徐宏慶,馮芷胥,鄧 飛

(1.山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司,山西晉城048002;2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶400037;3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400037)

1 前言

神東礦區(qū)為我國(guó)機(jī)械化、高效化生產(chǎn)礦區(qū),煤層埋深淺。受生產(chǎn)條件制約,神東地區(qū)礦井初期多采用房柱式開(kāi)采工藝,采空區(qū)殘留有大量的小煤柱礦房與集中煤柱,隨著煤炭淺部資源的日趨枯竭,礦井陸續(xù)向深部延伸開(kāi)采,下部煤層布置綜采工作面回采期間,受到上覆采空區(qū)及集中煤柱雙重動(dòng)載礦壓的影響,形成淺埋煤層強(qiáng)礦壓的現(xiàn)象。在這種條件下,極易發(fā)生工作面壓架,頂板大面積冒落、采空區(qū)積聚氣體大量涌出的現(xiàn)象,給工作面安全回采帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此,礦壓研究學(xué)者針對(duì)工作面過(guò)上覆采空區(qū)集中煤柱期間動(dòng)載礦壓的發(fā)生機(jī)理以及工作面頂板大面積來(lái)壓的機(jī)理做了詳細(xì)研究,并取得了大量成果,但對(duì)于采空區(qū)上覆集中煤柱分布失穩(wěn)范圍以及動(dòng)載規(guī)律有待于進(jìn)一步探索[1-4]。

31201 工作面受上述問(wèn)題制約,工作面回采期間,在上覆采空區(qū)和集中煤柱壓力區(qū)的影響下,推進(jìn)困難,支架壓死事故頻發(fā),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料顯示,31201綜采工作面在推進(jìn)至上覆采空區(qū)集中煤柱12～16 m時(shí),發(fā)生切頂,工作面近100 組支架被壓死,活柱行程降低至0.3 m 左右,工作面上隅角、回風(fēng)巷道氧氣濃度分別降至10%和14%,地表塌陷位置滯后工作面近40 m,裂隙長(zhǎng)度約200 m,最大深度為80 cm。為杜絕此類事故的再次發(fā)生,本文以31201 工作面為研究對(duì)象,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及理論分析,對(duì)綜采工作面過(guò)上覆采空區(qū)集中煤柱期間動(dòng)載礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究,并在此基礎(chǔ)上,提出相應(yīng)的防治對(duì)策并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,旨在為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐提供一定的借鑒指導(dǎo)[5-6]。

2 工程概況

31201 綜采工作面為3-1#煤層二盤(pán)區(qū)首采面,工作面走向長(zhǎng)度1 865 m,傾斜長(zhǎng)度311.4 m,埋深150 m。工作面基本頂為中、細(xì)粒砂巖,巖層平均厚度為10.5 m;直接頂為砂質(zhì)泥巖,巖層平均厚度為3.0 m;直接底為粉砂巖,巖層平均厚度為3.8 m。區(qū)域可采煤層厚度為3.5 m,煤層平均傾角3°。31201工作面上覆2-2#煤層采空區(qū),工作面與采空區(qū)層間間距為30.5～42 m,平均間距為40 m,31201 工作面北鄰3-1#煤層主要運(yùn)輸大巷,東、南、西側(cè)均為實(shí)體煤,31201 工作面共布置四條巷道,自東向西分別為輔運(yùn)巷道、主運(yùn)巷道、1#回風(fēng)巷道、2#回風(fēng)巷道,31201 工作面巷道布置示意如圖1所示。

圖1 31201 工作面巷道布置示意圖

3 綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特征

3.1 區(qū)域劃分

31201 綜采工作面上覆采空區(qū)區(qū)域分布范圍較為復(fù)雜,根據(jù)礦壓顯現(xiàn)特征的差異性,將31201 綜采工作面上覆區(qū)域劃分為五個(gè)區(qū)域,各區(qū)域自北向南分別為柳根溝上坡段、柳根溝下坡及溝底段、2-2#煤采空區(qū)、過(guò)集中煤柱后以及過(guò)集中煤柱前區(qū)域,各區(qū)域位置分布示意如圖2所示。

圖2 31201 工作面上覆區(qū)域位置分布示意圖

3.2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

以31201 工作面過(guò)集中煤柱前礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究為例進(jìn)行闡釋說(shuō)明,31201 工作面過(guò)集中煤柱前的時(shí)間周期為25 d,每間隔5 個(gè)支架記錄一次工作面割煤后的阻力值,通過(guò)數(shù)值軟件繪制出的31201工作面過(guò)集中煤柱前支架循環(huán)阻力云圖如圖3所示。

