賴 敏,陸澤淋,張 璐

(陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721000)

沖擊地壓是發(fā)生在煤礦開采過程中典型動(dòng)力災(zāi)害之一,沖擊地壓可能誘發(fā)煤與瓦斯突出、煤層自燃發(fā)火、冒頂?shù)却紊鸀?zāi)害,造成更為嚴(yán)重的后果[1]。

至今為止,沖擊地壓的防治一般從區(qū)域防治和局部防治兩個(gè)方面進(jìn)行。楊智文[2]通過分析忻州窯煤礦沖擊地壓發(fā)生位置和規(guī)律提出了堅(jiān)硬頂板弱化爆破的沖擊地壓防治方案。齊慶新等[3]通過現(xiàn)場實(shí)踐和模擬分析,得出可以通過應(yīng)力控制實(shí)現(xiàn)有效防治。李躍文等[4]通過分析徐莊煤礦臨近采空區(qū)側(cè)的巷道在堅(jiān)硬頂板的條件下處于掘進(jìn)期間的沖擊危險(xiǎn)情況,并提出了頂板爆破、鉆孔卸壓及降低掘進(jìn)速度的防治方法。陳法兵等[5]通過建立FLAC3D數(shù)值模型,分析了旋采情況下的應(yīng)力分布,并提出通過放炮卸壓達(dá)到卸壓效果的防治方法。秦忠誠等[6]通過分析基本頂初次破斷能量與沖擊地壓臨界應(yīng)力,提出大直徑鉆孔卸壓和頂板深孔預(yù)裂爆破等綜合卸壓措施,以達(dá)到釋放能量和降低應(yīng)力的防治方法。

本文對于園子溝煤礦首采工作面1012001工作面的卸壓措施進(jìn)行了效果分析及參數(shù)優(yōu)化,提出了組合卸壓解危方案。該方案針對與園子溝煤礦首采工作面具有相似條件的具體礦提出,以更有效地降低該條件下工作面發(fā)生沖擊地壓的可能性。

1 工程背景

1012001工作面是園子溝煤礦101盤區(qū)的首采工作面,工作面埋深為722～842 m,周邊工作面仍未采動(dòng),均為實(shí)體煤。正東位置是大巷群,南部為設(shè)計(jì)1012002工作面,主采2號煤層,厚8.05～14.95 m,平均10.37 m,采用綜放開采,煤層底板標(biāo)高為+457 m～+512 m。工作面設(shè)計(jì)五條巷道,北部為一號回風(fēng)巷和二號回風(fēng)巷,二號回風(fēng)巷南部是瓦斯高抽巷,位于工作面偏西北位置,工作面南部為帶式輸送機(jī)巷和輔助運(yùn)輸巷。

主采煤層為2號煤層,其頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖,底板為泥巖與粉砂巖。經(jīng)相關(guān)研究單位鑒定,2號煤層及其頂板具有弱沖擊傾向性,底板無沖擊傾向性。根據(jù)1012001工作面巷道的底煤厚度統(tǒng)計(jì)可知,在工作面停采線前,巷道沿底掘進(jìn),回風(fēng)巷區(qū)域留有1.5 m厚的底煤,帶式輸送機(jī)巷和輔助運(yùn)輸巷區(qū)域留有1 m厚的底煤;停采線之后沿頂掘進(jìn),底煤厚度增加,平均厚度可以達(dá)到5～7 m。

根據(jù)工作面布置圖可以看出,1012001工作面一號回風(fēng)巷北部有一條落差0～3 m的斷層DF27;工作面帶式輸送機(jī)巷和輔助運(yùn)輸巷穿過斷層DF26,該斷層落差0～24 m;工作面南部有一條落差0～5 m的斷層DF25,B3背斜穿過1012001工作面中間部分,X2向斜靠近工作面東部101盤區(qū)輔助運(yùn)輸巷。1012001工作面布置圖如圖1所示。

2 工作面回采期間卸壓方案及效果分析

2.1 卸壓區(qū)域劃分

根據(jù)圖1可以看出回風(fēng)巷區(qū)域和運(yùn)輸巷區(qū)域煤柱寬度有所不同,而根據(jù)停采線前后底煤厚度的不同劃分卸壓區(qū)域。

