邵紅旗
(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)
任何地質(zhì)災(zāi)害都是在相關(guān)致災(zāi)因子具備或達(dá)到一定閾值時(shí)才發(fā)生的,如礦井突水潰砂災(zāi)害必須同時(shí)具備飽和含水砂層、臨界水動(dòng)力條件、潰砂通道及容納水砂空間4個(gè)致災(zāi)因子[1-2];礦山水害的發(fā)生必須同時(shí)具備水源及導(dǎo)水通道2個(gè)致災(zāi)因子[3-4];采空區(qū)“活化”引起的地表塌陷、礦震、地下工程結(jié)構(gòu)物破壞等一系列礦山結(jié)構(gòu)和地質(zhì)環(huán)境采動(dòng)損害,也必須在地質(zhì)力和工程力2大類致災(zāi)因子綜合作用下打破采空區(qū)次生相對平衡結(jié)構(gòu)時(shí)才發(fā)生的[5-6]。沖擊地壓發(fā)生必須同時(shí)具備脆性煤巖體、積累巨大彈性能等致災(zāi)因子[7]。只要找到各種地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)因子,也就容易找到相對應(yīng)的災(zāi)害防治方法。
切頂壓架災(zāi)害作為一種特殊礦井地質(zhì)災(zāi)害,也必須同時(shí)具備一定致災(zāi)因子時(shí)才發(fā)生。大量實(shí)際工程案例顯示,陜北侏羅紀(jì)煤田進(jìn)入煤層群下組煤開采時(shí),需采出上覆各種殘留煤柱,往往伴隨強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)問題,其中尤其普遍且危害性大的動(dòng)壓災(zāi)害就是切頂壓架災(zāi)害[8],往往給礦山企業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)和物力損失。
關(guān)于神府礦區(qū)侏羅紀(jì)煤田薄基巖厚風(fēng)積沙型淺埋近距離煤層群開采切頂壓架災(zāi)害致災(zāi)因子分析及防治技術(shù)方面的研究,前人做過并取得了豐碩成果。文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果顯示,壓架災(zāi)害致災(zāi)因子主要集中在以下6個(gè):殘留煤柱覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)因子[8-15、18-21]、殘留煤柱突變失穩(wěn)因子[16-20]、殘留煤柱覆巖彈性能積聚因子[15]、下煤層工作面覆巖回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)因子[20,22]、殘留煤柱應(yīng)力集中因子[22]及基本頂大面積垮落因子[21]。防治技術(shù)主要集中在以下6個(gè)方面:煤柱邊界預(yù)掘空巷[8-12]、從下煤層施工上仰孔預(yù)爆殘留集中煤柱[8-14、16-22]、人工進(jìn)入上覆采空區(qū)預(yù)爆殘留集中煤柱[18]、充填采空區(qū)[8-12]、殘留煤柱覆巖關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)預(yù)爆[8-12]及注砂充填采空區(qū)[15];還有從采煤工藝技術(shù)角度進(jìn)行預(yù)防的,如合理控制采高[16、17、21]、加快推采速度[16、17、21]、工作面調(diào)斜開采[21]、調(diào)整周期來壓[21]、加大支架工作阻力[21]、提高安全閥開啟壓力[21]。
