張 毅,江成玉

(1.貴州大學勘察設(shè)計研究院有限責任公司,貴州 貴陽 550025;2.貴州大學礦業(yè)學院,貴州 貴陽 550025)

近年來,隨著采煤機械化水平不斷提高,煤礦開采強度隨之增加,沖擊地壓等災害發(fā)生頻繁[1-3]。為有效防止煤礦沖擊災害發(fā)生,在沖擊地壓研究方面已由機理兼顧現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)研究[4-7]。

在煤巖沖擊傾向性測試方面,專家學者做了大量研究工作,崔峰等[8]以準東二礦巨厚強沖擊傾向性煤層首分層1101 綜放工作面為背景,采用理論分析及物理相似模擬實驗相結(jié)合的綜合分析方法,對不同開采強度下覆巖采動應力、能量演化規(guī)律展開分析,并評估了不同開采強度下煤巖體沖擊危險性;通過對煤層動態(tài)破壞時間、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)、單軸抗壓強度、沖擊能量速度指數(shù)、沖擊臨界軟化系數(shù)6 種沖擊危險性指標的描述和總結(jié),對煤體沖擊傾向性進行了梳理;Hu等[9]通過對天湖花崗巖進行真三軸卸荷地壓試驗和數(shù)值模擬,研究開挖后圍巖地壓傾向性和裂縫發(fā)育特征,通過試驗和數(shù)值模擬對沖擊地壓應力路徑進行監(jiān)測,確定沖擊地壓應力,根據(jù)巖爆聲發(fā)射監(jiān)測頻率和幅值的演化規(guī)律,分析了巖爆破片的形態(tài)特征;丁鑫等[10]以非均勻性統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)構(gòu)建了煤巖本構(gòu)關(guān)系及損傷演化方程,探討了不同沖擊傾向煤巖受載過程的損傷演化規(guī)律,基于分形理論構(gòu)建了新的耗散能計算公式;譚椏杰等[11]鑒于煤層沖擊傾向性研究對沖擊礦壓評價的重要性,在此針對永紅煤礦進行了沖擊傾向性鑒定;孫如達等[12]對不同尺度的煤體試樣進行了沖擊傾向性試驗,輔以聲發(fā)射系統(tǒng)、DIC 散斑系統(tǒng)、光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng),以觀測不同尺度煤試件損傷破壞特性。

在沖擊抵押防治方面,張丁丁[13]根據(jù)高位鉆場施工散射狀爆破鉆孔至沖擊地壓主關(guān)鍵層后進行頂板爆破,破壞沖擊地壓關(guān)鍵層位的完整性,降低關(guān)鍵層位大面積懸頂造成的靜載以及其達到極限跨距后斷裂、滑移造成的動載;Cai[14]通過能量分析發(fā)現(xiàn),人工地震與自然地震在能量值與爆發(fā)震級的關(guān)系等許多方面具有相似的規(guī)律,利用天然地震能量與震級的關(guān)系,利用擾動能量分析方法預測巖爆,應用上述理論和技術(shù)對中國某金礦巖爆進行了預測。最后,在了解巖爆機理的基礎(chǔ)上,提出了巖爆防治技術(shù);郝旭東[15]以大興煤礦2北206工作面為研究對象,采用理論分析和現(xiàn)場實測的研究方法探究了工作面回采期間沖擊地壓分區(qū)、治理措施和效果;Dou等[16]總結(jié)了國內(nèi)外巖爆監(jiān)測、預報和防治的理論和技術(shù),主要包括巖爆監(jiān)測方面的分區(qū)和找平預測方法、電磁輻射技術(shù)、彈性波和地震波計算機層析成像技術(shù),以及巖爆防治方面的強度弱化理論、強-軟-強結(jié)構(gòu)效應、定向水力壓裂技術(shù)、巷道支護系統(tǒng)等;劉超等[17]以濟寧市金橋煤礦1304 工作面為工程背景,通過分析該工作面鄰近終采線梯形煤柱形成沖擊危險的主要影響因素,結(jié)合微震監(jiān)測、應力在線監(jiān)測及預卸壓效果分析,建立了相適應的支護和卸壓方案;Song等[18]為了探索巖爆防治的新思路,研究了熵方程與耗散結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,提出了巖爆活動系統(tǒng)的概念,并對其熵進行了分析;Dou等[19]通過理論分析、室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗、模擬等手段,建立了煤巖變形破壞的彈塑性脆性模型,較好地預測了突發(fā)性和遲發(fā)性地壓,基于煤巖組合試樣從變形到?jīng)_擊破裂過程中的電磁發(fā)射(EME)、聲發(fā)射(AE)和微震(MS)效應,在很大程度上依賴于這3種發(fā)射形式,形成了一種多參數(shù)識別預警技術(shù)。從而建立了巖爆預測的時空分類體系,提出了巖爆強度弱化理論和控制巷道圍巖沖擊的強-軟-強(3S)結(jié)構(gòu)模型;Zhu等[20]開發(fā)微地震數(shù)據(jù)處理和解釋的創(chuàng)新方法,利用處理后的高質(zhì)量微震資料,定量評價了試驗場的水力壓裂程度。

