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(huì)造成煤體的應(yīng)力集中,嚴(yán)重時(shí)會(huì)誘發(fā)沖擊地壓事故[1-6]。很多沖擊地壓學(xué)者對(duì)遺留煤柱誘沖機(jī)理及監(jiān)測(cè)治理進(jìn)行了分析與總結(jié)。王方田等[7]對(duì)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(shí)將發(fā)生突變失穩(wěn);李佃平等[8]對(duì)三側(cè)采空的孤島型邊角煤柱誘沖機(jī)理進(jìn)行了研究,得出反弧形覆巖結(jié)構(gòu)處于動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生,并采取對(duì)沿空巷道實(shí)體煤側(cè)實(shí)施卸壓弱化、對(duì)窄煤柱側(cè)實(shí)施支護(hù)強(qiáng)化的非對(duì)稱控制對(duì)策;張國(guó)華等[9]通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬對(duì)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(duì)斷層煤柱型沖擊礦壓機(jī)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(duì)煤柱誘發(fā)型沖擊地壓的防治具有現(xiàn)實(shí)意義,但是對(duì)多煤柱影響下開切眼掘進(jìn)時(shí)沖擊地壓的防治還未見報(bào)道。
開切眼掘進(jìn)工作面全長(zhǎng)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(shí)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(jī)道向上開始掘進(jìn),下部掘進(jìn)53m停止,上部掘進(jìn)75m時(shí)應(yīng)力集中顯現(xiàn),對(duì)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)。
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(qiáng)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。
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(duì)21煤層沿走向影響區(qū)間和受力程度的計(jì)算模型,如圖2所示。
圖2 17層遺留煤柱計(jì)算模型
根據(jù)多因素耦合分析法和其他礦井經(jīng)驗(yàn),將沖擊危險(xiǎn)性判別指數(shù)大于2.0作為21煤層開切眼處沖擊危險(xiǎn)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(qiáng)度,取σc=8.2MPa;x為影響范圍,m。
整理得σn函數(shù)為:
計(jì)算得17煤層煤柱影響下21煤層的沖擊危險(xiǎn)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(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)52m和應(yīng)力影響區(qū)68m。
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(shí)際運(yùn)動(dòng)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(jì)算模型,計(jì)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(dòng)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
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(duì)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(hù)段),鉆孔間距1.0m。
開切眼貫通掘進(jìn)期間采取邊掘邊卸壓同時(shí)監(jiān)測(cè)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(gè)扇形卸壓鉆孔(1#—7#鉆孔),孔徑120mm,長(zhǎng)度25m,如圖4所示。
圖4 貫通時(shí)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(cè)應(yīng)力計(jì)隨工作面掘進(jìn)安裝,保證應(yīng)力監(jiān)測(cè)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(cè)應(yīng)力計(jì)也隨工作面掘進(jìn)安裝,保證應(yīng)力監(jiān)測(cè)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(shí),需持續(xù)施工,確保釋放掉集中應(yīng)力。
開切眼貫通后刷幫安架和工作面回采時(shí),北側(cè)采空區(qū)上覆關(guān)鍵巖層會(huì)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(duì)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(qiáng)卸壓。
2)負(fù)幫:卸壓鉆孔直徑120mm,孔深12m(留3m采空區(qū)保護(hù)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(jì)隨工作面卸壓工程安裝,保證應(yīng)力計(jì)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(cè)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(hù)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(shí)調(diào)整升起達(dá)到初撐力。
4.1.1 卸壓期間微震監(jiān)測(cè)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(cè)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(dòng)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(cè)分析
開切眼和回風(fēng)道共安裝9組KJ550系統(tǒng)應(yīng)力計(jì),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(cè)點(diǎn)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(jì)預(yù)警后防沖隊(duì)立即進(jìn)行卸壓。截至7月18日,施工27個(gè)鉆孔(累計(jì)324m),同時(shí)放4次震動(dòng)炮,7月18日監(jiān)測(cè)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(cè)曲線
綜合微震監(jiān)測(cè)和應(yīng)力監(jiān)測(cè)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(dòng)狀態(tài),能夠保障安全掘進(jìn)。
4.2.1 掘進(jìn)期間微震監(jiān)測(cè)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(cè)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(gè)、中等能量區(qū)間(102~103J)事件6個(gè)、小能量區(qū)間(小于102J)事件334個(gè),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(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)微震能量事件
4.2.2 掘進(jìn)期間壓力監(jiān)測(cè)分析
開切眼掘進(jìn)貫通期間應(yīng)力監(jiān)測(cè)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(gè),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。
1)開切眼工作面掘進(jìn)時(shí)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(qiáng)度和支護(hù)強(qiáng)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(jì)算得知17煤層煤柱影響下21煤層的沖擊危險(xiǎn)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(qiáng)沖擊危險(xiǎn)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(shí)施參數(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。
3)分階段制定卸壓和監(jiān)測(cè)防治方案,對(duì)卸壓區(qū)域更具針對(duì)性和合理性,同時(shí)采用邊掘進(jìn)、邊卸壓、邊監(jiān)測(cè)的防治原則,時(shí)間上更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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。