圖3 31201 工作面過(guò)集中煤柱前支架循環(huán)阻力云圖

通過(guò)記錄各監(jiān)測(cè)時(shí)段工作面礦壓顯現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),匯總31201 工作面過(guò)集中煤柱前各階段礦壓顯現(xiàn)特征見(jiàn)表1。

從表1 可以看出,31201 工作面過(guò)集中煤柱前期間,上部、中部、下部平均來(lái)壓步距分別為為13.53 m、17.35 m 和14.42 m,平均來(lái)壓步距為15.10 m。上部、中部、下部平均來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度分別為2.53 m、3.35 m 和4.36 m,平均來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為3.41 m,微震事件平均值為4.79E + 05J,方差為4.61E+05J,總體來(lái)壓強(qiáng)度較小,體現(xiàn)為工作面局部來(lái)壓,煤壁最大片幫深度為500 mm。

表1 31201 工作面過(guò)集中煤柱前礦壓顯現(xiàn)特征表

同理,采用相同的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方式對(duì)31201 綜采工作面過(guò)集中煤柱后、2-2#煤采空區(qū)、柳根溝下坡及溝底段以及柳根溝上坡段四個(gè)區(qū)域時(shí)各階段礦壓顯現(xiàn)特征情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),匯總情況見(jiàn)表2。

通過(guò)對(duì)表2 分析可以得出,31201 工作面通過(guò)各區(qū)域期間,礦壓顯現(xiàn)特征主要表現(xiàn)為:

表2 31201 工作面過(guò)不同區(qū)域時(shí)礦壓顯現(xiàn)特征情況匯總表

(1)31201 工作面過(guò)集中煤柱前階段,工作面周期來(lái)壓步距與持續(xù)長(zhǎng)度較短,平均來(lái)壓步距、持續(xù)長(zhǎng)度分別為15.10 m、3.41 m,周期來(lái)壓步距整體呈現(xiàn)出上、下部小,中部大的特點(diǎn)。

(2)31201 工作面過(guò)集中煤柱后階段,該區(qū)域主要受工作面上覆集中煤柱壓力的影響[7],工作面周期來(lái)壓步距與持續(xù)長(zhǎng)度較過(guò)集中煤柱前階段略大,平均來(lái)壓步距、持續(xù)長(zhǎng)度分別為16.75 m、4.12 m,周期來(lái)壓步距整體呈現(xiàn)出上部大,中、下部大的特點(diǎn)。

(3)31201 工作面過(guò)2-2#煤采空區(qū)階段,工作面周期來(lái)壓步距與持續(xù)長(zhǎng)度較短,平均來(lái)壓步距、持續(xù)長(zhǎng)度分別為14.14 m、3.75 m,該區(qū)域上方采空區(qū)無(wú)明顯區(qū)域性差異,故工作面上、中、下部來(lái)壓步距差別較小,周期來(lái)壓步距整體呈現(xiàn)出上、下部大,中部小的特點(diǎn)。

(4)31201 工作面過(guò)柳根溝下坡及溝底段階段,工作面來(lái)壓強(qiáng)度較弱,周期來(lái)壓步距在五個(gè)階段中最長(zhǎng),持續(xù)長(zhǎng)度較短在五個(gè)階段中最短,其平均來(lái)壓步距、持續(xù)長(zhǎng)度分別為19.06 m、2.76 m,周期來(lái)壓步距整體呈現(xiàn)出上、下部大,中部小的特點(diǎn)。

(5)31201 工作面過(guò)柳根溝下坡段階段,工作面來(lái)壓強(qiáng)度較過(guò)柳根溝下坡段顯著增加,工作面周期來(lái)壓步距較長(zhǎng),持續(xù)長(zhǎng)度較短,其平均來(lái)壓步距、持續(xù)長(zhǎng)度分別為18.60 m、4.17 m,周期來(lái)壓步距整體呈現(xiàn)出上、下部大,中部小的特點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)31201 工作面通過(guò)各區(qū)域期間微震事件平均能量與微震事件能量均方差數(shù)據(jù)比對(duì)可知,31201 工作面過(guò)集中煤柱前、后階段,過(guò)柳根溝下坡段階段的微震事件平均能量較大,且三者相差不大,工作面過(guò)2-2#煤采空區(qū)與過(guò)柳根溝下坡及溝底段階段的微震事件平均能量較小,但過(guò)集中煤柱后階段微震事件能量均方差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩者,這表明31201 工作面在過(guò)集中煤柱前階段的礦壓波動(dòng)較為劇烈,工作面推進(jìn)過(guò)程中,存在積聚壓力集中釋放的現(xiàn)象,極易造成工作面大面積壓架事故[8-9],31201 工作面在過(guò)集中煤柱后以及過(guò)柳根溝下坡段階段的礦壓顯現(xiàn)雖然強(qiáng)度較大,但礦壓波動(dòng)不大,在此階段中不足以發(fā)生工作面大面積壓架事故,31201工作面在過(guò)2-2#煤采空區(qū)以及柳根溝下坡及溝底段階段期間,由于工作面頂板受水平擠壓影響,能夠形成較為穩(wěn)定的鉸結(jié)結(jié)構(gòu),礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度相對(duì)較弱[10-11]。