但據(jù)工程調(diào)研結(jié)果顯示,煤柱邊界預(yù)掘空巷[8-12]及人工進(jìn)入上覆采空區(qū)預(yù)爆殘留集中煤柱[15]防治措施雖經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證,但是適用條件差,工程可借鑒性及可實(shí)施性不強(qiáng),有些礦區(qū)上覆采空區(qū)已經(jīng)封閉,不具備人工進(jìn)入采空區(qū)的條件。從下煤層施工上仰孔預(yù)爆殘留集中煤柱[8-14、16-22]防治技術(shù),施工的鉆孔較淺,必須停止工作面回采,從工作面里面朝回采方向施工上仰淺孔,實(shí)施爆破,影響回采效率。至于充填采空區(qū)[8-12]、殘留煤柱覆巖關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)預(yù)爆[8-12]及注砂充填采空區(qū)[15],僅僅結(jié)合數(shù)值模擬分析對預(yù)防效果進(jìn)行驗(yàn)證,尚未經(jīng)過工程實(shí)踐驗(yàn)證防治效果。故本文采用理論分析與工業(yè)性試驗(yàn)互相印證手段,提煉出頂板結(jié)構(gòu)因子、煤柱動(dòng)力破壞因子及層間巖層因子3大致災(zāi)因子并分析了3大致災(zāi)因子的壓架致災(zāi)機(jī)理;創(chuàng)新性地提出一種不影響工作面正常回采而從下煤層工作面兩側(cè)順槽施工超深(最深達(dá)133 m)、上仰鉆孔,超長裝藥段及專利裝藥技術(shù)[23]綜合爆破上覆采空區(qū)殘留煤柱及其直接頂?shù)慕递d減沖技術(shù),既能弱化煤柱力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到卸壓降低靜載應(yīng)力集中程度目的,又能破壞煤柱覆巖完整性,達(dá)到弱化煤柱覆巖結(jié)構(gòu)破壞運(yùn)動(dòng)形成的沖擊動(dòng)載擾動(dòng)強(qiáng)度雙重目的;利用該技術(shù)在大柳塔某煤礦對3301面、3302面、3303面及3304面4個(gè)工作面過上覆房柱采空區(qū)切頂壓架災(zāi)害進(jìn)行了成功防治。
針對神東礦區(qū)最普遍的2種采礦地質(zhì)條件構(gòu)建2種工程結(jié)構(gòu)模型(圖1):長壁工作面采出上覆集中傾向煤柱及上覆房柱采空區(qū)下回采時(shí)。
各種類型的房柱采空區(qū)在頂板尚未垮落前,均具有一定的潛在勢能,尤其煤柱覆巖中存在厚度大、整體性好、強(qiáng)度高、自承能力強(qiáng)的厚硬關(guān)鍵層頂板時(shí),覆巖破斷將釋放大量的彈性能,主要由體應(yīng)變彈性能Uv、形變彈性能Uf及頂板彎曲彈性能(初次來壓時(shí)Uw1及周期來壓時(shí)Uw2)。其能量大小可用下列公式計(jì)算[24-25]:
Uv=(1-2μ)(1+μ)2ρ2H2/[6E(1-μ)2]
Uf=(1+μ)(1-2μ)2ρ2H2/[3E(1-μ)2]
Uw1=q2L2/576EJUw2=q2L2/8EJ
式中:E——巖層的彈性模量/GPa;
μ——巖層的泊松比;
H——巖層的采深/m;
ρ——巖層的密度/(kg·m-3);
q——作用在巖梁上的均布荷載;
J——巖梁的慣性矩;
L——頂板巖梁的懸伸長度/m。
從上式可以看出,能量的聚積隨采深的增大而增大,也隨采空區(qū)面積即懸頂長度的增大而增大。當(dāng)圍巖中的彈性能積聚到足夠大時(shí),所產(chǎn)生的應(yīng)力超過了煤巖體本身的強(qiáng)度,則彈性能突然釋放,使煤體猛烈破壞,或產(chǎn)生煤的彈射和突出等沖擊礦壓現(xiàn)象,在工作面或巷道中造成動(dòng)壓災(zāi)害。
頂板在垮落前具有的勢能為Ep=mgh,當(dāng)冒落頂板巖層面積大,即質(zhì)量m大時(shí),其勢能Ep則大,當(dāng)采高h(yuǎn)大時(shí),其勢能Ep也大,頂板冒落后勢能轉(zhuǎn)變的動(dòng)能Ek=mv2/2必然也大。以神木某礦3301工作面的采礦地質(zhì)條件作為算例,計(jì)算頂板垮落的沖擊力大小。上覆煤層采高4.4 m,垮落巖層的厚度為5 m,周期來壓步距12 m,工作面傾向?qū)?00 m,垮落巖層密度2 300 kg/m3,則垮落巖層的勢能為809.6×106J,即2.76×104t重量垮落形成的沖擊力。
