張修峰,陳 洋,2
(1.山東能源集團(tuán)有限公司 沖擊地壓防治研究中心,山東 濟(jì)南 250014;2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083)
沖擊地壓是威脅煤礦安全高效生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿?zāi)害之一。隨著礦井開(kāi)采規(guī)模、開(kāi)采深度和開(kāi)采強(qiáng)度的進(jìn)一步增大,沖擊地壓災(zāi)害呈現(xiàn)更加嚴(yán)重的發(fā)展態(tài)勢(shì)[1-3]。如何科學(xué)有效地對(duì)沖擊地壓進(jìn)行分類(lèi)、通過(guò)沖擊地壓顯現(xiàn)分析其內(nèi)在機(jī)理、提出針對(duì)性的防控措施成為煤炭行業(yè)科技和現(xiàn)場(chǎng)管理人員亟需解決的科學(xué)難題。
我國(guó)學(xué)者對(duì)沖擊地壓機(jī)理和防控進(jìn)行了大量的研究工作,取得了豐碩的研究成果。李振雷等[4]從圍巖體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)分析了孤島煤柱沖擊機(jī)制,認(rèn)為高靜載應(yīng)力與動(dòng)載應(yīng)力疊加超過(guò)沖擊臨界應(yīng)力誘發(fā)沖擊;王春秋等[5]運(yùn)用微地震和電磁輻射實(shí)測(cè)孤島綜放工作面動(dòng)壓顯現(xiàn)事件,獲得了沖擊前后能量積聚與釋放特征及相應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律,提煉了沖擊地壓微震和電磁輻射監(jiān)測(cè)的前兆信息;何江等[6]分析了急傾斜特厚煤層覆巖運(yùn)動(dòng)和煤層應(yīng)力分布的內(nèi)在關(guān)聯(lián),認(rèn)為覆巖運(yùn)動(dòng)施加的沖擊動(dòng)載與工作面底煤集中靜載疊加是誘發(fā)夾持型沖擊地壓的力源;魏全德等[7]建立下山煤柱區(qū)覆巖空間結(jié)構(gòu)模型和走向支承壓力估算模型,認(rèn)為支承壓力動(dòng)態(tài)前移是誘發(fā)下山煤柱區(qū)巷道沖擊的主要原因;杜學(xué)領(lǐng)[8]研究了厚硬堅(jiān)硬地層沖擊地壓發(fā)生機(jī)理,提出了利用上巷取代工藝巷+充填采空區(qū)的沖擊地壓防治方法;翟明華等[9]分析了巨厚堅(jiān)硬巖層下沖擊地壓的發(fā)生規(guī)律,指出此類(lèi)礦井沖擊地壓存在“關(guān)鍵工作面效應(yīng)”“震動(dòng)誘沖效應(yīng)”“沖擊震動(dòng)效應(yīng)”,提出了基于覆巖空間結(jié)構(gòu)理論、地表沉陷觀測(cè)、微震和應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的辨識(shí)關(guān)鍵工作面的方法,闡述了巨厚堅(jiān)硬巖層沖擊地壓礦井綜合防沖方法;朱斯陶等[10]分析了整體失穩(wěn)型沖擊地壓的工程特征和沖擊顯現(xiàn)特征,提出了整體失穩(wěn)型沖擊危險(xiǎn)的評(píng)估方法和防治對(duì)策;張俊文等[11]提出了沖擊地壓災(zāi)害防治的結(jié)構(gòu)調(diào)控理念,指出災(zāi)害防治應(yīng)從調(diào)控煤巖體結(jié)構(gòu)出發(fā),采用水力壓裂或深孔預(yù)裂爆破防治煤柱型及工作面沖擊;趙善坤等[12]分析了底板型沖擊危險(xiǎn)巷道底板受力特征,提出了深孔斷底爆破防沖方案;夏永學(xué)等[13]開(kāi)發(fā)了擴(kuò)槽孔和排渣孔分離的雙孔布置掏槽技術(shù),有效提高了煤層水力擴(kuò)孔掏槽效果。
以上研究成果提出了針對(duì)性的防控措施,但沒(méi)有圍繞沖擊地壓孕災(zāi)和能量釋放的主體-煤柱(區(qū)域煤體)開(kāi)展針對(duì)性研究:沖擊地壓發(fā)生機(jī)理方面,尚未系統(tǒng)開(kāi)展特定地層和開(kāi)采技術(shù)條件下施加在煤柱上的基礎(chǔ)靜應(yīng)力、動(dòng)載應(yīng)力和煤柱自身物性特征對(duì)煤柱沖擊危險(xiǎn)的影響機(jī)制研究工作,缺乏煤柱沖擊危險(xiǎn)定量化評(píng)價(jià)方法;沖擊地壓防控方面,尚未建立涵蓋煤柱留設(shè)、監(jiān)測(cè)預(yù)警、預(yù)卸壓和解危卸壓等方面的防沖技術(shù)體系。
沖擊地壓的發(fā)生是地質(zhì)因素和開(kāi)采技術(shù)因素綜合作用的結(jié)果。實(shí)際生產(chǎn)中存在以下情形:①同一礦區(qū)煤層賦存條件相似的鄰近礦井,有的發(fā)生多起嚴(yán)重沖擊地壓事故,有的卻從來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò);②同一礦井自投產(chǎn)后十幾年甚至幾十年來(lái),地質(zhì)條件基本不變,突然發(fā)生沖擊地壓事故。究其原因,采掘活動(dòng)引起的覆巖空間結(jié)構(gòu)演化及應(yīng)力場(chǎng)重新分布是誘發(fā)沖擊地壓的主控因素。
