曹民遠(yuǎn)，李 康，閆瑞兵，杜濤濤

(1.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830027；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計研究分院，北京 100013)

0 引 言

寬溝煤礦自2012年在B4煤層綜采工作面首次發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)事故以后，隨著采深增加，綜采工作面附近圍巖應(yīng)力集中程度逐步增強(qiáng)，尤其在沿空煤柱留設(shè)(簡稱區(qū)段煤柱)區(qū)域顯現(xiàn)最為明顯，形成高應(yīng)力煤柱區(qū)。為了解決區(qū)段煤柱產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，目前較為有效的方法是煤柱卸壓，通過爆破、水力壓裂等手段切斷煤柱內(nèi)部或外部的應(yīng)力傳播途徑，阻礙上覆巖層的應(yīng)力傳遞并提前釋放煤柱內(nèi)部的集聚能量，從而達(dá)到卸除煤柱集聚載荷的目的[1]。國內(nèi)外學(xué)者對煤柱留設(shè)及卸荷開展了較為深入的研究。祁和剛等[1]通過研究發(fā)現(xiàn)葫蘆素2-1煤留設(shè)的30 m區(qū)段煤柱在側(cè)向支承壓力作用下對底板巖層的影響較大，其承壓破壞帶覆蓋整個巷道底板范圍，并提出了高位“鉆、切、壓”一體化技術(shù)切斷覆巖應(yīng)力傳遞，低位煤層小孔徑爆破技術(shù)釋放煤柱內(nèi)的集聚載荷的高應(yīng)力區(qū)段煤柱綜合卸荷技術(shù)；王志強(qiáng)等[2]針對華豐煤礦沖擊地壓發(fā)生的影響因素研究，提出了負(fù)煤柱開采保護(hù)層的防沖新方法；尉瑞等[3]通過現(xiàn)場原位測試方法得出了淺埋綜放沿空小煤柱巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；張明等[4]揭示了厚硬巖層運(yùn)動和煤柱應(yīng)力演化之間的關(guān)系及其組成系統(tǒng)失穩(wěn)規(guī)律，提出了采場“厚硬巖層-煤柱”結(jié)構(gòu)模型；張震等[5]利用高頻電磁波CT技術(shù)建立了基于電磁波衰減特征參數(shù)指標(biāo)的煤柱穩(wěn)定性評價方法；孫福玉[6]、王福軍[7]、李慎鋒等[8]通過對區(qū)段煤柱應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析研究，并提出了綜合防治技術(shù)，進(jìn)一步豐富了區(qū)段煤柱應(yīng)力防治技術(shù)體系。但目前針對區(qū)段煤柱的沖擊地壓防治研究主要針對煤柱留設(shè)和單項卸壓工程的參數(shù)設(shè)定等方面，針對性開展傾斜煤層上行開采條件下的區(qū)段煤柱側(cè)的應(yīng)力分布研究較少，特別是區(qū)段煤柱附近綜合解壓工程研究仍缺乏，因此,筆者通過對寬溝煤礦區(qū)段煤柱應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)合研究結(jié)果開展煤柱側(cè)煤體爆破與大直徑鉆孔卸壓相結(jié)合的工程措施，來解決區(qū)段煤柱側(cè)應(yīng)力集中問題，同時對同類型礦井煤柱側(cè)卸壓解危具有一定的參考意義。

1 工程概況

1.1 礦井概況

神華新疆能源有限責(zé)任公司寬溝煤礦位于呼圖壁縣城西南70 km處，行政區(qū)劃隸屬新疆維吾爾族自治區(qū)昌吉回族自治州呼圖壁縣雀爾溝鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)主要可采煤層自下而上分別為B0、B1、B2、B3、B4-1、B4-1下、B4-2煤層，現(xiàn)開采煤層為B2煤層，B2煤層平均厚度為9.5 m，傾角平均為14°，屬于傾斜特厚煤層。B2煤層采用東西雙翼開采方式，單翼各布置2個綜采放頂煤工作面，目前生產(chǎn)工作面為西翼I010203 工作面，西翼I010203工作面與下部已回采完畢的西翼I010201工作面由寬15 m區(qū)段煤柱隔開。西翼I010203工作面采用走向長壁綜采放頂煤工藝，后退式回采，傾斜長度192 m，可采走向長度1 470 m，采高3.2 m，放煤厚度6.3 m，具體如圖1所示。