釋放的應(yīng)變能及位能(重力勢能)轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大的沖擊動(dòng)載是切頂壓架災(zāi)害的動(dòng)力源。這種沖擊動(dòng)載以應(yīng)力波形式向下傳遞給煤柱及層間巖層。
國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[26]:煤的沖擊傾向性4個(gè)指標(biāo)中單軸抗壓強(qiáng)度7≤Rc<14 MPa時(shí),煤體具有弱沖擊傾向性,Rc≥14 MPa時(shí),煤體具有強(qiáng)沖擊傾向性,據(jù)王方田等文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[16-17]顯示,鄂爾多斯市烏蘭煤炭集團(tuán)石圪臺(tái)煤礦3-1-1煤Rc=14.7 MPa,3-1-2煤Rc=15.9 MPa,可知大柳塔礦區(qū)的煤質(zhì)較硬,具有強(qiáng)沖擊傾向性。
眾所周知,煤巖破壞方式分脆性破壞和塑性破壞兩種,具有弱沖擊傾向性煤巖體易發(fā)生塑性破壞,具有強(qiáng)沖擊傾向性煤巖體易發(fā)生脆性破壞。竇林名等[7]相關(guān)研究結(jié)果指出:煤巖是率相關(guān)材料,在加載速率較大時(shí),本身具有弱沖擊傾向性的煤巖體也會(huì)像具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤巖體那樣發(fā)生動(dòng)力沖擊破壞;隨著應(yīng)變率增大,煤巖強(qiáng)度、彈性模量均呈指數(shù)關(guān)系增大,當(dāng)靜載占比較大時(shí),煤巖呈剪切破壞; 當(dāng)動(dòng)載占比較大時(shí),煤巖呈現(xiàn)劈裂甚至爆裂破壞。
由圖1構(gòu)建的2類工程結(jié)構(gòu)模型可知,煤柱是采動(dòng)影響下煤柱覆巖結(jié)構(gòu)破斷運(yùn)動(dòng)形成的強(qiáng)大沖擊動(dòng)載向下傳遞的介質(zhì)和路徑。煤柱的破壞方式?jīng)Q定著其覆巖斷裂及破斷運(yùn)動(dòng)傳遞下來的沖擊動(dòng)載傳遞至層間巖層的大小。若煤柱發(fā)生塑性破壞,延緩了沖擊動(dòng)載對層間巖層的作用時(shí)間,既降低并吸收大量沖擊能,又減緩沖擊力;若煤柱脆性破壞,則作用時(shí)間短且其傳遞沖擊動(dòng)載的能力強(qiáng),會(huì)對層間巖層產(chǎn)生很大的沖擊力。
煤柱因集中靜載應(yīng)力儲(chǔ)存的能量和其覆巖斷裂及破壞運(yùn)動(dòng)傳遞下來的沖擊能之和可用下式表示[25]:
U=(σj+σd)2/2E
(1)
式中:σj——煤柱中的靜載/MPa;
σd——煤柱覆巖傳遞下來的沖擊動(dòng)載/MPa。
式(1)中,σj可用下式計(jì)算:
σj=σj1+σj2=(k+λ)γH
(2)
式中:k——支承壓力集中系數(shù);
λ——構(gòu)造應(yīng)力集中系數(shù);
γ——上覆巖層的容重/(kN·m-3);
H——上覆巖層的厚度/m。
煤柱覆巖斷裂及破壞運(yùn)動(dòng),必將釋放大量的能量,震源震動(dòng)作用,給巖石介質(zhì)施加作用力,使之發(fā)生變形(包括彈性變形和非彈性變形)。假設(shè)煤巖體為彈性各向同性連續(xù)介質(zhì),則礦震產(chǎn)生的應(yīng)力波以兩種不同的波傳播,即縱波和橫波,將產(chǎn)生兩種變形。礦震擾動(dòng)施加給煤柱的沖擊動(dòng)載峰值動(dòng)載σd可用下式[25]表示:
(3)
式中,σdp,τds——P波、S波產(chǎn)生的動(dòng)載/MPa;
ρ——煤巖介質(zhì)密度/(kg·m-3);
vp,vs——P波、S波傳播的速度/(m·s-1);
