雷照源,焦 彪,張春霞,席國(guó)軍,史星星

(陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司,陜西 咸陽 712046)

0 引言

煤炭資源供應(yīng)是保障國(guó)家戰(zhàn)略安全的重大因素。2021年以來,受全球不安定因素多變影響,導(dǎo)致我國(guó)煤炭資源產(chǎn)銷比失調(diào)[1]。隨著深部礦井煤炭資源產(chǎn)出的占比逐漸擴(kuò)大,其沖擊地壓誘發(fā)礦井災(zāi)變嚴(yán)重抑制煤炭資源的平穩(wěn)產(chǎn)出[2]。開展區(qū)域化沖擊地壓防治是保證礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ),是有序釋放產(chǎn)能的保障,是企業(yè)發(fā)展瓶頸的突破口。

自1738年在英國(guó)發(fā)生人類有文字記載以來的首次巖爆距今已經(jīng)300多年,20世紀(jì)80年代我國(guó)因煤礦開采深度的增加,在典型“三硬”條件的煤礦相繼發(fā)生了沖擊地壓事故。歷經(jīng)幾代學(xué)者的努力,針對(duì)沖擊地壓?jiǎn)栴}先后提出強(qiáng)度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、變形失穩(wěn)理論等,通過揭示沖擊地壓發(fā)生機(jī)理、顯現(xiàn)強(qiáng)度、破壞特征等,一定程度上對(duì)沖擊地壓防治起到積極的作用[3-5]。深埋煤炭資源賦存條件的多樣化,構(gòu)造變形、構(gòu)造形成過程和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)等方式共同決定著礦床賦存方式和應(yīng)力環(huán)境,開采過程中所引發(fā)的巖石力學(xué)問題也成為國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)[6-8]。深埋特厚煤層綜放開采條件下,多個(gè)關(guān)鍵層沿工作面走向和傾向2個(gè)維度呈現(xiàn)不同破斷運(yùn)動(dòng)特征;關(guān)鍵層與“三帶”位置關(guān)系不同,上部覆巖層形成空間結(jié)構(gòu)的彈性能釋放路徑導(dǎo)致沖擊的時(shí)效性也不同[9-10]。因此從礦井賦存條件出發(fā),探索出源頭控制、路徑轉(zhuǎn)移、區(qū)域防治的沖擊地壓綜合防治技術(shù)體系,是礦井安全高效生產(chǎn)的重要途徑。

彬長(zhǎng)礦區(qū)是黃隴煤炭生產(chǎn)基地深埋特厚煤層的代表,區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,是典型的復(fù)雜環(huán)境沖擊地壓集結(jié)區(qū)。近年來,彬長(zhǎng)集團(tuán)以“打造世界復(fù)雜條件一流煤炭企業(yè)”為目標(biāo),以《煤礦安全規(guī)程》《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》等國(guó)家法律法規(guī)為準(zhǔn)繩,以災(zāi)害預(yù)測(cè)為依據(jù),在沖擊地壓防治方面取得了豐碩成果。彬長(zhǎng)礦區(qū)極特厚煤層開采下,隨采隨掘沖擊現(xiàn)象具有影響范圍廣、作用顯現(xiàn)劇烈等特點(diǎn)。通過下屬5對(duì)生產(chǎn)礦井沖擊地壓鑒定,為兩強(qiáng)兩中一弱。因此以胡家河煤礦為例,開展構(gòu)建極特厚煤層井上下三維立體分區(qū)式?jīng)_擊地壓防治技術(shù)研究具有現(xiàn)實(shí)必要性。

1 礦井現(xiàn)狀

1.1 礦井概況及賦存特征

胡家河煤礦作為彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)主力礦井,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為500萬t。礦井位于咸陽市長(zhǎng)武縣境內(nèi),南北寬7.2 km,東西長(zhǎng)8.5 km,面積約55.239 4 km2,主采4號(hào)煤層,共劃分5個(gè)盤區(qū)。其中煤厚10～26 m。目前回采401、402盤區(qū),地面標(biāo)高+932～+1 170 m,煤層底板標(biāo)高+340～+400 m,埋深在590～830 m之間,平均埋深710 m。煤層上覆巖層斷層、褶皺發(fā)育。