圖1 I010203工作面分布

1.2 煤巖層沖擊傾向性

寬溝煤礦B2煤層試樣的動態(tài)破壞時間(DT)測試平均值為254 ms，大于50 ms，小于500 ms，按GB/T 25217.2—2010規(guī)定應(yīng)為弱沖擊傾向性；沖擊能量指數(shù)(KE)的測試平均值為3.20，按GB/T 25217.2—2010規(guī)定應(yīng)為弱沖擊傾向性；彈性能量指數(shù)(WET)的測試平均值為4.09，按GB/T 25217.2—2010規(guī)定應(yīng)為弱沖擊傾向性。單軸抗壓強(qiáng)度(Rc)的測試平均值為24.14，按GB/T 25217.2—2010規(guī)定應(yīng)為強(qiáng)沖擊傾向性。通過對煤層4個沖擊傾向性指數(shù)進(jìn)行模糊計算，得出DT和Rc的隸屬度為0.3，WET和KE的隸屬度各為0.2，綜合判定B2煤層屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性的煤層。

通過測定，B2煤層頂板彎曲能量指數(shù)為177.67 kJ，按GB/T 25217—2010規(guī)定應(yīng)屬Ⅲ類，為具有強(qiáng)沖擊傾向性的頂板巖層；煤層底板彎曲能量指數(shù)為26.82 kJ，按GB/T 25217.1—2010規(guī)定應(yīng)屬Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性的底板巖層。

2 應(yīng)力分布范圍

2.1 回風(fēng)巷上幫應(yīng)力分布

通過對安裝在西翼I010203工作面進(jìn)風(fēng)巷上幫KJ21煤體應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，來研究工作面超前支承壓力影響范圍，具體如圖2所示，認(rèn)為西翼I010203工作面采動影響范圍為超前工作面80.6～110.6 m，顯著影響范圍為超前工作面50 m范圍內(nèi)，為此確定預(yù)卸壓范圍為超前工作面50～120 m。

圖2 進(jìn)風(fēng)巷上幫側(cè)煤體應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

按不同安裝深度的煤體應(yīng)力計進(jìn)行無量綱處理，即把實際的應(yīng)力值除安裝初始應(yīng)力值，得到不同煤柱深度應(yīng)力曲線如圖3所示。通過對不同深度應(yīng)力曲線分析，認(rèn)為煤層側(cè)淺部應(yīng)力高于深部應(yīng)力，距離工作面越遠(yuǎn)，淺部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，靠近工作面的過程，淺部應(yīng)力集中程度升高，實測在4.5 m位置的煤體應(yīng)力集中程度最高。

圖3 進(jìn)風(fēng)巷上幫煤體不同深度應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

2.2 區(qū)段煤柱應(yīng)力分布

煤柱側(cè)煤體應(yīng)力演化過程，根據(jù)安裝在進(jìn)風(fēng)巷下幫KJ21煤體應(yīng)力監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行分析，如圖4所示，認(rèn)為西翼I010203工作面區(qū)段煤柱受采動影響范圍為超前工作面80 m內(nèi)，顯著影響范圍為超前工作面60 m內(nèi)，因此，確定預(yù)卸壓范圍為超前工作面60～80 m。

圖4 進(jìn)風(fēng)巷下幫側(cè)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

按不同安裝深度的煤體應(yīng)力計進(jìn)行無量綱處理，把實際的應(yīng)力除安裝初始應(yīng)力，得到不同煤柱深度應(yīng)力曲線如圖5所示。通過對不同深度應(yīng)力曲線分析，認(rèn)為隨工作面推進(jìn)，煤柱側(cè)深部應(yīng)力集中程度增加，且應(yīng)力集中區(qū)不低于9 m，可能應(yīng)力峰值處于更深的位置。

圖5 區(qū)段煤柱側(cè)向應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

3 區(qū)段煤柱卸壓工程

通過對西翼I010203工作面礦震引起變形顯現(xiàn)的區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計，工作面進(jìn)風(fēng)巷顯現(xiàn)占比90.9%，工作面回風(fēng)巷及中巷顯現(xiàn)占比9.1%，同時進(jìn)風(fēng)巷巷道的下幫(區(qū)段煤柱側(cè))顯現(xiàn)嚴(yán)重程度明顯強(qiáng)于上幫，呈現(xiàn)出明顯的區(qū)段煤柱為中心的應(yīng)力集中區(qū)。為消除區(qū)段煤柱區(qū)集聚的應(yīng)力，分別在西翼I010203工作面施工大直徑鉆孔及煤體爆破孔進(jìn)行超前爆破卸壓。