隨著采深不斷增加和開(kāi)采條件日益復(fù)雜,煤礦開(kāi)采期間沖擊地壓多集中在巷道切割、采空區(qū)隔離或斷層夾持等形成煤柱區(qū)域(筆者定義為“煤柱型沖擊地壓”)。與常見(jiàn)的沖擊地壓分類(lèi)方法強(qiáng)調(diào)特定生產(chǎn)技術(shù)因素(超強(qiáng)度組織生產(chǎn)、生產(chǎn)過(guò)度集中、采掘布局不合理、生產(chǎn)造成的地質(zhì)構(gòu)造活化、孤島采煤和防沖措施不合理等)誘發(fā)沖擊地壓機(jī)理不同,煤柱型沖擊地壓側(cè)重分析自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力等疊加后的總應(yīng)力和煤柱支撐能力與煤柱沖擊危險(xiǎn)的內(nèi)在聯(lián)系,從應(yīng)力場(chǎng)角度出發(fā),探索沖擊地壓發(fā)生的共性問(wèn)題。煤柱型沖擊地壓是指受巷道切割、采空區(qū)隔離或斷層夾持形成的煤柱在高應(yīng)力作用下的沖擊失穩(wěn)。
筆者在分析多起煤柱型沖擊地壓事故案例的基礎(chǔ)上,采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法,根據(jù)工程特征和沖擊地壓顯現(xiàn)特點(diǎn),對(duì)煤柱型沖擊地壓進(jìn)行分類(lèi),研究各類(lèi)煤柱型沖擊地壓的發(fā)生機(jī)制,并提出防控措施,為煤礦煤柱型沖擊地壓防控提供理論指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。
新巨龍煤礦2305S 工作面為-810 m 水平二采區(qū)南翼第5 個(gè)工作面,東為待采區(qū),南為-980 m 邊界下山保護(hù)煤柱,西為2304S 采空區(qū),北為-980 m 延伸下山保護(hù)煤柱,煤厚9.2 m,平均采深1 004 m。經(jīng)鑒定,-980 m 水平3 煤層及其頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性,3 煤層單軸抗壓強(qiáng)度17.4 MPa。2305S 工作面傾斜長(zhǎng)度263.5 m,走向長(zhǎng)度1 904 m,采用走向長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤采煤法。
2020 年2 月22 日6 時(shí)17 分,2305S 工作面推進(jìn)至253 m,上平巷發(fā)生一起沖擊地壓事故,造成4人死亡,破壞巷道約486 m,直接經(jīng)濟(jì)損失1 853 萬(wàn)元。事故區(qū)域自上平巷上端頭10 m 處開(kāi)始至420 m處止,巷道明顯變形,部分單元支架損壞,幫部部分錨索梁斷裂,其中上平巷超前100~218 m 段,巷道破壞嚴(yán)重,巷道堵塞,人員無(wú)法通行;3 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷自交叉口向內(nèi)66 m 范圍內(nèi)巷道破壞嚴(yán)重,其中3 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷上口24~40 m 段巷道破壞最為嚴(yán)重,兩幫內(nèi)縮移近量大,頂板錨索梁斷裂下沉,底板底鼓,巷道斷面最小處僅剩1 m2空間,沖擊破壞如圖1 所示。
圖1 2305S 工作面沖擊位置示意Fig.1 Impact position diagram of No.2305S working face
應(yīng)力疊加型沖擊地壓主要特征:煤柱受采空區(qū)轉(zhuǎn)移應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等多種應(yīng)力疊加影響,煤體載荷超過(guò)其極限承載能力而誘發(fā)沖擊破壞,破壞部位集中在煤柱形狀突出部位或疊加應(yīng)力峰值區(qū)域,周邊采空面積大、采掘活動(dòng)擾動(dòng)強(qiáng)、構(gòu)造發(fā)育、巷道或斷層密集切割是這類(lèi)型沖擊地壓的常見(jiàn)影響要素。
趙樓煤礦1305 工作面位于礦井一采區(qū),北靠寬215 m 的1304 采空區(qū),南鄰寬410 m 的1306—1307采空區(qū),屬于典型的孤島工作面。1305 工作面采深871~1 006 m,平均988 m;工作面設(shè)計(jì)傾向長(zhǎng)137 m,推進(jìn)長(zhǎng)度574 m,采用走向長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤采煤法。開(kāi)采煤層厚度2.8~9.0 m,平均6.1 m;煤層傾角1°~11°,平均8°。煤層分叉線穿過(guò)開(kāi)切眼和軌道巷交叉口附近,分岔區(qū)內(nèi)3上煤層厚0.7~1.2 m,平均0.9 m;3下煤層厚2.7~6.4 m,平均4.8 m;分岔間距0.7~14.6 m,平均6.8 m。直接頂為粉砂巖,厚度1.2~8.4 m,平均2.8 m;基本頂為中砂巖,厚度4.6~20.4 m,平均厚度8.3 m。經(jīng)煤巖沖擊傾向性鑒定,煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性,頂板具有弱沖擊傾向性,底板沖擊傾向性未鑒定[14]。