1012001工作面回采期間采用的預(yù)卸壓措施有幫部卸壓孔、底板卸壓孔以及水力壓裂三種,圖2為工作面回采期間卸壓措施施工范圍圖。為了能夠更有效進(jìn)行卸壓,需要對每一種卸壓措施進(jìn)行效果分析。在工作面范圍內(nèi)選取每一種實(shí)施位置,確定不同卸壓方案的參數(shù),并進(jìn)行合理性分析,明確不同參數(shù)對卸壓措施的不同效果,得出結(jié)論確定最優(yōu)參數(shù)。其中綠色部分表示底板卸壓孔施工范圍,洋紅色部分表示幫部卸壓孔孔深為10 m的卸壓施工范圍,藍(lán)色部分為幫部卸壓孔孔深為20 m的卸壓施工范圍,黃色部分為水力壓裂施工范圍,紅色部分為幫部卸壓孔孔深為15 m的卸壓施工范圍。

2.2 幫部卸壓孔參數(shù)及效果分析

1)幫部卸壓孔參數(shù)。以園子溝煤礦現(xiàn)場的實(shí)際情況、國標(biāo)規(guī)定以及煤礦現(xiàn)有的設(shè)備條件為基礎(chǔ),確定如下參數(shù):鉆孔孔徑153 mm,孔間距在1.0～3.0 m范圍內(nèi),可根據(jù)實(shí)際情況取值,工作面底板距離開孔的高度大約1.0～2.0 m左右的距離,工作面前方最少200 m的距離為幫部卸壓的卸壓范圍,卸壓孔采用單排布置的方式布置在巷道兩幫。表1為具體布置卸壓孔的參數(shù),圖3為該方案布置圖。根據(jù)現(xiàn)場情況應(yīng)當(dāng)注意如果有沖孔等動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生應(yīng)當(dāng)立即停止施工,確保沒有任何安全問題再施工。

2)卸壓效果分析。沖擊地壓的發(fā)生受到地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素的影響,為了避免這兩種因素對卸壓效果的分析造成影響,選取了三個(gè)區(qū)域的卸壓孔進(jìn)行參數(shù)分析,分別為工作面進(jìn)尺在160～260 m范圍內(nèi)的二號回風(fēng)巷煤柱側(cè)、帶式輸送機(jī)巷煤柱側(cè)以及進(jìn)尺在20～50 m范圍內(nèi)的輔助運(yùn)輸巷煤柱側(cè),每一個(gè)區(qū)域的具體鉆孔參數(shù)及施工方式如表2所示。

表2 選定區(qū)域內(nèi)幫部卸壓孔參數(shù)表Table 2 Parameters of pressure relief holes of sidewalls in the selected area

由于考慮煤柱存在的因素,對煤厚對應(yīng)的取值標(biāo)準(zhǔn)都是一致的,因此僅考慮分析大直徑鉆孔深度對卸壓效果的影響。圖4為不同大直徑鉆孔深度鉆屑量平均值的變化曲線。由圖可以看出,鉆孔深度為10 m時(shí),其鉆屑量平均值雖未超鉆屑量預(yù)警值,但其鉆屑量大于15 m和20 m孔深的大直徑鉆孔,證明孔深為10 m時(shí)卸壓效果相對較差。而分析孔深為15 m和20 m的曲線,可以發(fā)現(xiàn)在2～6 m范圍內(nèi)孔深20 m的鉆孔鉆屑量平均值較高;但是在6 m之后逐漸降低,整體效果可得知孔深為20 m時(shí)鉆屑量最低,卸壓效果最好。

圖4 不同大直徑鉆孔深度鉆屑量平均值Fig.4 Mean of drilling cuttings of large-diameter boreholes at different depths

綜上所述,在基礎(chǔ)開采條件相同的情況下,幫部卸壓措施鉆孔深度為10 m時(shí)卸壓效果最差,20 m時(shí)卸壓效果最優(yōu),因此增大幫部大直徑卸壓孔孔深有助于優(yōu)化卸壓效果。

2.3 底板卸壓孔參數(shù)及效果分析

根據(jù)園子溝煤礦1012001工作面的資料可知,停采線后移段增加,煤厚也相對增加,厚度大于5 m。為了避免底煤積聚能量導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生,因此在此范圍內(nèi)采用底板卸壓的方式。工作面底板大直徑鉆孔施工的范圍如圖5所示。