上述研究對煤巖沖擊傾向性及沖擊地壓防治起到促進作用,一定程度為煤礦安全高效開采奠定了堅實基礎(chǔ)。因此,筆者通過室內(nèi)試驗及現(xiàn)場監(jiān)測綜合研究手段,首先對煤巖進行單軸壓縮試驗,得到煤巖沖擊傾向性。其次通過微震監(jiān)測、鉆孔卸壓等現(xiàn)場監(jiān)測手段,分析采煤工作面推進過程中微震事件分布及應力演化規(guī)律。研究結(jié)果為類似工程地質(zhì)條件沖擊防治提供了借鑒。

1 工程概況

1.1 工作面開采條件

某礦30202輔運運輸巷位于該礦礦井302盤區(qū)的東西部,如圖1所示,北臨3-1煤西翼大巷,西靠30203(未掘)工作面,東臨30202工作面(正采)。30202輔助運輸巷全長約1 177 m,巷道斷面為矩形,尺寸約為4.1 m×5.4 m,通過7條聯(lián)巷與30202帶式運輸巷相連,目前所有聯(lián)絡(luò)巷均已完成密封措施。

圖1 輔助運輸巷平面位置示意

1.2 工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)條件

巷道直接頂板為2.5 m泥質(zhì)粉砂巖,灰黑色,層厚狀,細粉砂狀結(jié)構(gòu),泥質(zhì)含量不均。平坦狀、參差狀斷口,底部為1.0 m的細粒砂巖。巖石較硬,RQD(反映巖體強度和破碎程度的指標)值86%.巷道老頂為7.8 m細粒砂巖和14.89 m粗粒砂巖,其中,14.89 m粗粒砂巖產(chǎn)狀為灰色,略顯綠色,巨厚層狀,粗粒砂狀結(jié)構(gòu)。成分以石英為主,次為長石和暗色礦物,含少量白云母碎片,分選性一般,泥鈣質(zhì)膠結(jié)。含大量煤質(zhì)條帶,向下粒度變細。局部巖芯破碎,巖芯較硬,RQD值78%;7.8 m細粒砂巖產(chǎn)狀為灰色,薄層狀,細粒砂狀結(jié)構(gòu)。成分以石英為主,次為長石和暗色礦物,含少量白云母,圓狀、分選性好,泥鈣質(zhì)膠結(jié)。顯水平層理和緩波狀層理。局部夾薄層粉砂巖。具少量滑面。巖芯較硬,RQD值78%.巷道底板為4.02 m泥巖,灰黑色,薄-中厚層狀,泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。質(zhì)純、致密,平坦狀斷口,具少量滑面,顯水平層理和緩波狀層理,產(chǎn)大量植物化石。上部巖芯破碎,巖石較軟,RQD值40%.