主采4號(hào)煤層為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的穩(wěn)定煤層,一般有1～2層夾矸,且位于煤層的中上部,夾矸厚度一般小于0.3 m。其頂板巖性以灰-深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主,底板則以黑色碳質(zhì)泥巖為主。工作面布置均在煤層中,煤層頂?shù)装遒x存情況見表1,煤巖力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 煤層頂?shù)装遒x存情況

表2 煤巖力學(xué)參數(shù)

1.2 生產(chǎn)工藝

4號(hào)煤層設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤方法,全部垮落法管理頂板。根據(jù)礦井生產(chǎn)能力、煤層賦存條件以及目前所選用的采煤機(jī)特點(diǎn),設(shè)計(jì)煤層開采厚度14 m,平均日推進(jìn)3.2 m。其中割煤高度3.5 m,截深為0.8 m;采用“一采一放”的放煤工藝,放煤高度10.5 m。工作面選用ZF13000/21/40液壓支架、防沖支架型號(hào)為ZQ8000/21/37,匹配37.5 MPa的乳化泵。工作面采用“一進(jìn)一回”通風(fēng)模式,巷道與工作面方向一致,采用錨網(wǎng)索支護(hù)。工作面生產(chǎn)參數(shù)見表3。

表3 工作面生產(chǎn)參數(shù)

胡家河煤礦401106工作面北側(cè)為401105綜放工作面(采空區(qū)),間隔35 m保護(hù)煤柱,南側(cè)為DF5斷層保護(hù)煤柱,西側(cè)為401盤區(qū)3條盤區(qū)大巷保護(hù)煤柱?；诤液用旱V綜放開采形成的大空間采場(chǎng),工作面上部形成的復(fù)合頂板層數(shù)多,根據(jù)覆巖“三帶”及沖擊“載荷三帶”劃分結(jié)果,在工作面運(yùn)輸、回風(fēng)順槽進(jìn)行超前壓裂。

1.3 礦區(qū)沖擊地壓現(xiàn)狀

彬長(zhǎng)礦區(qū)沖擊地壓臨界深度約為500～600 m,最大最小水平應(yīng)力分別為33.87 MPa、8.36 MPa,垂直應(yīng)力約為20 MPa。隨著采深的增加,沖擊地壓的危險(xiǎn)性急劇增長(zhǎng)。根據(jù)《胡家河煤礦沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)》,4號(hào)煤層總體上具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn),礦井強(qiáng)沖擊區(qū)域分布如圖1所示。根據(jù)動(dòng)靜載荷因素分析,4號(hào)煤層采深、褶曲、斷層、煤柱、底煤留設(shè)等因素均對(duì)靜載荷積聚起到促進(jìn)作用;動(dòng)載荷主要為采掘擾動(dòng)和煤層上方硬厚砂巖斷裂所產(chǎn)生的沖擊動(dòng)載。頂板為弱沖擊傾向性的頂板。

圖1 礦井強(qiáng)沖擊區(qū)域分布示意

1.4 主控巖層確定

沖擊地壓顯現(xiàn)形式與礦壓顯現(xiàn)形式基本類似,但動(dòng)力來源和表現(xiàn)特點(diǎn)存在差異。一般來說強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)是由頂板突然斷裂失穩(wěn)引起覆巖運(yùn)動(dòng)造成的,必須建立在覆巖垮落的基礎(chǔ)上;而沖擊地壓是巖體內(nèi)部彈性能突然釋放而誘發(fā)的動(dòng)力災(zāi)害,頂板不一定垮落。同時(shí)認(rèn)為沖擊地壓能量釋放速率與巖體傳遞介質(zhì)的完整程度和堅(jiān)硬程度成正比,開采后形成的空間結(jié)構(gòu)促使煤巖或局部煤巖發(fā)生破壞。

