

不同鉆孔深度下最大主應(yīng)力云圖見圖8，9，10.

圖8 鉆孔深度5 m最大主應(yīng)力云圖

圖9 鉆孔深度10 m最大主應(yīng)力云圖

圖10 鉆孔深度20 m最大主應(yīng)力云圖

由圖8，9，10可知：a) 在巷道幫部，由于鉆孔對煤體的破壞作用，改變了原有應(yīng)力狀態(tài)，使得應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，巷道周圍應(yīng)力集中程度有所降低。b) 進(jìn)行鉆孔卸壓后，煤巖體高應(yīng)力將向鉆孔周圍轉(zhuǎn)移，由于深部煤體處于三向壓縮環(huán)境，其抗壓強(qiáng)度較高，存在部分應(yīng)力增高區(qū)。c) 巷幫煤體處于二向壓縮狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度相對較低，且局部受到拉應(yīng)力的影響，發(fā)生了塑性破壞，形成了大面積的卸壓區(qū)。d) 相對于鉆孔深度10 m和20 m來說，5 m孔深時應(yīng)力降低區(qū)范圍較小，然而10 m和20 m孔深時，應(yīng)力降低區(qū)范圍變化不大，鉆孔深度對于卸壓效果在一定范圍內(nèi)有顯著影響，隨著深度的增加，卸壓效果趨于良好，但是超過某一極限值后，卸壓效果趨于穩(wěn)定。

4 大直徑鉆孔卸壓技術(shù)工程應(yīng)用

4.1 鉆孔布置

根據(jù)1302工作面工程實際及大直徑鉆孔卸壓模擬結(jié)果，選取卸壓鉆孔直徑為110 mm，鉆孔布置在采高或巷道高度的中部，為了使孔深達(dá)到高應(yīng)力集中區(qū)，現(xiàn)場取25 m，選取孔距為3 m，傾角為3°，垂直于皮帶順槽巷幫施工，具體鉆孔布置方式見圖11.

1—鉆孔 2—巷道 3—工作面圖11 卸壓鉆孔布置方式圖

4.2 工作面卸壓解危效果檢驗

2015年10月2日對預(yù)警區(qū)域進(jìn)行鉆孔卸壓后，工作面超前支承壓力峰值向前方轉(zhuǎn)移，卸壓前后電磁輻射數(shù)據(jù)變化曲線見圖12. 2015年10月3日之后煤體的電磁輻射強(qiáng)度值和脈沖數(shù)均已降到正常水平之下，沖擊地壓危險消除，解除預(yù)警。

5 結(jié) 論

通過綜合指數(shù)法定量評價確定了1302工作面沖擊危險等級狀態(tài)。根據(jù)該工作面的地質(zhì)條件，判定具有中等沖擊危險性；根據(jù)其開采技術(shù)因素，判定為弱沖擊危險性，最終綜合判定其具有中等偏弱的沖擊危險性。

圖12 鉆孔卸壓前后電磁輻射數(shù)據(jù)變化曲線圖

通過大直徑鉆孔卸壓數(shù)值模擬可以看出，當(dāng)鉆孔間距為3 m時，孔周圍形成了一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)，由于孔間距較近，相鄰應(yīng)力降低區(qū)發(fā)生疊加，卸壓區(qū)范圍增大，卸壓效果良好；鉆孔深度對于卸壓效果在一定范圍內(nèi)有顯著影響，隨著深度的增加，卸壓效果趨于良好，但是超過某一極限值后，卸壓效果趨于穩(wěn)定；當(dāng)鉆孔直徑為100 mm及200 mm時，卸壓區(qū)范圍明顯增大，且相鄰卸壓區(qū)疊加，卸壓效果趨于良好。

通過大直徑鉆孔卸壓可以看出，鉆孔卸壓是一種有效的沖擊危險解危方法，1302工作面在卸壓后工作面超前支承壓力峰值向前方轉(zhuǎn)移，使沖擊地壓危險得到有效的解除。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 姜福興,苗小虎,王存文,等. 構(gòu)造控制型沖擊地壓的微地震監(jiān)測預(yù)警研究與實踐[J]. 煤炭學(xué)報,2015,35(6):900-903.

[2] 郭長寶,張永雙,蔣良文,等. 褶皺構(gòu)造體中深埋隧道巖爆機(jī)制與隧道斷面適宜性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2016,31(增1):2758-2766.

[3] 張曉春,繆協(xié)興,楊挺青. 沖擊礦壓的層裂板模型及實驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2015,18(5):497-502.

[4] 張曉春,盧愛紅,王軍強(qiáng). 動力擾動導(dǎo)致巷道圍巖層裂結(jié)構(gòu)及沖擊礦壓的數(shù)值模擬[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2016,25(增1):3110-3114.

[5] 張曉春,楊挺青,繆協(xié)興. 沖擊礦壓的模擬試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報,2014,21(1):66-70.