2 煤巖沖擊傾向性

2.1 煤樣單軸壓縮試驗

為測試煤巖沖擊傾向性,現(xiàn)場選取試樣,將其制作為50 mm×100 mm的標準試樣,進行單軸壓縮試驗本次實驗采用位移加載,加載速率為0.002 5 mm/s、0.005 mm/s及0.007 5 mm/s直到試件破壞。

圖2為煤巖體在單軸壓縮下應力-應變曲線,在壓縮過程中,煤樣經(jīng)歷了壓密階段、彈性變形階段、峰值強度階段及殘余變形階段。煤樣開始受力時,內(nèi)部微裂紋閉合,因此在此階段煤樣應力-應變曲線出現(xiàn)上凹。當煤樣處于彈性變形階段時,煤樣應力-應變曲線近似直線。此外,圖中可以明顯觀察到,煤樣峰值強度隨著加載速率的增加而降低。

圖2 不同加載速率下煤應力-應變曲線

2.2 煤樣沖擊傾向性計算

1) 3-1煤層沖擊傾向性鑒定結(jié)果如表1所示。根據(jù)中華人民共和國國家標準GB/T25217.2-2010《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法第2部分:煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》,鑒定3-1煤試樣單軸抗壓強度的沖擊傾向性為III類,即強沖擊傾向性。

表1 該礦井3-1煤沖擊傾向性鑒定結(jié)果

2) 3-1煤頂板的沖擊傾向性鑒定結(jié)果如表2所示。根據(jù)送檢巖樣測定數(shù)據(jù),礦井3-1煤的頂板巖層屬于II類,為弱沖擊傾向性的頂板巖層。

表2 礦井3-1煤頂板沖擊傾向性鑒定結(jié)果

3) 3-1煤底板的沖擊傾向性鑒定結(jié)果如表3所示。根據(jù)送檢巖樣測定數(shù)據(jù),鑒定該礦井3-1煤的底板巖層屬于II類,為弱沖擊傾向性的底板巖層。

表3 礦井3-1煤底板沖擊傾向性鑒定結(jié)果

3 沖擊地壓監(jiān)測預警及防治

3.1 沖擊地壓應力監(jiān)測

輔運巷與采空區(qū)之間的28 m區(qū)段煤柱是影響02輔運巷沖擊等級的危險源頭,因此在02輔運巷煤柱幫布置應力監(jiān)測系統(tǒng),按照深淺孔為一組進行布置,每組布置兩個測點,組間距25 m,安裝深度8 m、14 m,安裝高度為距離底板1.2～1.5 m.如圖3所示,安裝孔徑42 mm(可根據(jù)選用設(shè)備調(diào)整)。實際布置方案應根據(jù)監(jiān)測設(shè)備提供方出具的方案及所需要監(jiān)測的范圍確定。

圖3 應力測點布置示意

根據(jù)沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)來分析02輔運巷沖擊風險,并采取相應的措施。

3.2 沖擊地壓鉆屑法監(jiān)測

對于應力預警、局部礦壓顯現(xiàn)的巷道區(qū)域進行鉆屑法檢驗,具體的施工參數(shù)如下:孔徑78 mm,鉆孔深度15 m(具體可根據(jù)實際情況調(diào)整),距底板垂直距離1～1.5 m,單排布置,鉆孔方向與巷幫垂直,平行于煤層。用膠結(jié)袋收集鉆出的煤粉,用測力計稱量煤粉的重量,每鉆進1 m測量1次鉆屑量。具體布置如圖4所示。

圖4 鉆孔布置的剖面示意

礦井鉆屑量臨界值的確定依據(jù)鉆屑法執(zhí)行的相關(guān)要求進行。首先在監(jiān)測區(qū)域以外,不受采動影響的附近煤層巷道中,施工若干孔深為3.5倍巷高,間距不小于10 m的鉆孔,記錄每孔每米鉆屑量,繪制出正常鉆屑量曲線,然后用加權(quán)平均法對其進行處理,作為標準鉆屑量,在此基礎(chǔ)上,確定沖擊地壓危險的鉆屑量臨界值。

如果檢測到的煤粉量超過確定的臨界指標,或出現(xiàn)卡鉆、吸鉆、異響等動力現(xiàn)象,則煤體處于臨界危險狀態(tài),必須立即采取解危措施。在監(jiān)測到確有沖擊危險時,應及時采取二次卸壓措施,并用鉆屑法再次監(jiān)測解危效果,直至消除沖擊危險。