胡家河煤礦作為強(qiáng)沖擊煤層,其是由上覆巖層賦存條件決定的,覆巖賦存如圖2所示。根據(jù)關(guān)鍵層理論劃分覆巖結(jié)構(gòu)類型,見式(1)。

圖2 煤層覆巖賦存情況

(1)

式中,E為彈性模量,GPa;h為巖層厚度,m;V為體積力,kg/m3。

根據(jù)判別式(1)可知,19.73 m粉砂巖、19.4 m泥質(zhì)粉砂巖、271.27 m中砂巖、15.03 m泥巖、19.32 m含礫粗砂巖為關(guān)鍵層,其中271.27 m中砂巖為主關(guān)鍵層(主控巖層)。

根據(jù)三帶判別式(2)、式(3)[11],可知垮落帶高度為42～56 m,裂隙帶高度約為205 m。19.32 m含礫粗砂巖在垮落層內(nèi);15.03 m泥巖在裂隙帶內(nèi);中砂巖在裂隙帶與彎曲下沉帶之間。由此可知,19.32 m含礫粗砂巖、271.27 m中砂巖為影響工作面采動(dòng)“小—大”來壓的主控巖層;其中271.27 m中砂巖作為主關(guān)鍵層,影響著礦井礦壓的整體分布。

Hc=(3～4)M

(2)

Hf=100M/(3.3n+3.8)+5.1

(3)

式中,M為開采厚度,m;n為開采煤層層數(shù)。

2 沖擊地壓防治技術(shù)體系

通過上述分析可知,胡家河煤礦由深埋高應(yīng)力、遠(yuǎn)場(chǎng)巨厚堅(jiān)硬頂板、垮落帶堅(jiān)硬厚頂板作用在煤層上,在大采場(chǎng)的超強(qiáng)擾動(dòng)進(jìn)一步誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生。根據(jù)煤層力學(xué)屬性可知,4號(hào)煤層具有軟巖屬性,更易發(fā)生煤炮、幫鼓等現(xiàn)象。故此,打造井上下三維立體分區(qū)式技術(shù)體系是實(shí)現(xiàn)沖擊地壓防治的可行途徑之一。采掘工作面擾動(dòng)下影響范圍的不同,《煤礦安全規(guī)程》《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》規(guī)定采煤工作面與掘進(jìn)工作面之間、2個(gè)掘進(jìn)工作面之間的水平間距滿足350 m、150 m的要求;采煤工作面重點(diǎn)關(guān)注100 m范圍堅(jiān)硬巖層。故此根據(jù)彬長(zhǎng)胡家河煤礦采煤、掘進(jìn)布局進(jìn)行井下分區(qū)式致裂技術(shù),與地面水力壓裂共同構(gòu)成井上下三維立體分區(qū)式?jīng)_擊地壓防治技術(shù)體系。

2.1 井上防沖技術(shù)

通過遠(yuǎn)場(chǎng)主關(guān)鍵層的確定,采用地面水力壓裂技術(shù),改變巖層本構(gòu)關(guān)系,弱化巖層靜載的下壓作用。根據(jù)工作面的布置情況,設(shè)置2個(gè)地面水平鉆井進(jìn)行地面壓裂技術(shù),壓裂裂縫延伸在工作面傾向方向覆蓋整個(gè)工作面,走向方向覆蓋鉆井軌跡水平段區(qū)域。

壓裂工程采用電纜泵送橋塞射孔聯(lián)作壓裂工藝技術(shù)。采用高粘活性膠+2次暫堵壓裂工藝或高粘活性膠+交聯(lián)凍膠+1次暫堵壓裂工藝。水平井設(shè)計(jì)50 m為一段,每段射孔作業(yè)采用2簇射孔,簇間距15～25 m,每簇1 m,每米10孔,60°相位螺旋布孔,孔徑9 mm;壓裂作業(yè)每段采用10～16 m3/min排量,1 300～1 500 m3液量,35～40 m3加砂量。圖3為地面壓裂示意圖,主控巖層壓裂效果如圖4所示。壓裂過程中通過資料分析與判讀、導(dǎo)向過程控制、軌跡預(yù)測(cè)保障壓裂的準(zhǔn)確性。

