劉永立， 叢 利， 王振鎖

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

沖擊地壓是煤礦深部開采的礦山壓力災(zāi)害之一[1]，在煤礦生產(chǎn)活動中頻繁發(fā)生。“十四五”煤炭科技發(fā)展目標(biāo)中指出，要提高重大災(zāi)害預(yù)防和綜合治理水平[2]。沖擊地壓的防治已成為當(dāng)今研究的熱點，李寶富[3]對特厚煤層巷道沖擊地壓的誘發(fā)機理、上覆巨厚礫巖層移動對沖擊地壓誘發(fā)因素的影響等方面進行研究，建立了沖擊地壓危險性評價的隨機森林模型。藍航[4]針對神新礦區(qū)淺埋煤層開采過程中頻繁發(fā)生的沖擊地壓事故，建立了沖擊地壓能量方程，并分析了每種類型沖擊地壓的能量來源形式和主要致災(zāi)因素。劉少虹[5]研究了煤及煤巖體的動、靜載荷影響，探討了煤及煤巖體結(jié)構(gòu)特性在動靜加載下發(fā)生顯著改變而導(dǎo)致動載沖擊地壓發(fā)生的機理。解嘉豪[6]通過采前預(yù)評價與監(jiān)測防治措施相結(jié)合的方法，對沖擊地壓危險進行了有效預(yù)測和控制，取得了良好的效果。張國華等[7]對東保衛(wèi)煤礦回采巷道圍巖松動特征進行了分析，針對原有的支護方案進行了針對性的優(yōu)化設(shè)計，通過FLAC數(shù)值模擬和現(xiàn)場工業(yè)測試進行了驗證，解決了該巷道動壓顯現(xiàn)的問題，提升了巷道支護效果，預(yù)防了沖擊地壓的發(fā)生。桑鵬程等[8]分析了孤島工作面沿空掘巷應(yīng)力分布特征及沖擊地壓發(fā)生的原因，分析了高靜載主導(dǎo)、強動載誘發(fā)的動靜載疊加誘沖機理，提出了高強錨桿內(nèi)強支護體、大直徑鉆孔弱結(jié)構(gòu)體、原巖應(yīng)力外強結(jié)構(gòu)體為一體的支護和卸壓協(xié)同控制技術(shù)。

目前，陜蒙地區(qū)深部礦井普遍采用雙巷掘進留設(shè)寬煤柱的布置，部分工作面上方賦存厚硬砂巖層，導(dǎo)致回采巷道靜載荷集中程度高，頻繁發(fā)生沖擊顯現(xiàn)現(xiàn)象，給煤礦安全生產(chǎn)帶來極大挑戰(zhàn)。筆者以葫蘆素煤礦21103綜采工作面回采巷道為例，研究高靜載型回采巷道沖擊地壓顯現(xiàn)特征，并以此提出卸壓防治技術(shù)，為陜蒙地區(qū)深部礦井沖擊地壓的防治提供參考。

1 工程背景

葫蘆素煤礦21103綜采工作面是葫蘆素煤礦主采工作面，西鄰21102采空區(qū)，東鄰21104綜采工作面。工作面可采走向長度3 840 m，沿工作面傾向長度320 m，煤層傾角約3°，平均煤厚2.54 m，留設(shè)30 m煤柱。工作面開采范圍較大，上方賦存多組厚硬砂巖頂板，如圖1所示?；夭善陂g厚硬砂巖層會與下部砂質(zhì)泥巖層發(fā)生離層現(xiàn)象，進而形成大面積懸頂，不易垮落，導(dǎo)致煤柱高靜載荷應(yīng)力集中。高靜載荷超過內(nèi)部儲能極限后，巷道出現(xiàn)底鼓、煤柱幫鼓、錨桿錨索脫落等沖擊地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。