圖5 底板大直徑鉆孔施工范圍示意圖Fig.5 Construction range of large-diameter floor boreholes

圖6中,①號區(qū)域位于帶式輸送機(jī)巷,②號區(qū)域分布在二號回風(fēng)巷和帶式輸送機(jī)巷;①號區(qū)域一排布置兩個(gè)鉆孔,②號區(qū)域一排則布置4個(gè)鉆孔,鉆孔間距為1 m,孔徑153 mm,鉆孔的傾角為30°～45°,鉆孔深度見巖為止。

(a) 二號回風(fēng)巷

(b) 帶式輸送機(jī)巷①號區(qū)域

(c) 帶式輸送機(jī)巷、二號回風(fēng)巷②號區(qū)域

圖7所示為1012001工作面帶式輸送機(jī)巷底板大直徑鉆孔加密前后微震監(jiān)測數(shù)據(jù)對比。由圖可以看出,底板大直徑鉆孔加密前日頻次、日總能量和日最大能量這3個(gè)參數(shù)波動(dòng)很強(qiáng)烈,加密后相對穩(wěn)定,證明加密后卸壓有效控制了底煤彈性能的釋放,一定程度降低了沖擊地壓的發(fā)生危險(xiǎn)。而加密前后日頻次和日最大能量均未超過臨界預(yù)警值,證明底板卸壓方案的有效性。從圖中還可以看出,大直徑鉆孔加密前日總能量有超出臨界預(yù)警值的情況,而加密后沒有;但加密前也僅僅在弱沖擊危險(xiǎn)的范圍內(nèi),由此可以證明底板卸壓方案可以達(dá)到卸壓效果,且加密效果更好,因此一排布置4個(gè)鉆孔為更優(yōu)方案。此處考慮卸壓孔的布置方案對卸壓效果的影響,因此只討論了底板卸壓方案。

圖7 帶式輸送機(jī)巷底板大直徑鉆孔加密前后微震監(jiān)測數(shù)據(jù)對比Fig.7 Comparison of microseismic monitoring data before and after densification of large-diameter floor boreholes in belt conveyor lane

2.4 水力壓裂及效果分析

根據(jù)園子溝煤礦1012001工作面的頂板資料可知,該工作面上方存在堅(jiān)硬的厚砂巖頂板,工作面回采會有懸頂現(xiàn)象發(fā)生,增加沖擊危險(xiǎn)性,因此選擇在二號回風(fēng)巷和帶式輸送機(jī)巷的部分采用水力壓裂的卸壓方式,以處理頂板。對于目前回采的情況來說,上方直接頂影響的程度較高,而上方較厚細(xì)砂巖層并未垮落,因此僅考慮直接頂對于煤層沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的影響。鉆孔壓裂的順序是倒退式壓裂,壓裂從鉆孔底部開始,分3次向孔口壓裂,3個(gè)位置分別距離孔口15 m和21 m,最后一個(gè)便是鉆孔底部,施工的范圍如圖8所示,施工的鉆孔布置如圖9所示,水力壓裂的施工參數(shù)如表3所示。

表3 水力壓裂施工參數(shù)Table 3 Hydraulic fracturing construction parameters

圖8 水力壓裂施工范圍圖Fig.8 Hydraulic fracturing construction range

圖10是水力壓裂措施實(shí)施前后的工作面周期來壓步距統(tǒng)計(jì)的對比圖。據(jù)圖可知,卸壓前平均來壓步距為20.0 m,卸壓后為18.7 m,水力壓裂的卸壓方式有效降低了平均頂板的來壓步距,一定程度上降低了沖擊地壓危險(xiǎn)性。

圖11為水力壓裂前后微震日頻次、總能量、日總能量的統(tǒng)計(jì)情況對比分析。據(jù)圖可知,水力壓裂前工作面的日總能量存在個(gè)別超出預(yù)警值的情況,不過為弱沖擊危險(xiǎn),但是3個(gè)參數(shù)在水力壓裂后均有明顯的降低的情況,由此可說明水力壓裂的措施可有效降低頂板破斷釋放的能量,降低頂板的活動(dòng)強(qiáng)度。