3.1 煤體爆破卸壓工程

沖擊地壓的致災(zāi)機(jī)理能量論認(rèn)為造成沖擊地壓災(zāi)害顯現(xiàn)的主要根源在于煤巖體本身中積聚的彈性能，受到采動擾動等因素的影響下造成彈性能的集中釋放，產(chǎn)生破壞。煤層爆破卸壓是用爆破的方法減緩其應(yīng)力集中和能量積聚程度，達(dá)到卸壓解危的目的。煤體爆破卸壓能有效消除沖擊地壓發(fā)生的強(qiáng)度條件和能量條件，煤巖體強(qiáng)度和能量弱化后，圍巖的應(yīng)力峰區(qū)發(fā)生擴(kuò)散或者向煤巖體深部轉(zhuǎn)移，降低了工作面或者巷道附近應(yīng)力集中程度，根據(jù)現(xiàn)場實測，煤體爆破中加大裝藥加量能釋放更大的的爆破能，人為地超前誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生， 使沖擊地壓發(fā)生在適合的時間和地點發(fā)生，避免更大的沖擊危險[9]。

根據(jù)相關(guān)研究[10-11]，西翼I010203工作面回風(fēng)巷上幫采取煤體爆破方法對I010201工作面?zhèn)认驊?yīng)力進(jìn)行超前卸壓，鉆孔參數(shù)為：孔徑42 mm，孔長10 m，裝藥長度5 m，孔間距為5 m，垂直煤壁施工，鉆孔仰角14°，正向不耦合裝藥，單孔單次爆破，炸藥采用礦用三級許可乳膠基質(zhì)炸藥，黃土封泥封孔，超前工作面50 m爆破，提前釋放工作面淺部集中區(qū)集聚的應(yīng)力，具體如圖6所示。

圖6 煤體爆破孔施工圖

3.2 煤柱側(cè)大直徑鉆孔卸壓工程

結(jié)合相關(guān)研究結(jié)論[12]，卸壓鉆孔由外向內(nèi)可分為彈性區(qū)、塑性區(qū)及破裂區(qū) 3 類，鉆孔卸壓通過改變鉆孔附近的圍巖體屬性來降低圍巖應(yīng)力集中程度，卸壓鉆孔施工后，鉆孔周圍形成塑性區(qū)，降低圍巖應(yīng)力。當(dāng)卸壓鉆孔的孔間距位于鉆孔應(yīng)力疊加區(qū)時，存在輕度應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力疊加值超過煤體極限強(qiáng)度時，卸壓鉆孔間煤體發(fā)生破壞，釋放煤體內(nèi)部積聚的應(yīng)力及能量，以達(dá)到防治沖擊地壓的目的[13]。李云鵬等[14]根據(jù)鉆孔坍塌前后煤體體積不變原則，得出了卸壓鉆孔塑性區(qū)半徑的計算公式為

(1)

式中：σy為垂直應(yīng)力，MPa；R0為卸壓鉆孔半徑，m；Rp1為最終破裂區(qū)半徑，m；λ為側(cè)壓系數(shù)；c為煤體黏聚力，MPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角，(°)；θ為環(huán)向角度，(°)；m為最終破裂區(qū)半徑與卸壓鉆孔關(guān)聯(lián)參數(shù)，通常取值1.73～2.44；n為修正系數(shù)，通常取1.5～2.5[15]。

按照公式(1)對孔徑133 mm卸壓鉆孔的塑性區(qū)半徑進(jìn)行了計算，相關(guān)參數(shù)通過煤層地質(zhì)報告以及力學(xué)參數(shù)測定報告得出，具體詳見表1。

表1 西翼I010203 工作面地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

通過計算，鉆孔直徑133 mm卸壓鉆孔的塑形區(qū)半徑為0.22～0.52 m。由于計算過程中卸壓鉆孔中塌孔僅增加煤體中的裂隙，而原裂隙區(qū)的半徑不再增大，導(dǎo)致卸壓鉆孔塑性區(qū)半徑數(shù)值相對保守。同時參考相關(guān)研究[16-18]，將區(qū)段煤柱側(cè)大直徑鉆孔塑性區(qū)半徑選定為0.5 m，鉆孔的參數(shù)為：鉆孔間距1 m，孔徑133 mm，孔長9 m，卸壓孔施工位置超前工作面120 m，具體如圖7所示。

