李紹良，張 磊，張 毅

(1.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.鄂爾多斯市能源局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

多層煤采掘過程中，上部煤柱和本層煤柱均會造成煤體的應(yīng)力集中，嚴(yán)重時會誘發(fā)沖擊地壓事故[1-6]。很多沖擊地壓學(xué)者對遺留煤柱誘沖機理及監(jiān)測治理進(jìn)行了分析與總結(jié)。王方田等[7]對淺埋房式開采遺留煤柱失穩(wěn)規(guī)律總結(jié)，提出煤柱發(fā)生突變失穩(wěn)的必要條件為煤柱單側(cè)屈服帶寬度介于煤柱寬度的0.33～0.43倍時將發(fā)生突變失穩(wěn)；李佃平等[8]對三側(cè)采空的孤島型邊角煤柱誘沖機理進(jìn)行了研究，得出反弧形覆巖結(jié)構(gòu)處于動態(tài)變化導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生，并采取對沿空巷道實體煤側(cè)實施卸壓弱化、對窄煤柱側(cè)實施支護強化的非對稱控制對策；張國華等[9]通過理論計算和數(shù)值模擬對區(qū)段煤柱合理寬度留設(shè)進(jìn)行研究，提出中厚煤層中留設(shè)窄煤柱以減小應(yīng)力集中情況；李振雷等[10]對斷層煤柱型沖擊礦壓機理進(jìn)行研究，提出控制工作面推進(jìn)速度，減少斷層活化型沖擊地壓事故發(fā)生?，F(xiàn)有研究結(jié)果對煤柱誘發(fā)型沖擊地壓的防治具有現(xiàn)實意義，但是對多煤柱影響下開切眼掘進(jìn)時沖擊地壓的防治還未見報道。

1 開切眼概況

1.1 開切眼周邊及開采情況

開切眼掘進(jìn)工作面全長150m，開采深度在490～570m之間，平均傾角31°，北側(cè)為采空區(qū)，南部為待采區(qū)域，上部有寬度18m的上層煤(17煤層)殘留煤柱，同時有本煤層(21煤層)平均寬度15m的區(qū)段煤柱，如圖1所示。

圖1 開切眼位置及影響煤柱

掘進(jìn)工作從風(fēng)道向下和機道向上開始掘進(jìn)，下部掘進(jìn)53m停止，上部掘進(jìn)75m時應(yīng)力集中顯現(xiàn)，對煤柱應(yīng)力影響重新分析及修改防治措施后再進(jìn)行掘進(jìn)。

1.2 煤層及頂?shù)装逄卣?/h3>

21煤層厚度2.46～4.45m，平均3.45m；傾角21°～35°；平均30°單軸抗壓強度4.5～10.9MPa，平均8.2MPa。煤層直接頂為厚度12.7～13.7m的灰白色細(xì)砂巖，老頂為厚度50～81m的灰白色中砂巖，底板為厚度8.4～9.7m的灰色粉砂巖，與上部17煤層間距為124～132m，與下部22-1煤層間距20～28m。

2 煤柱影響下開切眼應(yīng)力集中分析

2.1 17煤層遺留煤柱應(yīng)力集中分析

根據(jù)開切眼上部17煤層的18m寬遺留煤柱位置，建立17煤層遺留煤柱對21煤層沿走向影響區(qū)間和受力程度的計算模型，如圖2所示。

圖2 17層遺留煤柱計算模型

根據(jù)多因素耦合分析法和其他礦井經(jīng)驗，將沖擊危險性判別指數(shù)大于2.0作為21煤層開切眼處沖擊危險臨界值。開切眼附近煤體的垂直應(yīng)力σn主要有17煤層煤柱增量應(yīng)力和21煤層煤自重應(yīng)力σh兩部分，見式(1)。

式中，k為17煤層煤柱應(yīng)力集中系數(shù)，取k=3.0；σH17為17煤層煤柱自重應(yīng)力，H17取368m，σH17=9.2MPa；σh為21煤層煤自重應(yīng)力，h取498m，σh=3.3MPa；θ為煤柱影響角，取θ=45°；σc為單軸抗壓強度，取σc=8.2MPa；x為影響范圍，m。

整理得σn函數(shù)為：

計算得17煤層煤柱影響下21煤層的沖擊危險范圍為(61，199)，由此可知，21煤層受17煤層煤柱影響的應(yīng)力增高影響范圍達(dá)138m。根據(jù)沖擊判別指數(shù)劃分出強沖擊危險區(qū)52m和應(yīng)力影響區(qū)68m。