圖1 21103綜采工作面工程概況Fig. 1 General situation of 21103 fully mechanized working face

2 數(shù)值模擬

利用FlAC3D5.0對高靜載作用下的21103綜采工作面實際工況進行數(shù)值仿真模擬，研究煤柱集中高靜載荷分布規(guī)律和工作面開采前后圍巖應(yīng)力演化規(guī)律，優(yōu)化卸壓參數(shù)，提升防沖效果。

2.1 模型的建立

按照圖1的工作面實際賦存狀態(tài)建立數(shù)值模型，沿工作面方向長600 m、工作面推采方向長360 m，采用庫倫-摩爾模型，共計單元體116 200個，并對模型賦值表1力學(xué)參數(shù)。其中，h為巖層厚度，ρ為巖層密度，K為體積模量，G為剪切模量，c為內(nèi)聚力，φ為內(nèi)摩擦角，σt為抗拉強度，模型如圖2所示。

表1 煤、巖力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值模擬模型Fig. 2 Numerical simulation model

2.2 工作面推采前后的應(yīng)力演化

2.2.1 煤柱應(yīng)力

工作面推采前后煤柱應(yīng)力分布，如圖3所示。工作面推采前，回風(fēng)巷一側(cè)煤柱應(yīng)力峰值為29.105 MPa；當(dāng)工作面推進60 m時，回風(fēng)巷一側(cè)煤柱應(yīng)力峰值為41.54 MPa；當(dāng)工作面推進120 m時，回風(fēng)巷一側(cè)煤柱應(yīng)力峰值為44.92 MPa；當(dāng)工作面推進180 m時，回風(fēng)巷一側(cè)煤柱應(yīng)力峰值為43.67 MPa。開始煤柱應(yīng)力呈上升趨勢，隨著工作面推進應(yīng)力峰值在43 MPa左右，內(nèi)部高靜載荷集中。

圖3 工作面推采前后煤柱應(yīng)力分布Fig. 3 Stress distribution of coal pillar before and after pushing mining in working face

2.2.2 圍巖應(yīng)力

沿著模型x、y方向(圖2)的水平剖面圍巖應(yīng)力演化如圖4所示，由圖4a可知，工作面開采前21103回風(fēng)巷道兩幫，即煤柱側(cè)和工作面臨空側(cè)應(yīng)力集中較高，尤其在煤柱臨近21103回風(fēng)巷一側(cè)的應(yīng)力分布大于工作面臨空側(cè)。煤柱內(nèi)的硐室和聯(lián)絡(luò)巷附近的應(yīng)力集中較高于煤柱臨空側(cè)。由圖4b～d可知，21103工作面回采時，煤柱超前工作面至68 m范圍內(nèi)出現(xiàn)高應(yīng)力集中，工作面及臨近回風(fēng)巷一側(cè)應(yīng)力集中區(qū)呈“L”型分布。

圖4 工作面推采前后圍巖應(yīng)力分布Fig. 4 Stress distribution of surrounding rock before and after pushing mining in working face

工作面超前區(qū)域和滯后區(qū)域的圍巖應(yīng)力峰值變化規(guī)律如圖5所示。超前工作面0～4 m范圍頂板垂直應(yīng)力呈上升趨勢；在4～8m達到峰值；超前工作面8～40 m范圍頂板垂直應(yīng)力呈下降趨勢，該范圍應(yīng)力值為30～35 MPa。根據(jù)《葫蘆素煤礦2-1煤層煤巖沖擊傾向性鑒定報告》，2-1煤平均單軸抗壓強度為28.519 MPa，應(yīng)該在超前工作面16 m范圍提前采取卸壓解危措施。

圖5 工作面前后圍巖應(yīng)力峰值變化Fig. 5 Stress change of surrounding rock before and after working face

在葫蘆素煤礦21103綜采工作面回采巷道兩幫的超前區(qū)域，應(yīng)該采取切斷力源傳遞、圍巖應(yīng)力向遠場轉(zhuǎn)移的卸壓措施，保證21103綜采工作面順利回采以及工作面的安全接續(xù)。

3 防治技術(shù)