通過(guò)對(duì)不同區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行分析,能夠得出各區(qū)域礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度的關(guān)系為:過(guò)集中煤柱后階段來(lái)壓強(qiáng)度＞過(guò)集中煤柱前階段來(lái)壓強(qiáng)度＞過(guò)柳根溝上坡段階段來(lái)壓強(qiáng)度＞過(guò)柳根溝下坡及溝底段階段來(lái)壓強(qiáng)度＞過(guò)2-2#煤采空區(qū)階段來(lái)壓強(qiáng)度。

4 礦壓控制技術(shù)

4.1 控制技術(shù)方案

針對(duì)31201 工作面在過(guò)集中煤柱后階段礦壓顯現(xiàn)劇烈,工作面易造成大面積壓架事故的問(wèn)題,現(xiàn)提出四種采空區(qū)治理方案,各方案分述如下。

1)充填治理

根據(jù)實(shí)測(cè)勘查,31201 工作面上覆采空區(qū)頂板垮落不嚴(yán)重,采用注漿充填治理方案時(shí),需對(duì)整個(gè)采空區(qū)進(jìn)行充填,采空區(qū)整體充填面積約24 891 m2,共需布置680 個(gè)鉆孔,鉆孔間距為20 m,鉆孔孔深為80 m,累計(jì)打設(shè)鉆孔共54 400 m,采空區(qū)總注漿量為25 429 m3。

采用充填工藝治理采空區(qū)時(shí),注漿材料選用復(fù)合水泥粉煤灰漿液,漿液配比為水∶水泥∶粉煤灰=1∶0.3∶0.9,為保證漿液膠結(jié)后能夠形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),需將漿液密度控制在1.1～1.2 g/cm3,根據(jù)采空區(qū)面積,按照漿液配比比例,共需向注漿鉆孔灌注水、水泥、粉煤灰的量分別為17450 t、5235 t 和17705 t。

2)縮短工作面

31201 工作面傾向長(zhǎng)度為311 m,屬超長(zhǎng)工作面。通過(guò)上述對(duì)不同區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)特征分析,能夠看出工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈程度呈現(xiàn)出中部大,兩端小的特點(diǎn),針對(duì)這一特征,考慮將31201 工作面以中部區(qū)域?yàn)榻?劃分為2 個(gè)長(zhǎng)度在155 m 左右的常規(guī)工作面,兩工作面之間留設(shè)15～20 m 的煤柱,在執(zhí)行此方案的基礎(chǔ)上,累計(jì)損失煤量約7 000 t。

3)定向鉆孔爆破

定向鉆孔爆破的主要目的是破壞采空區(qū)中集中煤柱的穩(wěn)定性,加強(qiáng)上覆采空區(qū)頂板的垮落程度,使基本頂盡快垮落,充填采空區(qū),降低工作面動(dòng)載強(qiáng)度,具體方案:在31201 工作面通過(guò)集中煤柱區(qū)域時(shí),對(duì)采空區(qū)集中煤柱進(jìn)行一次爆破,工作面共布置20 個(gè)鉆孔,鉆孔為孔深67 m,累計(jì)打設(shè)鉆孔1 340 m,炮孔垂深47 m,孔徑為94 mm,各鉆孔間距為12 m,炮孔呈“一”字型布置,沿工作面推進(jìn)方向進(jìn)行爆破,待工作面推進(jìn)至距離集中煤柱30 m 時(shí)進(jìn)行鉆孔,鉆孔角度為36°,鉆孔裝藥長(zhǎng)度為26 m,各鉆孔總裝藥量為260 kg。采用定向鉆孔爆破治理方案時(shí),爆破共需炸藥量為5 200 kg。工作面炮孔布置示意如圖4所示。

圖4 工作面炮孔布置示意圖

4.2 方案對(duì)比選擇

1)技術(shù)對(duì)比

上述三種方案均能降低31201 工作面過(guò)上覆集中煤柱區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度,降低工作面動(dòng)載強(qiáng)度,起到較好的卸壓作用,其中,將超長(zhǎng)距離工作面劃分為兩個(gè)短距離工作面,能夠有效降低采空區(qū)頂板頂板垮落造成的沖擊動(dòng)壓的強(qiáng)度[12],而對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿充填與定向鉆孔爆破施工工藝均在神東煤礦進(jìn)行過(guò)試驗(yàn),收到了較好的效果[13-14],因此,從技術(shù)上來(lái)講,三種方案均可行。