2015 年7 月29 日2 時(shí)49 分,1305 工作面初采時(shí)發(fā)生了一起嚴(yán)重的沖擊地壓事故,如圖2 所示,具體破壞特征:①軌道巷側(cè)自工作面煤壁向外15 m 范圍頂板出現(xiàn)網(wǎng)兜,并有部分漏冒,部分單體支柱歪斜;向外15~60 m 范圍兩幫移近量開(kāi)始增大,最大移近量3 m,單體支柱部分彎曲歪斜,底鼓0.5~1.0 m;60 m 向外,存在底鼓現(xiàn)象;其中30~70 m 范圍受沖擊擠壓影響嚴(yán)重,十字梁棚支設(shè)單體液壓支柱全部歪斜,折斷14 棵;②運(yùn)輸巷側(cè)自工作面煤壁向外40 m范圍內(nèi)13 架鋼棚掉落、38 棵單體液壓支柱彎曲折斷、崩斷錨桿(索)12 根、部分讓壓環(huán)擠壓變形損壞、卸壓鉆孔多數(shù)塌孔;③工作面前部刮板輸送機(jī)受沖擊翻向支架側(cè),損壞支架前梁和護(hù)幫板千斤頂32 個(gè),刮板輸送機(jī)及支架內(nèi)積煤嚴(yán)重,沖擊后煤塵逆風(fēng)揚(yáng)起糊到支架立柱上形成厚2 mm 煤塵,造成工作面支架栽頭、后立柱壓力普遍超30 MPa,60~80 號(hào)支架向后位移,最大1.0 m 左右,煤壁煤塊大量拋入架內(nèi),整個(gè)工作面支架全部被埋,至今無(wú)法回收,損失慘重[15];④事故造成3 人受傷,24 人涉險(xiǎn),直接經(jīng)濟(jì)損失93.87 萬(wàn)元。
圖2 1305 工作面整體失穩(wěn)沖擊示意Fig.2 Overall destabilization impact diagram of No.1305 working face
整體失穩(wěn)型沖擊地壓主要特征:煤柱承載能力和能量集聚能力隨煤柱尺寸增大而增加,處于極限平衡狀態(tài)的煤柱煤體受外界擾動(dòng)時(shí),極易發(fā)生沖擊破壞,破壞面積大、沖擊顯現(xiàn)強(qiáng)烈、沖擊前靜載荷水平高是整體失穩(wěn)型沖擊地壓顯著的特點(diǎn)。
梁寶寺煤礦35000 回風(fēng)集中巷、35000 運(yùn)輸集中巷和35000 軌道集中巷均布置在煤層中,3 條巷道分別與35000 軌回集中一聯(lián)巷交匯將煤體切割成多個(gè)井字形煤柱,埋深1 027 m,煤厚6.5 m。經(jīng)沖擊傾向性鑒定,煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性,頂板具有弱沖擊傾向性,煤體單軸抗壓強(qiáng)度18 MPa。
2016 年8 月15 日0 時(shí)33 分,35000 采 區(qū)發(fā)生一起沖擊地壓事故,造成2 人死亡,破壞巷道約300 m,直接經(jīng)濟(jì)損失324 萬(wàn)元。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析震源位于35000 采區(qū)集中軌道上山和集中運(yùn)輸上山之間,震源位置與最近的35000 工作面距離為379 m,人員傷亡地點(diǎn)與35001 工作面相距324 m,事故位置如圖3 所示。
圖3 35000 采區(qū)沖擊位置示意Fig.3 No.35000 mining area impact location diagram
切割蠕變型沖擊地壓主要特征:煤柱在高靜載應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下,發(fā)生塑性破壞的煤體范圍自邊緣塑性區(qū)開(kāi)始向內(nèi)部擴(kuò)展,煤柱的實(shí)際支撐能力逐漸降低,在輕微擾動(dòng)或無(wú)明顯擾動(dòng)條件下,處于極限平衡狀態(tài)的煤體突然發(fā)生沖擊破壞,沖擊前靜載荷水平高、煤柱形成時(shí)間長(zhǎng)、前兆信息敏感性差是切割蠕變型沖擊地壓的典型特點(diǎn),大巷煤柱是發(fā)生切割蠕變型沖擊地壓的重點(diǎn)管控區(qū)域。
根據(jù)上述3 起典型煤柱型沖擊地壓的工程特征和沖擊顯現(xiàn)特征,可將當(dāng)前我國(guó)煤柱型沖擊地壓分為應(yīng)力疊加型沖擊地壓、整體失穩(wěn)型沖擊地壓和切割蠕變型沖擊地壓3 類(lèi)。
3.1.1 應(yīng)力疊加型沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)估
應(yīng)力疊加型沖擊地壓發(fā)生的主要原因是覆巖空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到煤柱上的疊加應(yīng)力超過(guò)了煤柱發(fā)生沖擊失穩(wěn)的臨界應(yīng)力。根據(jù)“載荷三帶”理論[16-17],地層結(jié)構(gòu)和頂板離層高度是決定采空區(qū)覆巖轉(zhuǎn)移應(yīng)力分布特征的主要影響因素,建立順序開(kāi)采條件下采空區(qū)轉(zhuǎn)移的靜應(yīng)力估算模型[18],如圖4 所示。
圖4 采空區(qū)轉(zhuǎn)移靜應(yīng)力估算模型Fig.4 Estimation model for transfer static stress in mining area