高靜載回采巷道沖擊地壓的發(fā)生與煤柱高應(yīng)力集中有關(guān)。大量研究表明，在煤壁兩幫布設(shè)大直徑鉆孔，可以在煤層區(qū)域形成卸壓帶，從而改善高靜載回采巷道的應(yīng)力集中狀態(tài)[9-12]。通過FLAC3D模擬工作面超前16 m范圍內(nèi)進行鉆孔卸壓，并現(xiàn)場進行工業(yè)測試驗證卸壓效果。

3.1 大直徑鉆孔卸壓方案與圍巖應(yīng)力

該礦最早采用127 mm直徑的鉆孔進行卸壓，但卸壓效果不明顯。為了研究鉆孔的孔長、孔徑和孔距對卸壓效果的影響，設(shè)計21103回風(fēng)巷道兩幫采用大直徑鉆孔卸壓防沖方案。通過數(shù)值模擬分析卸壓鉆孔的長度、直徑、間距對回風(fēng)巷道圍巖應(yīng)力變化的影響，選出最優(yōu)方案到現(xiàn)場實踐并監(jiān)測卸壓效果。使用FLAC3D數(shù)值模擬，建立葫蘆素煤礦21103回風(fēng)巷道兩幫大直徑鉆孔卸壓數(shù)值模型，模型沿工作面方向長度為80 m，沿工作面推采方向長度為10 m，模型高度為39.18 m，單元體合計207 360個，使用FLAC內(nèi)置庫倫-摩爾本構(gòu)模型。21103工作面埋深640.82 m，巖石平均容重2 500 kg/m3，垂直應(yīng)力為16.02 MPa，水平應(yīng)力取0.8倍的垂直應(yīng)力，為12.82 MPa。數(shù)值模擬方案如表2所示,其中，l為鉆孔長度，D為鉆孔直徑，s鉆孔間距，θ為方位角。

表2 大直徑鉆孔卸壓方案

巷道圍巖初始垂直應(yīng)力如圖6所示，從圖6可以看出，未采取大直徑鉆孔卸壓前巷道圍巖應(yīng)力集中程度高，分布范圍集中在回風(fēng)巷兩幫，煤柱側(cè)應(yīng)力高于工作面一側(cè)。煤柱側(cè)距巷道1.65 m處應(yīng)力峰值約22.3 MPa，工作面臨空側(cè)距巷道1.96 m處應(yīng)力峰值約19.1 MPa。

圖6 卸壓前回風(fēng)巷兩幫圍巖應(yīng)力分布Fig. 6 Stress distribution of surrounding rock on two sides of return air roadway before pressure relief

共設(shè)計8組實驗方案，鉆孔長度分別設(shè)計12、15 m，鉆孔直徑分別設(shè)計127、150 mm，鉆孔間距分別設(shè)計1、2 m。具體如前述表2所示，高靜載回采巷道大直徑鉆孔卸壓數(shù)值模擬的水平剖面應(yīng)力云圖如圖7所示，垂直剖面應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖7 回風(fēng)巷兩幫水平剖面圍巖應(yīng)力分布Fig. 7 Stress distribution of surrounding rock in two horizontal sections of return air roadway

圖8 回風(fēng)巷兩幫垂直剖面圍巖應(yīng)力分布Fig. 8 Stress distribution of surrounding rock in two vertical sections of return air roadway

回風(fēng)巷兩幫大直徑鉆孔卸壓各方案應(yīng)力演化規(guī)律如圖9所示。未卸壓時，回風(fēng)巷兩幫附近高應(yīng)力集中，采用兩幫大直徑鉆孔卸壓后，在厚硬頂板重力作用下壓裂鉆孔釋放積聚的彈性能，有效弱化了兩幫高應(yīng)力集中，回風(fēng)巷兩幫應(yīng)力下降，應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，降低了沖擊地壓發(fā)生的風(fēng)險。

圖9 巷道圍巖垂直應(yīng)力分布Fig. 9 Vertical stress distribution of surrounding rock of roadway