(vpp)p,(vpp)s——質(zhì)點(diǎn)由P波、S波傳播引起的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度/(m·s-1)。
根據(jù)巖體動(dòng)力破壞的最小能量原理[27],煤柱發(fā)生動(dòng)態(tài)沖擊破壞(即脆性破壞)時(shí)消耗的最小能量可用下式表示:
(4)
式中:σli——煤柱發(fā)生動(dòng)態(tài)沖擊破壞的臨界應(yīng)力。
故根據(jù)式(1)及式(4),可建立煤柱是否發(fā)生動(dòng)態(tài)沖擊破壞的判據(jù)公式,即必須滿足下式煤柱才發(fā)生動(dòng)態(tài)沖擊破壞:
σj+σd>σli
(5)
從上述分析可知,煤柱動(dòng)力失穩(wěn)破壞是切頂壓架災(zāi)害的一大致災(zāi)因子,若能弱化其傳遞沖擊能的能力或切斷沖擊動(dòng)載的傳遞路徑,則能很好地防治切頂壓架災(zāi)害。
層間巖層因子是指,綜采面與上組煤的層間巖層較薄,不足以抵抗煤柱覆巖空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞傳遞下來的沖擊動(dòng)載,以剪切破斷的形式發(fā)生破壞,在工作面實(shí)煤體頂板發(fā)生切頂下沉,若液壓支架不足以抵抗切頂下沉載荷,即會(huì)發(fā)生所謂的切頂壓架災(zāi)害。
關(guān)于層間巖層越厚,切頂壓架災(zāi)害發(fā)生的概率越小的原因,不僅僅是因?qū)娱g距的增大而增強(qiáng)了層間巖層抵抗沖擊動(dòng)載的能力,更重要的是,可利用煤礦開采覆巖破壞移動(dòng)破壞規(guī)律,使工作面避開傳遞下來的沖擊動(dòng)載,而使其作用在工作面后面的采空區(qū)矸石上;原理可從覆巖破斷角方面進(jìn)行分析[11]:從圖2可以看出,層間距較小時(shí),工作面推至煤柱邊界附近(位置a)即會(huì)波及上覆煤柱邊界,造成頂板直接沿破斷線切落,導(dǎo)致壓架發(fā)生;而層間距較大時(shí),工作面推進(jìn)至相同位置處(位置b),覆巖的破斷仍位于煤柱內(nèi)部,直至工作面推至一定距離時(shí)(位置c),才波及到煤柱邊界,而此時(shí)由于工作面距煤柱邊界的距離已很遠(yuǎn),傳遞下來的沖擊動(dòng)載僅能作用于采空區(qū)矸石之上,對工作面支架影響很小,從而降低發(fā)生切頂壓架災(zāi)害的概率。
圖2 不同煤層間距覆巖運(yùn)動(dòng)示意圖[11]Fig.2 Strata movement in different seam interval condition
層間巖層致災(zāi)因子是客觀條件,人為改變該因子的方法較少或效果不顯著,不能像礦井水害防治那樣可通過注漿改造原理把含水層改造成有效隔水層,層間巖層厚度一定不可改變,通過注漿加固層間巖層也只是徒然增大人力和經(jīng)濟(jì)成本,且收效甚微。
從切頂壓架災(zāi)害的三大致災(zāi)因子致災(zāi)機(jī)理分析可知,采空區(qū)殘留煤柱動(dòng)力失穩(wěn)破壞是誘因,頂板結(jié)構(gòu)破斷運(yùn)動(dòng)是力源,層間巖層是承載體。如果層間巖層越厚,壓架概率越?。徊煽諈^(qū)殘留煤柱若由脆性破壞趨向于塑性破壞,則沖擊動(dòng)載作用時(shí)間變長,對頂板運(yùn)動(dòng)破壞形成的沖擊動(dòng)載形成緩沖作用,壓架概率變??;頂板運(yùn)動(dòng)破壞的面積和尺度越小,形成的沖擊動(dòng)載也越小,則壓架概率變小。但層間巖層(承載體)的巖性、厚度及結(jié)構(gòu)是客觀存在且不易人為改變,只能從殘留煤柱動(dòng)力失穩(wěn)破壞因子及頂板結(jié)構(gòu)因子2個(gè)方面尋求壓架災(zāi)害防治方法。