由圖4 可知,采空區(qū)覆巖將1/4 即時(shí)加載帶載荷以及1/2 延時(shí)加載帶載荷傳遞到周邊煤巖體,其中延時(shí)加載帶載荷不僅包含自重,還包括上覆靜載帶巖層的重力。
建立采空區(qū)轉(zhuǎn)移靜應(yīng)力估算模型:
式中:σJ為采空區(qū)轉(zhuǎn)移的靜應(yīng)力;L為采空區(qū)短邊長(zhǎng)度;γ為頂板巖石容重;α為采空區(qū)頂板巖層移動(dòng)角;h為煤層開(kāi)采高度;HDLZ為延時(shí)加載帶高度;MSLZ為靜載帶厚度;H為煤層開(kāi)采深度。
3.1.2 新巨龍煤礦2305S 工作面應(yīng)力疊加型沖擊危險(xiǎn)性分析
根據(jù)新巨龍煤礦2305S 工作面實(shí)際條件,取HILZ=127 m,HDLZ=411 m,MDLZ=284 m,MSLZ=593 m,H=1 004 m,q=7.95 MPa,L=263.5 m,γ=25 kN/m3,α=76°,h=9.2 m,將上述參數(shù)代入式(1)中,計(jì)算得到2305S 采空區(qū)超前靜態(tài)支承壓力σJ-2305S:
巷道開(kāi)挖轉(zhuǎn)移的支承壓力、斷層兩側(cè)應(yīng)力分布和覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)施加的動(dòng)載荷受地質(zhì)和開(kāi)采技術(shù)條件影響,在工程尺度上,可用應(yīng)力轉(zhuǎn)移系數(shù)k來(lái)近似表達(dá)。
巷道切割煤體后,原先由巷道開(kāi)挖煤體支撐的載荷向巷道兩側(cè)轉(zhuǎn)移形成圍巖支承應(yīng)力場(chǎng)σJ-sc,可用下式表示:
式中:k1為巷道開(kāi)挖引起的靜態(tài)支承壓力峰值與原巖應(yīng)力的比值;l1為巷道開(kāi)挖引起的靜態(tài)支承壓力峰值距巷幫的距離。
斷層附近煤巖體集聚了大量能量,構(gòu)造應(yīng)力分布形態(tài)跟斷層的落差成正相關(guān)關(guān)系,將斷層兩側(cè)應(yīng)力分布形態(tài)近似為等腰三角形,可得斷層兩側(cè)應(yīng)力分布表達(dá)式:
式中:k2為斷層單側(cè)構(gòu)造應(yīng)力峰值;l2為斷層單側(cè)構(gòu)造應(yīng)力峰值距斷層面的距離。
采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)移對(duì)工作面煤體施加的動(dòng)載荷受發(fā)生破斷或回轉(zhuǎn)巖層的巖性、厚度、層位和距煤壁的距離等因素影響,為便于定量化計(jì)算,可在采空區(qū)覆巖轉(zhuǎn)移的靜態(tài)支承壓力影響范圍內(nèi)按照漸變載荷進(jìn)行簡(jiǎn)化處理:
式中:k3為覆巖運(yùn)移對(duì)煤體施加的動(dòng)應(yīng)力峰值;l3為覆巖運(yùn)移對(duì)煤體施加的動(dòng)應(yīng)力峰值距工作面煤壁的距離。
根據(jù)2305S 工作面實(shí)際條件,取k1=1.1,l1=15 m,k2=1.4,l2=80 m,k3=1.2,l3=134 m,新巨龍煤礦2305S工作面支承壓力疊加,如圖5 所示,圖中曲線1 代表2305S 工作面超前靜態(tài)支承壓力,曲線2 代表2303S-2304S 采空區(qū)側(cè)向靜態(tài)支承壓力,曲線3 代表兩巷開(kāi)挖轉(zhuǎn)移的靜態(tài)支承壓力,曲線4 代表聯(lián)絡(luò)巷開(kāi)挖轉(zhuǎn)移的靜態(tài)支承壓力,曲線5 代表斷層構(gòu)造轉(zhuǎn)移的構(gòu)造應(yīng)力。
圖5 2305S 工作面支承壓力疊加示意Fig.5 No.2305S Working Face support pressure superimposed diagram
由圖5 可知,受采空區(qū)超前支承壓力、采空區(qū)側(cè)向支承壓力、巷道開(kāi)挖轉(zhuǎn)移支承壓力、斷層構(gòu)造應(yīng)力等疊加影響,2305S 工作面上平巷側(cè)應(yīng)力集中程度較高,尤其是上平巷與聯(lián)絡(luò)巷、FD8 斷層夾持形成的孤立煤體區(qū)域,如圖5 中紅色虛線方框所示,疊加后的支承壓力最大值達(dá)到69.36 MPa,達(dá)到工作面煤體單軸抗壓強(qiáng)度(17.4 MPa)4.0 倍。
3.1.3 應(yīng)力疊加型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理
根據(jù)上述分析可知,煤體在自重應(yīng)力、采空區(qū)和巷道轉(zhuǎn)移應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等疊加作用下應(yīng)力高度集中,當(dāng)疊加應(yīng)力超過(guò)煤體發(fā)生沖擊失穩(wěn)的臨界值時(shí),煤體將在細(xì)微擾動(dòng)或無(wú)擾動(dòng)條件下發(fā)生沖擊失穩(wěn)。
3.2.1 孤立煤體覆巖結(jié)構(gòu)特征