綜上所述,園子溝煤礦1012001工作面回采期間的卸壓方案效果較好,得出如下結(jié)論:①幫部卸壓方案中,卸壓鉆孔孔深10 m時(shí),對比15 m和20 m卸壓效果最差,孔深達(dá)到20 m卸壓效果最強(qiáng),因此對于幫部卸壓最優(yōu)方案是增加鉆孔孔深;②底板卸壓方案中,底板大直徑鉆孔有一排2個(gè)鉆孔和一排4個(gè)鉆孔兩種,通過加密鉆孔可優(yōu)化底板鉆孔卸壓效果;③水力壓裂方案中,實(shí)施卸壓后頂板來壓步距降低,可以證明該方案有效降低了沖擊地壓危險(xiǎn)性,效果較好。

3 優(yōu)化后組合卸壓解危方案

根據(jù)工作面預(yù)卸壓方案的卸壓效果分析,可知幫部、底板卸壓孔和水力壓裂的方案均可以初步達(dá)到卸壓效果;但是經(jīng)過效果分析,采取卸壓方案后仍能監(jiān)測到?jīng)_擊危險(xiǎn),必要采取解危措施,設(shè)計(jì)采用大直徑鉆孔補(bǔ)強(qiáng)卸壓;如果仍達(dá)不到效果,則考慮煤體解危爆破和底板解危爆破。

3.1 優(yōu)化后卸壓方案

經(jīng)過回采期間卸壓方案的效果分析,可對原卸壓方案的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理:幫部卸壓孔參數(shù)將孔深調(diào)整為20 m;底板卸壓孔的爆破孔布置由一排2個(gè)鉆孔調(diào)整為一排布置4個(gè)鉆孔;最后在原有基礎(chǔ)之上增加水力壓裂卸壓措施,能夠更好地處理頂板,減小沖擊危險(xiǎn)性。

3.2 補(bǔ)強(qiáng)卸壓方案

1)大直徑鉆孔補(bǔ)強(qiáng)卸壓。鉆孔孔間距幫部和底板均不大于1 m;幫部鉆孔深度增加不小于5 m,而底板的鉆孔深度為入巖0.5～1.0 m,幫部煤柱側(cè)鉆孔深度不再增加;幫部和底板孔徑不得大于125 mm;卸壓范圍為異常區(qū)域前后10 m。其余的參數(shù)和預(yù)卸壓措施的鉆孔參數(shù)一樣。

2)煤體解危爆破。在幫部大直徑鉆孔補(bǔ)強(qiáng)卸壓措施不足以消除沖擊危險(xiǎn)的情況下,實(shí)施煤體解危爆破,其施工參數(shù)如表4所示。在完成爆破孔裝藥后,爆破順序設(shè)計(jì)為由里向外。

3)底板解危爆破。底板大直徑鉆孔補(bǔ)強(qiáng)卸壓仍無法消除沖擊危險(xiǎn)的情況下,采用底板解危爆破,其施工參數(shù)如表5所示,最終爆破有效長度根據(jù)爆破效果決定,達(dá)到解危效果為止。

4)頂板深孔爆破。根據(jù)第2節(jié)分析結(jié)果,頂板水力壓裂可以保證良好的卸壓效果,為了保證厚度變化對解危卸壓效果的影響,設(shè)計(jì)在特殊區(qū)域增加頂板深孔爆破輔助解危。

4 結(jié)論

本文根據(jù)園子溝煤礦1012001工作面的地質(zhì)資料和基本信息,介紹了回采期間的三種卸壓方案,針對每種方案的效果進(jìn)行細(xì)化分析,將卸壓參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理,并結(jié)合解危措施設(shè)計(jì)了組合卸壓解危方案,得出如下結(jié)論:

1)幫部卸壓孔孔深10 m時(shí)卸壓效果最差,孔深20 m時(shí)卸壓效果相對更優(yōu);底板卸壓孔單排4孔布置要比單排雙孔布置效果更好,水力壓裂卸壓方案能夠更好地減小來壓步距達(dá)到較好頂板卸壓效果。

2)卸壓后仍不能消除危險(xiǎn),則采用大直徑鉆孔補(bǔ)強(qiáng)卸壓的解危方案,若仍存在高應(yīng)力或沖擊危險(xiǎn),則幫部采用煤體爆破解危的方案,底板采用底板爆破解危措施。

3)考慮到煤層厚度的變化影響,在特殊區(qū)域補(bǔ)充設(shè)計(jì)頂、底板深孔爆破輔助解危。