圖7 煤體卸壓孔施工圖

4 區(qū)段煤柱工程效果驗證

4.1 煤體爆破工程效果驗證

根據(jù)研究[19-20]，PASAT-M探測技術(shù)能實現(xiàn)煤巖體工程效果的有效驗證。I010203工作面1 398～1 200 m區(qū)域回采前采用PASAT探測劃定了6個沖擊危險區(qū)域，其中位于進(jìn)風(fēng)巷存在2處危險區(qū)域，分別為：位于進(jìn)風(fēng)巷1 270～1 220 m(區(qū)域1)和進(jìn)風(fēng)巷1 336～1 300 m(區(qū)域2)，具體如圖8a所示。PASAT去圖危險程度見表2。針對進(jìn)風(fēng)巷存在的兩處沖擊危險區(qū)域，采用了42 mm孔徑的煤體爆破卸壓，鉆孔參數(shù)按照本研究確定的參數(shù)執(zhí)行，爆破后對進(jìn)風(fēng)巷沖擊危險區(qū)域進(jìn)行了PASAT探測驗證，具體如圖8b所示。通過卸壓前后PASAT探測結(jié)果對比，認(rèn)為煤體爆破孔卸壓效果較為明顯，能起到降低煤體應(yīng)力的效果，設(shè)計的爆破參數(shù)能夠滿足進(jìn)風(fēng)巷淺部應(yīng)力卸壓要求。

表2 PASAT云圖危險程度參數(shù)

圖8 爆破卸壓前后PASAT探測分布

4.2 大直徑鉆孔卸壓工程驗證

煤體大直徑鉆孔卸壓工程驗證采用對卸壓孔施工前后圍巖應(yīng)力變化程度來進(jìn)行驗證，通過安裝在進(jìn)風(fēng)巷下幫(區(qū)段煤柱側(cè))1 265 m的應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，具體如圖9所示。隨著工作面的推進(jìn)，區(qū)段煤柱側(cè)應(yīng)力逐漸增加，當(dāng)工作面回采至4月11日，至石門1 300 m處開始施工大直徑鉆孔，但日推進(jìn)度由之前的1.6 m提高至2.4 m，期間由于卸壓孔的施工對區(qū)段煤柱側(cè)的應(yīng)力產(chǎn)生的一定程度的影

圖9 煤體卸壓與應(yīng)力變化關(guān)系

響，但由于開采強(qiáng)度增加造成采動擾動加劇，造成區(qū)段煤柱側(cè)應(yīng)力仍然呈現(xiàn)一定程度的增長態(tài)勢。當(dāng)卸壓孔施工至4月22日(走向1 277 m)時，區(qū)段煤柱側(cè)應(yīng)力呈現(xiàn)急劇下降態(tài)勢，充分表明大直徑鉆孔卸壓孔能有效降低圍巖應(yīng)力，但卸壓孔施工至一定數(shù)量、形成一定的卸壓面才能達(dá)到降低圍巖應(yīng)力的作用。

5 結(jié) 論

1)通過對進(jìn)風(fēng)巷上幫安裝的煤體應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，認(rèn)為西翼I010203工作面采動影響范圍為超前工作面80.6～110.6 m，顯著影響范圍為超前工作面50 m內(nèi)，為此確定預(yù)卸壓范圍為超前工作面50～120 m。煤層側(cè)淺部應(yīng)力高于深部應(yīng)力，4.5 m位置的煤體應(yīng)力集中程度最高；距離工作面越遠(yuǎn)，淺部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，靠近工作面的過程，淺部應(yīng)力集中程度升高。

2)區(qū)段煤柱側(cè)的應(yīng)力呈現(xiàn)如下變化：西翼I010203工作面區(qū)段煤柱受采動影響范圍為超前工作面80 m范圍內(nèi)，顯著影響范圍為超前工作面60 m內(nèi)，為此確定預(yù)卸壓范圍為超前工作面60～80 m。煤柱側(cè)深部應(yīng)力集中程度隨工作面推進(jìn)而增加，且應(yīng)力集中區(qū)位于9 m以上的深部位置。

3)煤體爆破卸壓前后PASAT探測能量分布云圖對比結(jié)果驗證了煤體爆破能實現(xiàn)預(yù)期卸壓目的。卸壓孔施工前后應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果充分表明大直徑鉆孔能有效降低圍巖應(yīng)力，但卸壓孔施工至一定數(shù)量、形成一定的卸壓面才能達(dá)到降低圍巖應(yīng)力的作用。