整體失穩(wěn)型沖擊地壓是指覆巖空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移的載荷超過(guò)了孤立煤體的極限承載能力,導(dǎo)致孤立煤體發(fā)生整體沖擊失穩(wěn)。周邊采空區(qū)覆巖空間結(jié)構(gòu)類(lèi)型決定了向孤立煤體傳遞的載荷大小,根據(jù)采動(dòng)情況,將覆巖空間結(jié)構(gòu)劃分為兩側(cè)非充分采動(dòng)、一側(cè)非充分采動(dòng)一側(cè)充分采動(dòng)、兩側(cè)充分采動(dòng)3 類(lèi),如圖6所示。
圖6 孤立煤體覆巖結(jié)構(gòu)類(lèi)型示意Fig.6 Schematic diagram of the overburden structure type of isolated coal body
開(kāi)采前,孤立煤體承擔(dān)兩側(cè)采空區(qū)覆巖轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的靜態(tài)載荷,如圖6 中紅色虛線方框所示,其中非充分采動(dòng)側(cè)地層中部分關(guān)鍵層保持完整并仍承擔(dān)自身及上覆巖層的載荷,孤立煤體承擔(dān)這部分載荷的一半。對(duì)于充分采動(dòng)側(cè)地層中所有關(guān)鍵層均發(fā)生破斷,為便于估算,設(shè)立2 個(gè)假設(shè):①達(dá)到充分采動(dòng)條件,巖層裂隙和離層剛發(fā)育到基巖頂端;②上覆巖層厚度和強(qiáng)度相差不大,沒(méi)有賦存巨厚巖層,孤立煤體僅承擔(dān)采空區(qū)邊緣側(cè)懸臂端巖梁結(jié)構(gòu)自重及其上覆巖層載荷的一半。
3.2.2 孤立煤體支承壓力估算
孤立煤體承擔(dān)的載荷Q由煤層至地表的自重Q0和兩側(cè)采空區(qū)轉(zhuǎn)移載荷Q1、Q2三部分組成,即
當(dāng)孤立煤體兩側(cè)均為非充分采動(dòng)時(shí),頂板裂隙發(fā)育高度為約為采空區(qū)短邊長(zhǎng)度的一半,孤立煤體承擔(dān)載荷可用下式進(jìn)行估算:
孤立煤體自重受兩側(cè)采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)類(lèi)型影響,可用下式表示
當(dāng)孤立煤體為一側(cè)非充分采動(dòng)、一側(cè)充分采動(dòng)頂板結(jié)構(gòu)時(shí),充分采動(dòng)側(cè)主關(guān)鍵層發(fā)生破斷,頂板裂隙發(fā)育高度達(dá)到最大值并保持不變,孤立煤體承擔(dān)的自重為
非充分采動(dòng)側(cè)覆巖轉(zhuǎn)移載荷與式(4)相同,充分采動(dòng)側(cè)覆巖空間結(jié)構(gòu)傳遞載荷Q2為
一側(cè)非充分采動(dòng)、一側(cè)充分采動(dòng)頂板結(jié)構(gòu)的孤立煤體承擔(dān)的載荷為
當(dāng)兩側(cè)均為充分采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)時(shí),孤立煤體承擔(dān)的載荷為
3.2.3 孤立煤體整體沖擊失穩(wěn)危險(xiǎn)性評(píng)估
孤立煤體承受的載荷超過(guò)自身承載能力極限時(shí),孤立煤體整體具備發(fā)生沖擊失穩(wěn)的可能,建立孤立煤體應(yīng)力分布簡(jiǎn)化模型,如圖7 所示。
圖7 孤立煤體應(yīng)力分布簡(jiǎn)化模型Fig.7 Simplified model of stress distribution in isolated coal bodies
巷道掘進(jìn)和工作面回采前實(shí)施大直徑鉆孔卸壓工程,破壞了煤柱的整體性和完整性,降低了工作面煤體邊緣區(qū)域的有效承載能力,導(dǎo)致應(yīng)力向工作面煤體深處轉(zhuǎn)移,建立孤立煤體應(yīng)力沖擊系數(shù)λ判別式:
式中:[σc]為煤體單軸抗壓強(qiáng)度;η為彈性承載區(qū)煤體承載能力跟煤體單軸抗壓強(qiáng)度的比值,一般取3~5[19]。
當(dāng)作用在孤立煤體上的應(yīng)力總和大于工作面煤體的整體承載能力時(shí),孤立煤體具有發(fā)生整體沖擊地壓危險(xiǎn)的可能性。當(dāng)作用孤立煤體上的應(yīng)力總和介于0.6~0.8 倍孤立煤體的承載能力之間時(shí),具有弱整體沖擊危險(xiǎn);當(dāng)作用在孤立煤體上的應(yīng)力總和介于0.8~1.0 倍孤立煤體的整體承載能力之間時(shí),具有中等整體沖擊危險(xiǎn);當(dāng)作用在孤立煤體上的應(yīng)力總和大于1.0 倍工作面煤體的整體承載能力時(shí),具有強(qiáng)整體沖擊危險(xiǎn)。孤立煤體整體沖擊失穩(wěn)危險(xiǎn)等級(jí)劃分見(jiàn)表1。
表1 孤立煤體整體沖擊危險(xiǎn)判別方法Table 1 Isolated coal body overall impact hazard discrimination method
3.2.4 趙樓1305 整體沖擊失穩(wěn)危險(xiǎn)性分析