3.3 沖擊地壓局部防治解危

對于生產(chǎn)幫卸壓的目的主要為轉(zhuǎn)移高位巖層傳遞的部分靜態(tài)支承壓力和區(qū)段煤柱卸壓后的轉(zhuǎn)移應力。主要針對沖擊體進行卸壓解危,對02輔運生產(chǎn)幫施工大直徑鉆孔卸壓,降低巷道淺部煤體整體的彈性模量,使集中應力向煤體深處轉(zhuǎn)移。其卸壓措施如圖5所示。

圖5 卸壓措施

3.3.1 煤體大直徑鉆孔卸壓

對30202輔助運輸巷道全巷道兩幫施工大直徑鉆孔卸壓,施工參數(shù)主要包括鉆孔直徑、孔深和孔間距。理論上分析,鉆孔直徑越大,排出的煤粉越多,鉆孔塑性半徑越大,卸壓效果越好,目前呼吉爾特礦區(qū)各礦使用的煤層卸壓鉆孔直徑均大于150 mm,防沖卸壓效果較好,而該礦施工的常規(guī)煤層卸壓鉆孔直徑為200 mm,并且本礦井的卸壓效果能夠滿足防沖要求。所以30202輔助運輸巷兩幫施工煤層大直徑鉆孔直徑為200 mm.對于煤柱幫施工的大直徑鉆孔深度應貫通彈性核區(qū),而根據(jù)第3章動態(tài)支承壓力的分析,區(qū)段煤柱采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)約6 m,所以煤柱幫大直徑鉆孔深度設(shè)計為22 m.基于圓孔效應分析,母杜柴登礦井3-1煤的巷道的影響半徑R≈5r0,則大直徑鉆孔合理間距為10r0,r0=200 mm,所以鉆孔間距取1 m為宜。卸壓鉆孔施工參數(shù)如表4所示。

表4 兩幫大直徑鉆孔卸壓參數(shù)

3.3.2 頂板深孔爆破

研究采場覆巖空間結(jié)構(gòu)應當選用采空區(qū)中部的鉆孔,而涉及具體的巷道頂板施工時應當選用最近的鉆孔柱狀圖,根據(jù)圖6,選擇02輔運與02膠運相接的斜巷附近的B12鉆孔作為02輔運頂板深孔爆破的指導鉆孔,30202輔運基本頂為36.36 m細粒砂巖,距煤層37.36 m存在59.16 m粗粒砂巖,厚硬砂巖巖性較為堅硬,容易在30202采空區(qū)側(cè)形成大面積懸頂,這是區(qū)段煤柱應力高度集中的力源。

圖6 B12鉆孔平面位置

綜上,結(jié)合現(xiàn)場施工難度和切頂高度需求,確定的切頂對象為煤層上覆0～36.86 m細粒砂巖和37.36～96.52 m的59.16 m粗粒砂巖,但爆破孔深度超過60 m時現(xiàn)場施工難度較大,所以在此僅處理59.16 m粗粒砂巖的下部范圍,根據(jù)理論分析“ILZ”的發(fā)育高度,確定59.16 m粗粒砂巖爆破范圍為下部15 m;回采活動將會對30202面基本頂(36.86 m細粒砂巖)產(chǎn)生較大的破壞作用,基于圓孔效應分析,母杜柴登礦井3-1煤內(nèi)的圓形巷道的影響半徑R≈5r0(r0為圓孔半徑),等效至本礦掘進巷道的影響范圍為5×2.7=13.5 m,并且回采活動對巷道頂板圍巖的破壞范圍遠大于掘進巷道,所以對于36.86 m細粒砂巖底部0～16.86 m不做處理,僅處理頂部20 m范圍。

4 結(jié) 語

1) 通過單軸壓縮試驗發(fā)現(xiàn),煤巖體抗壓強度隨加載速率增加呈降低趨勢,同時煤樣測試過程中出現(xiàn)脆性破壞;

2) 通過煤巖沖擊傾向性測試,發(fā)現(xiàn)該礦井為強沖擊礦井,需要采取沖擊地壓防治措施;

3) 在監(jiān)測到確有沖擊危險時,應及時采取二次卸壓措施,并用鉆屑法再次監(jiān)測解危效果,直至消除沖擊危險。