2.2 21煤層區(qū)段煤柱應(yīng)力集中分析

二水平北21層北側(cè)工作面開采后，采空區(qū)上覆厚硬巖層作為關(guān)鍵層直接決定巖層組的受力情況，根據(jù)覆巖實際運動情況，采空區(qū)外側(cè)煤體承受關(guān)鍵層懸臂段一半重量，應(yīng)力增量遞增，可建立計算模型，計算公式見式(3)和式(4)。

σ=Δσ+σq

(3)

式中，σ為側(cè)向支承壓力，MPa；Δσ為應(yīng)力增量，MPa；σq為自重應(yīng)力，MPa；H為21層煤采深，H=498m；γ為各巖層容重，γ=2.5t/m3；2I為采空區(qū)寬度，2I=150m；α為巖層移動角，α=83°。

整理得σ函數(shù)為：

根據(jù)式(5)繪制二水平北21煤層開切眼受側(cè)向支承壓力影響曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，支承壓力先升高，后降低，升高區(qū)為(0，26)，26m外趨于穩(wěn)定。開切眼掘進(jìn)面正處于煤體側(cè)向支承壓力峰值影響區(qū)內(nèi)，應(yīng)力集中嚴(yán)重，需重新制定沖擊地壓防治措施，保證開切眼安全貫通。

圖3 開切眼受側(cè)向支承壓力影響曲線

3 開切眼貫通掘進(jìn)期間防治方案

3.1 開切眼貫通掘進(jìn)前期卸壓方案

開切眼貫通前掘進(jìn)面后方受支承壓力影響，作業(yè)空間處兩幫應(yīng)力集中嚴(yán)重，對掘進(jìn)頭后25m范圍內(nèi)正負(fù)幫采用大直徑鉆孔卸壓方式，釋放兩幫集中應(yīng)力，確保掘進(jìn)面及其周邊處于低應(yīng)力區(qū)。鉆孔布置參數(shù)如下：

1)正幫：卸壓鉆孔直徑120mm，鉆孔深度25m，鉆孔間距1.0m。

2)負(fù)幫：卸壓鉆孔直徑120mm，鉆孔深度12m(留3m采空區(qū)保護段)，鉆孔間距1.0m。

3.2 開切眼貫通掘進(jìn)中期卸壓方案

開切眼貫通掘進(jìn)期間采取邊掘邊卸壓同時監(jiān)測方案。

1)提前在開切眼貫通區(qū)域施工大直徑卸壓鉆孔，布置7個扇形卸壓鉆孔(1#—7#鉆孔)，孔徑120mm，長度25m，如圖4所示。

圖4 貫通時卸壓方案

2)正幫：每掘進(jìn)5m施工大直徑卸壓鉆孔(8#、9#鉆孔)，孔徑120mm，孔深25m，間距1.5m，開孔高度1～2m，直至開切眼貫通，如圖4所示；隔孔裝3kg炸藥進(jìn)行爆破。監(jiān)測應(yīng)力計隨工作面掘進(jìn)安裝，保證應(yīng)力監(jiān)測距掘進(jìn)頭小于25m。

3)負(fù)幫：每掘進(jìn)5m施工大直徑卸壓鉆孔(10#、11#鉆孔)，孔徑120mm，孔深12m，間距1.0m，開孔高度1～2m，直至開切眼貫通，如圖4所示。監(jiān)測應(yīng)力計也隨工作面掘進(jìn)安裝，保證應(yīng)力監(jiān)測距掘進(jìn)頭小于25m。

4)卸壓鉆孔施工過程中出現(xiàn)卡鉆、吸鉆、頂鉆和“煤炮”情況時，需持續(xù)施工，確保釋放掉集中應(yīng)力。

3.3 開切眼貫通掘進(jìn)后期卸壓方案

開切眼貫通后刷幫安架和工作面回采時，北側(cè)采空區(qū)上覆關(guān)鍵巖層會尋找新的受力平衡，導(dǎo)致開切眼處兩巷幫應(yīng)力恢復(fù)，開切眼掘進(jìn)貫通后對開切眼下部已掘區(qū)采取防治方案如下：