根據(jù)地表沉降觀測(cè)情況,1305 工作面兩側(cè)采空區(qū)均處于非充分采動(dòng)階段[10],即1305 工作面覆巖結(jié)構(gòu)類(lèi)型與圖6a 一致,根據(jù)工作面地質(zhì)和開(kāi)采技術(shù)條件,取H=988 m,L0=137 m,L1=215 m,L2=410 m,lp=5 m,lr=4 m,ld=20 m,le=79 m,[σc]=22 MPa,η=4,α1=83°,θ1=83°,γ=25 kN/m3,將上述數(shù)據(jù)代入式(7)和式(12),計(jì)算得到1305 工作面應(yīng)力沖擊系數(shù)λ=1.14,由表1 可知,1305 工作面發(fā)生整體沖擊失穩(wěn)危險(xiǎn)指數(shù)φ=1,即1305 工作面回采前已經(jīng)具備發(fā)生整體沖擊失穩(wěn)的應(yīng)力條件。
3.2.5 孤立煤體整體失穩(wěn)型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理
根據(jù)上述分析,孤立煤體整體失穩(wěn)型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理為:兩側(cè)采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)向孤立煤體轉(zhuǎn)移的載荷加上孤立煤體煤層至地表地層自重的總和超過(guò)了孤立煤體的實(shí)際承載能力,掘進(jìn)巷道和施工大直徑鉆孔卸壓工程進(jìn)一步減弱了孤立煤體的有效支撐面積,導(dǎo)致工作面彈性承載區(qū)煤體集聚了大量的彈性變形能,在遇到采掘活動(dòng)或頂板運(yùn)動(dòng)等輕微擾動(dòng)時(shí),極易誘發(fā)孤立煤體整體沖擊失穩(wěn),一旦發(fā)生沖擊,將造成工作面煤壁及兩巷煤體大范圍、高強(qiáng)度的沖擊破壞。
3.3.1 切割蠕變型沖擊危險(xiǎn)性評(píng)估
切割蠕變型沖擊地壓發(fā)生的主要原因是外部高靜態(tài)應(yīng)力作用下的煤巖體發(fā)生“應(yīng)力腐蝕”導(dǎo)致煤體有效承載能力降低,促使巷道局部區(qū)域應(yīng)力集中程度進(jìn)一步增加,此時(shí)應(yīng)力水平已接近沖擊臨界載荷,當(dāng)受到采掘活動(dòng)施加的微小擾動(dòng)應(yīng)力增量或煤體“應(yīng)力腐蝕”持續(xù)進(jìn)行時(shí),煤巖體載荷超過(guò)了發(fā)生沖擊失穩(wěn)的臨界應(yīng)力,如圖8 所示。
圖8 切割蠕變型沖擊地壓示意Fig.8 Schematic diagram of cut creep type impact ground pressure
由圖8 可知,巷道開(kāi)挖前,三條大巷間煤體的總應(yīng)力Q3可用下式表示:
式中:k為大巷間開(kāi)挖前煤柱的應(yīng)力集中程度。
巷道開(kāi)挖并實(shí)施大直徑鉆孔卸壓工程后,3 條大巷間煤體的總應(yīng)力Q4可用下式表示:
式中:ξ為大巷間彈性承載區(qū)煤體的應(yīng)力沖擊系數(shù)。
根據(jù)總載荷不變的原則,聯(lián)立式(13)、(14)可得
建立煤柱發(fā)生切割蠕變型沖擊失穩(wěn)可能性的判別公式
式中:ω為煤柱發(fā)生切割蠕變型沖擊失穩(wěn)危險(xiǎn)系數(shù);μ為煤柱強(qiáng)度衰減系數(shù),跟煤柱強(qiáng)度、尺寸、周邊擾動(dòng)和時(shí)間有關(guān),取值0~1。
根據(jù)工程實(shí)踐[14],當(dāng)ω小于0.5 時(shí),煤柱具有無(wú)切割蠕變型沖擊失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)0.5≤ω<1.0 時(shí),煤柱具有弱切割蠕變型沖擊失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)1.0≤ω<1.5 時(shí),煤柱具有中等切割蠕變型沖擊失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)ω≥1.5煤柱具有強(qiáng)切割蠕變型沖擊失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),煤柱發(fā)生切割蠕變型沖擊危險(xiǎn)等級(jí)劃分見(jiàn)表2。
表2 煤柱發(fā)生切割蠕變型沖擊危險(xiǎn)判別方法Table 2 Method for identifying the risk of cutting creep type impact in coal pillars
3.3.2 梁寶寺煤礦35000 采區(qū)大巷切割蠕變沖擊危險(xiǎn)性分析
根據(jù)梁寶寺35000 采區(qū)工況,取H=1 027 m,[σc]=18 MPa,γ=25 kN/m3,L0=50 m,lr=4.5 m,ld=15 m,η=4,考慮到埋深、褶曲構(gòu)造、大巷服役年限等因素,取k=2.0,μ=0.7。上述參數(shù)代入到式(16),計(jì)算得到煤柱發(fā)生切割蠕變型沖擊失穩(wěn)危險(xiǎn)系數(shù)ω=1.72。
3.3.3 切割蠕變型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理