從擾動(dòng)響應(yīng)失穩(wěn)理論[28]角度來看切頂壓架災(zāi)害的話,三大致災(zāi)因子中,煤柱覆巖結(jié)構(gòu)因子是擾動(dòng)量,煤柱動(dòng)力破壞因子是控制量,層間巖層因子是響應(yīng)量。本文基于弱化原理,創(chuàng)新性地提出一種技術(shù)可行經(jīng)濟(jì)合理且不影響下層煤工作面正常回采的綜合爆破煤柱及其直接頂防治技術(shù),是一種既針對擾動(dòng)量又針對控制量的綜合防治方法。具體實(shí)施方法為:從工作面兩側(cè)順槽施工超深(最深達(dá)133 m)上仰定向鉆孔,準(zhǔn)確打中上覆殘留集中寬大煤柱并進(jìn)入煤柱直接頂一定深度,在鉆孔穿過煤柱段至孔底部分裝藥,既爆破綜采工作面上覆殘留煤柱,又爆破煤柱直接頂,對壓架災(zāi)害進(jìn)行有效防治,技術(shù)原理詳見圖3所示。
圖3 綜合爆破防治技術(shù)原理圖Fig.3 Technical schematic of comprehensive blasting control technology
由上述對煤柱動(dòng)力破壞致災(zāi)因子的分析可知,煤柱發(fā)生脆性破壞,是在一定的靜載應(yīng)力作用基礎(chǔ)上,在一定程度的沖擊動(dòng)載強(qiáng)力擾動(dòng)下,超過了煤柱由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐牡呐R界條件而發(fā)生了動(dòng)力破壞,基本原理如圖1中的2個(gè)工程結(jié)構(gòu)模型所示,靜載應(yīng)力水平越高,所需的沖擊動(dòng)載擾動(dòng)程度越小即可發(fā)生脆性破壞;靜載應(yīng)力作用水平越低,所需要的動(dòng)力擾動(dòng)程度越大,才能發(fā)生脆性破壞。爆破殘留煤柱正是利用集中靜載應(yīng)力弱化原理,人為對煤柱制造大量裂隙,既弱化煤柱的物理力學(xué)強(qiáng)度,降低集中靜載應(yīng)力的作用水平,又能減弱煤柱傳遞沖擊動(dòng)載的能力,對沖擊動(dòng)載形成一定的緩沖墊層作用,切斷沖擊動(dòng)載向?qū)娱g巖層的能量傳遞路徑。
爆破煤柱直接頂,就是基于沖擊動(dòng)載擾動(dòng)強(qiáng)度弱化原理,既破壞煤柱頂板的完整性,人為制造裂隙面或缺陷體,減小頂板運(yùn)動(dòng)破壞的尺度,消化吸收沖擊能,使沖擊能傳遞至煤柱之前被消化吸收一部分,又釋放頂板變形積累的彈性能,綜合弱化頂板破斷運(yùn)動(dòng)形成的沖擊動(dòng)載的擾動(dòng)強(qiáng)度,達(dá)到減沖消能的雙重目的。理論依據(jù)為震動(dòng)波在煤巖介質(zhì)中的傳播呈冪函數(shù)衰減規(guī)律,可表示為[25]:
v=v0L-λ
(6)
式中:v——震動(dòng)波傳播處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度/(m·s-1);
v0——震源邊界處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度/(m·s-1);
L——距震源邊界處的距離/m;
λ——衰減系數(shù),與傳播介質(zhì)有關(guān)。
由沖擊動(dòng)載能量傳播衰減規(guī)律可知,煤柱覆巖破斷及運(yùn)動(dòng)形成的沖擊動(dòng)載能量在傳遞至煤柱之前,弱化煤柱直接頂?shù)膹?qiáng)度,降低傳遞沖擊能量的能力,加大沖擊能量的衰減,增加裂隙面消化吸收該沖擊能量,減少對煤柱的沖擊動(dòng)載。
針對爆破防治技術(shù)的弱化原理,有針對性地構(gòu)建了集微震監(jiān)測技術(shù)、震動(dòng)波CT技術(shù)、地表巖移觀測及礦壓觀測于一體的綜合防治效果評價(jià)技術(shù),微震監(jiān)測能對沖擊動(dòng)載擾動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測及效果評價(jià),CT透視反演技術(shù)能對集中靜載應(yīng)力弱化程度及防治效果進(jìn)行評價(jià),地表巖移觀測及礦壓觀測對綜合防治效果提供直觀的評價(jià),對該工程技術(shù)的成功工程應(yīng)用提供了全面保障。