圖3 地面壓裂示意

圖4 地面水力壓裂效果示意

2.2 井下防沖技術(shù)

2.2.1 綜放工作面

工作面頂板兩側(cè)接觸面咬合的摩擦力不同,通過井下水力壓裂和爆破致裂分別破壞臨空側(cè)與實(shí)體側(cè)頂板接觸面咬合的摩擦力,達(dá)到降低整體強(qiáng)度的目的。在采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)下,使頂板在采空區(qū)及時(shí)垮落。根據(jù)區(qū)段煤柱承載效應(yīng),分析煤柱上部煤柱、頂板動(dòng)載分布情況,確定致裂參數(shù)[12]。401106綜放工作面致裂計(jì)算參數(shù)見表4,“分區(qū)式”致裂技術(shù)如圖5所示。

圖5 井下分區(qū)致裂技術(shù)示意

表4 井下綜采面致裂計(jì)算參數(shù)一覽

表4中,P0為頂板注水最小壓力,MPa;H為開采深度,m;MK為單孔注水量,t;T為鉆孔擔(dān)負(fù)的濕潤(rùn)巖體量,t;W1為根據(jù)調(diào)查資料確定的巖層水分上限值,%;W2為巖層注水前巖體的原始水分值,%;K為水量不均衡系數(shù),取0.5～1.0;R為浸潤(rùn)半徑;vl=2R/3。n為綜合影響系數(shù);f為封孔材料與孔壁的摩擦因數(shù);λ為側(cè)壓系數(shù);D為爆孔直徑,選50 mm。Pc為裝藥量,g/m;R壓為巖石抗壓強(qiáng)度,Pa。

2.2.2 掘進(jìn)工作面

401盤區(qū)、402盤區(qū)工作面順槽、輔助順槽、開拓巷道為全煤巷道,巷道松動(dòng)圈范圍約1.2 m?！办o動(dòng)”載荷作用下,巷道周圍煤體的塑性破壞與應(yīng)力分布如圖6所示。根據(jù)巷道掘進(jìn)期間沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià),進(jìn)行掘進(jìn)迎頭、兩幫、底板“分段式”防沖設(shè)計(jì),弱化擾動(dòng)下的應(yīng)力集中造成的煤巖體的彈射現(xiàn)象。掘進(jìn)工作面采用爆破+大直徑孔卸壓技術(shù),井上下三維立體分區(qū)式?jīng)_擊地壓防治技術(shù)體系流程如圖7所示。工作面順槽經(jīng)歷“靜—?jiǎng)印獎(jiǎng)印?次載荷變化過程,第三次動(dòng)載荷由工作面采動(dòng)引起,采用“分區(qū)式”卸壓方式進(jìn)行防護(hù)。

圖6 煤體巷道塑性破壞及應(yīng)力分布示意

圖7 井上下立體分區(qū)式?jīng)_擊地壓防治技術(shù)體系

2.3 沖擊地壓防治技術(shù)體系準(zhǔn)則

沖擊地壓防治根據(jù)主控巖層防范的原則上,以煤層沖擊傾向性鑒定和沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)為依據(jù),分析“靜動(dòng)載荷”影響規(guī)律,打造“井上下三維立體分區(qū)式?jīng)_擊地壓防治技術(shù)體系”,形成了“監(jiān)測(cè)預(yù)警—防治解?！Ч麢z驗(yàn)—安全防護(hù)—監(jiān)督管理”的防沖技術(shù)管理辦法,實(shí)現(xiàn)了沖擊地壓分階段和分區(qū)域進(jìn)行的動(dòng)態(tài)防治,以達(dá)到最有效和最經(jīng)濟(jì)的防治目的。

3 沖擊地壓防治遠(yuǎn)景目標(biāo)