2)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

對(duì)上述三種方案進(jìn)行成本能力核定,計(jì)算得出的經(jīng)濟(jì)對(duì)比情況見(jiàn)表3。

表3 方案經(jīng)濟(jì)對(duì)比情況表

由表3 可以看出,定向鉆孔爆破工藝成費(fèi)用在120 萬(wàn)左右,相較之于其他兩種方案,在經(jīng)濟(jì)上具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),考慮到礦井采空區(qū)治理成本與經(jīng)濟(jì)效益,優(yōu)選定向鉆孔爆破集中煤柱的方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理。

4.3 定向鉆孔爆破治理技術(shù)

根據(jù)31201 工作面上覆采空區(qū)集中煤柱壓力區(qū)的分布情況,確定爆破位置為工作面距集中煤柱40 m處,鉆孔角度設(shè)計(jì)為36°,孔深設(shè)計(jì)為45 m。為保證爆破孔之間留有共同區(qū)域,設(shè)計(jì)鉆孔孔間距為14 m,炸藥單耗0.35 kg/m3,最小抵抗線為8 m,本次爆破為松動(dòng)爆破,主要目的為破壞集中煤柱結(jié)構(gòu),降低其穩(wěn)定性,同時(shí)利用爆破使采空區(qū)基本頂產(chǎn)生裂隙,加速頂板垮落進(jìn)程[15]。集中煤柱爆破示意如圖5所示。

圖5 集中煤柱爆破示意圖

5 爆破治理控制效果評(píng)價(jià)

5.1 礦壓顯現(xiàn)特征

根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,采用定向鉆孔爆破工藝集中煤柱進(jìn)行爆破后,31201 工作面在過(guò)集中煤柱區(qū)域期間,共發(fā)生一次較大頂板來(lái)壓事件,來(lái)壓形式為工作面整體來(lái)壓,平均來(lái)壓步距為8.65 m,來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度約2.3 m,來(lái)壓期間微震事件平均能量為1.23E +05J,數(shù)量為5 個(gè),遠(yuǎn)小于未采取措施時(shí)的數(shù)量,31201 工作面在通過(guò)上覆采空區(qū)集中煤柱期間,未出現(xiàn)壓架事件,工作面頂板穩(wěn)定性大大提高,礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度明顯降低,工作面的安全性得到了有效保障。

5.2 地表塌陷情況

31201 上覆采空區(qū)集中煤柱爆破前期,地表并未及時(shí)出現(xiàn)超前垮塌,間隔一周左右,31201 工作面上部地表出現(xiàn)小范圍塌陷與新增裂隙。裂隙最遠(yuǎn)區(qū)域?yàn)槌肮ぷ髅?5 m,裂隙寬度0.8～15 cm,地表裂隙沿著工作面推進(jìn)方向持續(xù)向前移動(dòng),在工作面通過(guò)集中煤柱30 m 后停止延伸,較之于未采取措施時(shí)工作面過(guò)集中煤柱壓力區(qū)的地表塌陷情況,在范圍、強(qiáng)度上大大降低,爆破治理效果顯著,實(shí)現(xiàn)了較好的動(dòng)載礦壓卸載目標(biāo)。

6 結(jié)論

(1)綜合對(duì)31201 工作面上覆采空區(qū)不同區(qū)域的來(lái)壓步距、來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度以及來(lái)壓期間釋放的能量等參數(shù)進(jìn)行分析,得出各區(qū)域礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度的關(guān)系為:過(guò)集中煤柱后階段來(lái)壓強(qiáng)度＞過(guò)集中煤柱前階段來(lái)壓強(qiáng)度＞過(guò)柳根溝上坡段階段來(lái)壓強(qiáng)度＞過(guò)柳根溝下坡及溝底段階段來(lái)壓強(qiáng)度＞過(guò)2-2#煤采空區(qū)階段來(lái)壓強(qiáng)度。

(2)對(duì)采空區(qū)治理方案進(jìn)行優(yōu)選分析,結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本,最終將定向鉆孔爆破集中煤柱作為治理方案在31201 工作面實(shí)施,通過(guò)對(duì)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、地表塌陷情況進(jìn)行分析,實(shí)踐表明,該方案治理效果顯著,消除了工作面大面積壓架現(xiàn)象,同時(shí),大大降低了工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)載礦壓防治的要求,提高了工作面回采安全性。