回風(fēng)巷卸壓應(yīng)力分析如表3所示，其中，σp為回風(fēng)巷兩幫應(yīng)力峰值，ε為應(yīng)力峰值降低幅度，d為應(yīng)力峰值遠場轉(zhuǎn)移距離。方案3和方案7回風(fēng)巷兩幫應(yīng)力峰值降低幅度最大，煤柱側(cè)約為53.72%，工作面?zhèn)燃s為58.12%。由于方案7回風(fēng)巷兩幫卸壓后應(yīng)力峰值遠場轉(zhuǎn)移距離比方案3大，故方案7的卸壓效果比方案3好。

表3 回風(fēng)巷卸壓方案應(yīng)力分析

通過數(shù)值模擬分析可知，在超前工作面16 m范圍時，采取大直徑鉆孔卸壓可以有效地減緩礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。鉆孔長度影響回風(fēng)巷兩幫應(yīng)力峰值遠場轉(zhuǎn)移的距離，鉆孔直徑影響兩幫應(yīng)力降低幅度，鉆孔間距影響兩幫應(yīng)力集中程度。通過對大直徑鉆孔孔壁的擠壓、破裂、壓實過程釋放掉一部分能量。沖擊顯現(xiàn)時通過壓裂鉆孔釋放積聚的彈性能，弱化了兩幫高應(yīng)力集中，使回風(fēng)巷兩幫應(yīng)力下降，應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，降低了沖擊地壓發(fā)生的風(fēng)險。

3.2 工業(yè)測試

為了驗證在超前工作面16 m范圍內(nèi)大直徑鉆孔卸壓的實踐效果，根據(jù)數(shù)據(jù)模擬結(jié)果，卸壓參數(shù)選擇孔長15 m、孔徑150 mm、孔距1 m對21103回風(fēng)巷進行工業(yè)試驗。如圖10所示。

圖10 應(yīng)力監(jiān)測曲線Fig. 10 Stress monitoring curve

由圖10可以看出，該區(qū)域3次鉆孔卸壓的應(yīng)力降幅分別為7.6、7.2、9.1 MPa，卸壓效果較為明顯。但應(yīng)力值在卸壓后的7～10 d內(nèi)恢復(fù)至施工鉆孔卸壓前水平，說明超前大直徑鉆孔卸壓具有一定的時效性，應(yīng)掌握好超前卸壓施工的頻率，以保證最佳卸壓效果。

4 結(jié) 論

(1)葫蘆素煤礦21103綜采工作面回采前，回風(fēng)巷道兩幫應(yīng)力較集中?；夭蓵r，煤柱超前工作面68 m范圍內(nèi)高應(yīng)力集中；工作面應(yīng)力集中區(qū)呈“L”型分布，超前工作面0～4 m范圍垂直應(yīng)力呈上升趨勢，4～8 m達到最高點，8～16 m呈下降趨勢，應(yīng)在超前工作面16 m范圍提前采取卸壓解危措施。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，兩幫采用大直徑鉆孔卸壓能夠釋放煤層中積聚的彈性能，降低巷道沖擊危險性。鉆孔長度影響回風(fēng)巷兩幫應(yīng)力峰值遠場轉(zhuǎn)移的距離，鉆孔直徑影響兩幫應(yīng)力降低幅度，鉆孔間距影響兩幫應(yīng)力集中程度。方案7回風(fēng)巷兩幫應(yīng)力峰值降低幅度最大，煤柱側(cè)約為53.72%，工作面?zhèn)燃s為58.12%。

(3)現(xiàn)場工業(yè)測試結(jié)果表明，超前工作面16 m范圍內(nèi)進行大直徑鉆孔卸壓效果顯著，應(yīng)力降幅分別為7.6、7.2、9.1 MPa。但是超前大直徑鉆孔卸壓具有一定的時效性，應(yīng)掌握超前卸壓施工的頻率，保證最佳卸壓效果。