利用該防治技術(shù)在神木某礦3個(gè)工作面的壓架災(zāi)害防治工程中得以成功應(yīng)用[29]。
(1)如圖4及圖5所示,3302工作面從開始回采至推采經(jīng)歷爆破防治區(qū)域,微震監(jiān)測結(jié)果顯示,雖然大能量事件多分布在爆破防治區(qū)域,但是釋放總能量較小,未發(fā)生大能量沖擊動(dòng)載事件,達(dá)到了緩慢釋放能量,弱化沖擊動(dòng)載擾動(dòng)強(qiáng)度目的。
圖4 3302面微震監(jiān)測震動(dòng)事件分布圖Fig.4 Distribution of micro-seismic monitoring seismic events in 3302 working face
圖5 3302面微震事件總能量釋放統(tǒng)計(jì)表Fig.5 Table of total energy release of seismic events in 3302 working face
(2)煤巖體中震動(dòng)波波速與應(yīng)力存在正相關(guān)關(guān)系,故由圖6、7、8所示的震動(dòng)波CT技術(shù)監(jiān)測結(jié)果可知,實(shí)施綜合爆破后,殘留煤柱高集中靜載應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力水平降低了約20%,達(dá)到了弱化集中靜載應(yīng)力目的。
圖6 爆破前CT技術(shù)波速分布圖Fig.6 Distribution of wave velocity of seismic computed tomography before blast
圖7 爆破后CT技術(shù)波速分布圖Fig.7 Distribution of wave velocity of seismic computed tomography after blast
圖8 爆破前、后CT技術(shù)波速差值分布圖Fig.8 The wave velocity difference distribution of seismic computed tomography before and after blast
(3)由圖9所示的地表移動(dòng)觀測結(jié)果顯示,實(shí)施綜合爆破后,在工作面尚未回采到爆破區(qū)域之前,對應(yīng)地表已發(fā)生了沉降變形,達(dá)到了降載減沖的雙重目的。
(4)由圖10可知,工作面回采經(jīng)歷爆破區(qū)域時(shí),井下礦壓觀測結(jié)果顯示,頂板來壓平緩,動(dòng)載系數(shù)小,為綜合防治技術(shù)提供了直觀的效果評價(jià)。
圖9 推采至爆破區(qū)域之前地面沉降變形Fig.9 Settlement deformation of surface before mining to the blast area
圖10 推采至爆破區(qū)域時(shí)礦壓顯現(xiàn)Fig.10 The display of mine stress when mining under the blast area
(1)由切頂壓架災(zāi)害機(jī)理分析可知,殘留煤柱頂板結(jié)構(gòu)因子是擾動(dòng)力源,殘留煤柱動(dòng)力破壞因子是災(zāi)害發(fā)生的誘因,層間巖層因子是響應(yīng)量,是災(zāi)害發(fā)生的體現(xiàn)。
(2)基于集中靜載應(yīng)力弱化原理及沖擊動(dòng)載擾動(dòng)強(qiáng)度弱化原理提出了一種降載減沖的綜合爆破防治技術(shù),并得到了工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證。
(3)有針對性地構(gòu)建了一種集微震監(jiān)測技術(shù)、震動(dòng)波CT技術(shù)、地表巖移觀測及礦壓監(jiān)測于一體的綜合防治效果評價(jià)技術(shù)。