高靜態(tài)應(yīng)力為切割蠕變型沖擊地壓發(fā)生提供了基礎(chǔ)應(yīng)力條件,巷道不合理切割、褶曲構(gòu)造發(fā)育或斷層夾持導(dǎo)致煤體有效支撐能力降低從而進(jìn)一步增大了應(yīng)力集中程度,當(dāng)集中應(yīng)力超過(guò)彈性承載區(qū)煤體極限承載能力時(shí),煤柱將發(fā)生切割蠕變型沖擊失穩(wěn)。大埋深、遠(yuǎn)離采掘工作面、巷道或斷層密集分布是發(fā)生切割蠕變型沖擊地壓的典型特征。
根據(jù)應(yīng)力疊加型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理可知,將施加在煤柱上的動(dòng)靜應(yīng)力之和降低到誘發(fā)沖擊失穩(wěn)的臨界應(yīng)力之下,是防治應(yīng)力疊加型沖擊地壓的根本原則。
4.1.1 優(yōu)化煤柱留設(shè)寬度
在采空區(qū)覆巖達(dá)到穩(wěn)沉狀態(tài)后,采空區(qū)支承壓力分布范圍及峰值位置基本確定,區(qū)段煤柱留設(shè)寬度決定了沿空巷道的支承壓力水平;另一方面,巷道側(cè)向壓力影響范圍一般為巷高的3.5 倍,巷道布置間距過(guò)小,巷道側(cè)向支承壓力將發(fā)生疊加,巷間煤體發(fā)生沖擊失穩(wěn)的可能性進(jìn)一步增大。為保障沿空巷道的防沖安全,煤柱留設(shè)應(yīng)遵循以下原則:采空區(qū)應(yīng)不留或少留煤柱;隔離煤柱留設(shè)尺寸盡量小;保護(hù)煤柱尺寸盡量大。
一般情況下,薄及中厚煤層隔離煤柱0~4 m,保護(hù)煤柱100~150 m;在具備采用“負(fù)煤柱”巷道布置條件的礦井,可以將沿空巷道布置到上區(qū)段采空區(qū)內(nèi),此時(shí)厚及特厚煤層隔離煤柱-3~6 m;保護(hù)煤柱200~300 m。
4.1.2 控制工作面推采速度
按照能量守恒理論,回采前煤層儲(chǔ)存的彈性變形能和頂板勢(shì)能相等;回采后,頂板勢(shì)能一部分通過(guò)頂板破斷、回轉(zhuǎn)和震動(dòng)等形式釋放,另一部分轉(zhuǎn)化為彈性變形能儲(chǔ)存于臨近煤層。工作面勻速推采時(shí),頂板達(dá)到其極限跨距后發(fā)生初次破斷,隨后頂板將產(chǎn)生周期性破斷,此時(shí)工作面推采速度和頂板周期破斷步距之間成正相關(guān)關(guān)系。
從能量角度分析,當(dāng)工作面快速推采時(shí),頂板周期性破斷步距隨之增大,頂板因不能及時(shí)垮落導(dǎo)致釋放的頂板勢(shì)能比重減小,相應(yīng)地,轉(zhuǎn)化成彈性變形能儲(chǔ)存于煤層的頂板勢(shì)能增大,發(fā)生沖擊失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)隨之增加。當(dāng)工作面非勻速推采時(shí),煤層中彈性變形能集中釋放,而頂板運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出斷裂步距離散性大的特點(diǎn),通過(guò)頂板運(yùn)動(dòng)釋放頂板勢(shì)能的速率不均衡,導(dǎo)致工作面前方煤層中集聚的彈性變形能急劇增加,發(fā)生沖擊失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)增大。
從應(yīng)力角度分析,當(dāng)回采工作面快速推進(jìn)時(shí),低位巖梁懸臂端長(zhǎng)度增加、應(yīng)力峰值增量增大,嵌入端長(zhǎng)度減小、應(yīng)力峰值位置距煤壁距離減小、增壓載荷影響范圍減小[20],低位巖梁運(yùn)動(dòng)向煤體施加的動(dòng)載跟推采速度呈正相關(guān)。根據(jù)“載荷三帶”理論[15-16]可知,工作面推采過(guò)“見(jiàn)方”位置后,采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育高度(即時(shí)加載帶巖層厚度)達(dá)到最大,覆巖空間結(jié)構(gòu)向煤體施加的靜載基本不變。綜上所述,在覆巖空間結(jié)構(gòu)不變的情況下,保持工作面低速、勻速推進(jìn),可減小低位巖梁運(yùn)動(dòng)對(duì)煤體施加的動(dòng)載降低,覆巖空間結(jié)構(gòu)施加到煤體的疊加應(yīng)力,有利于降低工作面煤體尤其是開(kāi)采擾動(dòng)區(qū)域煤體的沖擊危險(xiǎn)性。
4.1.3 對(duì)工作面頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破
頂板不能及時(shí)垮落時(shí),頂板與煤層或矸石間存在離層空間,隔斷了載荷垂直頂板向下傳遞的路徑,導(dǎo)致載荷向頂板巖梁嵌固端或觸矸端轉(zhuǎn)移,這為煤層集聚彈性變形能提供了力源。對(duì)工作面頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破,人為降低頂板破斷步距和懸頂長(zhǎng)度,降低了頂板運(yùn)動(dòng)施加給煤層的動(dòng)載荷,增加了頂板運(yùn)動(dòng)釋放頂板勢(shì)能的頻率和比重,轉(zhuǎn)移到煤層中的彈性變形能比重隨之減小,降低了煤層的靜載應(yīng)力水平。