1)正幫：卸壓鉆孔直徑120mm，鉆孔深度25m，孔間距1.0m，開孔高度1～2m，隔孔裝藥3.0kg進(jìn)行爆破加強卸壓。

2)負(fù)幫：卸壓鉆孔直徑120mm，孔深12m(留3m采空區(qū)保護段)，孔間距1.0m，傾角0°，開孔高度1m左右。

3)大直徑卸壓鉆孔施工過程中，應(yīng)力計隨工作面卸壓工程安裝，保證應(yīng)力計間距小于25m。

三水平北21煤層一段開切眼上下貫通后，開切眼兩幫大直徑卸壓鉆孔施工完畢，在微震、應(yīng)力監(jiān)測不預(yù)警后，再開展刷幫與支架安裝工作。為避免一次開幫造成工作面控頂面積和支護難度大，采用自開切眼下部向上部邊開幫邊安裝支架的方案，開幫側(cè)為巷道硬幫，開幫寬度3.8m，工作面每安裝一組支架及時調(diào)整升起達(dá)到初撐力。

4 防治效果檢驗

4.1 卸壓期間微震與應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)

4.1.1 卸壓期間微震監(jiān)測分析

開切眼掘進(jìn)前卸壓期間(6月1日—7月19日)，SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)共接收事件1065次，其中，103～104J之間4次，102～103J之間34次，102J以下震動1027次，未產(chǎn)生104J以上大能量預(yù)警事件，102J以下事件占比約96%。如圖5所示。

圖5 開切眼卸壓期間微震特征曲線

4.1.2 卸壓期間壓力監(jiān)測分析

開切眼和回風(fēng)道共安裝9組KJ550系統(tǒng)應(yīng)力計，其中，正幫安裝4組(淺孔6m、深孔11m)；負(fù)幫安裝3組(孔深8m)；回風(fēng)道下幫安裝2組(淺孔6m、深孔12m)，組間距均為20m。

負(fù)幫第二組應(yīng)力預(yù)警情況：2017年7月4日負(fù)幫第二組測點升到9.0MPa黃色預(yù)警(距掘進(jìn)頭33m，如圖6所示)；7月5日升高到10MPa紅色預(yù)警，7月17日達(dá)到最大值13.19MPa，該組應(yīng)力計預(yù)警后防沖隊立即進(jìn)行卸壓。截至7月18日，施工27個鉆孔(累計324m)，同時放4次震動炮，7月18日監(jiān)測數(shù)值降至5.92MPa，且隨后持續(xù)降低，解危卸壓結(jié)束。

圖6 開切眼負(fù)幫第二組應(yīng)力監(jiān)測曲線

綜合微震監(jiān)測和應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果可知，開切眼卸壓后掘進(jìn)頭和兩側(cè)煤體處于低應(yīng)力和低擾動狀態(tài)，能夠保障安全掘進(jìn)。

4.2 掘進(jìn)期間微震與應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)

4.2.1 掘進(jìn)期間微震監(jiān)測分析

開切眼掘進(jìn)貫通期間(8月5日—8月15日)，SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)共接收微震事件341次，如圖7所示。其中，較大能量區(qū)間(103～104J)事件1個、中等能量區(qū)間(102～103J)事件6個、小能量區(qū)間(小于102J)事件334個，在此期間沒有產(chǎn)生微震大能量預(yù)警事件，小能量事件占比約98%，不會對現(xiàn)場造成破壞和影響，掘進(jìn)工作面周圍安全。

圖7 開切眼掘進(jìn)貫通時微震能量事件

4.2.2 掘進(jìn)期間壓力監(jiān)測分析

開切眼掘進(jìn)貫通期間應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定正常，未發(fā)生應(yīng)力預(yù)警。期間共施工卸壓鉆孔34個，延米560m，大直徑卸壓孔總體出貨量少，方案制定合理，防治效果顯著。

5 結(jié) 論

1)開切眼工作面掘進(jìn)時受17煤層遺留煤柱和21煤層區(qū)段煤柱應(yīng)力疊加影響，在開切眼掘進(jìn)面作業(yè)空間及周圍造成應(yīng)力高度集中，如果卸壓強度和支護強度不充分，容易發(fā)生應(yīng)力突然釋放的沖擊地壓事故。

2)計算得知17煤層煤柱影響下21煤層的沖擊危險區(qū)間為(61，199)，21煤層受17煤層煤柱影響的應(yīng)力增高影響范圍138m，劃分出強沖擊危險區(qū)52m和應(yīng)力影響區(qū)68m。采空區(qū)外側(cè)支承壓力影響區(qū)間為(0，26)，為卸壓方案實施參數(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。

3)分階段制定卸壓和監(jiān)測防治方案，對卸壓區(qū)域更具針對性和合理性，同時采用邊掘進(jìn)、邊卸壓、邊監(jiān)測的防治原則，時間上更符合現(xiàn)場實際。

4)微震小能量事件比值在96%以上，應(yīng)力很少出現(xiàn)預(yù)警情況，說明卸壓方案制定合理，能有效釋放集中應(yīng)力，保證了開切眼及其周圍安全。