總體來說,彬長(zhǎng)礦區(qū)沖擊地壓防治通過發(fā)生力源、傳播路徑、顯現(xiàn)區(qū)域進(jìn)行綜合防治。隨著綠色開采相關(guān)政策的逐步落實(shí),根據(jù)彬長(zhǎng)礦區(qū)大采場(chǎng)與主控巖層的聯(lián)動(dòng)效應(yīng),提出主控巖層“上承下壓”代替井上防沖技術(shù)與柔模支護(hù)置換煤柱的沖擊地壓治理的遠(yuǎn)景目標(biāo)。

3.1 主控巖層“上承下壓”

根據(jù)主控巖層判定可知,主控巖層為覆巖相對(duì)厚、硬巖層。大量理論與實(shí)踐研究表明[13-15],煤層開采后的采出空間是由下向上逐漸傳遞到地表的,傳遞過程中受到了其控制作用,并在其下方形成采動(dòng)裂隙;隨著開采范圍增大,該巖層發(fā)生破斷,采動(dòng)裂隙隨之閉合,采出空間最終傳遞到地表,造成地面塌陷。在掌握彬長(zhǎng)礦區(qū)采動(dòng)裂隙及巖層移動(dòng)規(guī)律基礎(chǔ)上,以關(guān)鍵層理論為支撐,在主控巖層破斷前,通過地面鉆孔向其下方封閉的采動(dòng)裂隙腔體高壓注漿充填,產(chǎn)生“壓下托上”作用,將主控巖層下方碎脹巖體壓實(shí)形成支撐體,阻止主控巖層破斷,控制巖層移動(dòng)。進(jìn)一步防止堅(jiān)硬巖層破斷,減小其能量釋放,減緩實(shí)體煤應(yīng)力集中,從而實(shí)現(xiàn)減震防沖目的,同時(shí)也解決了煤矸等固廢物處理及地表下沉等問題。

3.2 柔模支護(hù)置換煤柱

柔模支護(hù)置換煤柱實(shí)質(zhì)上就是將矸石充分利用柔膜進(jìn)行支護(hù),在工作面巷道形成“人造煤柱”,將原留設(shè)煤柱進(jìn)行回收,達(dá)到不留煤柱、沿空留巷的目的,進(jìn)一步減少彬長(zhǎng)礦區(qū)煤柱型沖擊地壓發(fā)生。

考慮彬長(zhǎng)礦區(qū)特厚煤層圍巖結(jié)構(gòu)與柔模支護(hù)充填體效果的適應(yīng)性,充填操作的難易程度、充填與工作面生產(chǎn)之間的協(xié)調(diào)因素。可以采用長(zhǎng)距離泵送混凝土支護(hù)工藝。將煤矸石、粉煤灰、水泥、石子添加劑按一定比例配合而成巷道充填材料。柔模充填支護(hù)中,通過柔模將水滲出后采用錨桿形成對(duì)拉,提高其承載及抗變形能力。錨桿支護(hù)參數(shù)與巷道煤體幫支護(hù)參數(shù)保持一致。并通過監(jiān)測(cè)位置反饋數(shù)據(jù),分析巷道頂板的下沉速度及頂?shù)装宓囊平俊⑾锏纼蓭偷南鄬?duì)變形量。

4 結(jié)論

(1)以彬長(zhǎng)礦區(qū)胡家河煤礦為例,認(rèn)為4號(hào)煤層的深埋、褶曲、斷層、煤柱、底煤留設(shè)等因素形成了沖擊的靜載荷積聚與大采場(chǎng)擾動(dòng)和主控巖層斷裂所產(chǎn)生的沖擊動(dòng)載共同形成了胡家河煤礦的沖擊現(xiàn)象。

(2)通過彬長(zhǎng)礦區(qū)胡家河煤礦主控巖層判定,提出了井上下三維立體分區(qū)式?jīng)_擊地壓防治技術(shù)體系。即以主控巖層超前致裂為主,根據(jù)采掘工作面不同位置輔助分區(qū)致裂弱化技術(shù)。

(3)以主控巖層致裂為基礎(chǔ),以“綠色開采+沖擊地壓防治”為目標(biāo),提出主控巖層“上承下壓”與柔模支護(hù)置換煤柱的沖擊地壓防治思路。