整體失穩(wěn)型沖擊地壓的本質(zhì)是彈性承載區(qū)煤體承載的載荷超出了其極限承載能力,防治此類(lèi)沖擊地壓圍繞降低煤柱承載的載荷和提高其極限承載能力兩方面開(kāi)展工作。
4.2.1 施工大直徑卸壓鉆孔
對(duì)于寬度較小的孤立煤體,可在工作面煤壁或兩巷回采幫實(shí)施深孔大直徑鉆孔,消除彈性承載區(qū)或促使彈性承載區(qū)往遠(yuǎn)離采掘作業(yè)地點(diǎn)的方向轉(zhuǎn)移。對(duì)于寬度較大的孤立煤體,可在工作面煤壁或兩巷回采幫實(shí)施“密淺孔+稀深孔”的大直徑鉆孔施工方案,在消除孤立煤體彈性承載區(qū)的基礎(chǔ)上保留其一定的承載能力。
4.2.2 優(yōu)化工作面寬度設(shè)計(jì)
在進(jìn)行開(kāi)采設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮采空區(qū)寬度對(duì)覆巖穩(wěn)沉的影響,盡量避免留設(shè)孤島煤柱。當(dāng)必須留設(shè)孤立煤體時(shí),應(yīng)根據(jù)周邊采空區(qū)地表沉降觀測(cè)結(jié)果研究是否達(dá)到充分采動(dòng),并計(jì)算開(kāi)采孤立煤體能否導(dǎo)致主關(guān)鍵層發(fā)生破斷,辨識(shí)誘發(fā)沖擊危險(xiǎn)性發(fā)生突變的防沖關(guān)鍵工作面。在兼顧其他災(zāi)害防控和礦井生產(chǎn)條件的前提下,若采空區(qū)地表未達(dá)到充分沉降,應(yīng)盡可能增大接續(xù)工作面的寬度。
4.3.1 優(yōu)化巷道層位布置
加強(qiáng)切割蠕變型沖擊地壓主要與巷間寬度和煤巖體的承載能力有關(guān)。為了采掘接續(xù),將大巷布置在煤層中并增大煤巷間距雖有利于防沖,但將造成大量煤炭資源浪費(fèi)。通過(guò)掘巖巷或半煤巖巷來(lái)變相增加巷道煤柱寬度或盡可能保留其完整性,可有效降低巷間煤體發(fā)生蠕變的程度和范圍,盡可能降低應(yīng)力集中程度,減小發(fā)生切割蠕變型沖擊失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。
4.3.2 煤柱監(jiān)測(cè)預(yù)警
巷間煤體在長(zhǎng)期服役期間存在“應(yīng)力腐蝕”效應(yīng),這種現(xiàn)象隨周邊采掘條件變化和斷層構(gòu)造活化等情況發(fā)生緩慢地、隱蔽性的變化。在具有沖擊危險(xiǎn)的巷間煤柱布設(shè)應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)或開(kāi)展CT 反演等監(jiān)測(cè)預(yù)警措施,可有效掌握巷間煤體的應(yīng)力狀態(tài),當(dāng)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象時(shí),及時(shí)采取卸壓解危措施。
1)通過(guò)3 起典型煤柱型沖擊地壓工程案例分析,將當(dāng)前我國(guó)煤柱型沖擊地壓分為應(yīng)力疊加型沖擊地壓、整體失穩(wěn)型沖擊地壓和切割蠕變型沖擊地壓3 類(lèi)。
2)分別建立了3 類(lèi)煤柱型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的力學(xué)模型,揭示了3 類(lèi)煤柱型沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理,提出了3 類(lèi)煤柱型沖擊危險(xiǎn)的評(píng)估方法和防治對(duì)策。
3)由于我國(guó)礦井開(kāi)采深度和規(guī)模愈來(lái)愈大,實(shí)際生產(chǎn)中還會(huì)遇到很多具有隱蔽性的煤柱型沖擊地壓類(lèi)型,在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中需要加強(qiáng)對(duì)這些隱蔽性煤柱型沖擊風(fēng)險(xiǎn)的判識(shí)和防治工作。
筆者以3 類(lèi)煤柱型沖擊地壓案例為背景,揭示了3 類(lèi)煤柱型沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理和防治對(duì)策。實(shí)際生產(chǎn)條件十分復(fù)雜,煤柱可簡(jiǎn)化定義為對(duì)頂板具有一定支撐能力的、部分區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力疊加的煤體,這樣定義可將很多隱蔽性的沖擊地壓囊括進(jìn)來(lái),目的是重點(diǎn)研究上覆巖層載荷和煤柱自身特性對(duì)煤柱沖擊危險(xiǎn)的影響。實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)因地制宜地運(yùn)用現(xiàn)有研究手段,注重對(duì)隱蔽性沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)的排查、判別和防治。