复杂地质条件下巨厚煤层冲击地压诱因分析及防治

白宗荣

(徐州矿务集团有限公司, 江苏 徐州市 221018)

0 引言

冲击地压已成为我国重要的动力灾害之一,其主要表现为煤岩体的突然破坏抛出,其发生具有突发性、瞬时振动性、巨大破坏性,严重制约煤矿安全高效生产。崔木煤矿冲击动力灾害较为严重,自建矿以来发生多次冲击地压事件,且随着矿井进一步开采,冲击显现事件次数逐年上升。究其原因,主要是由于煤层巨厚且具有强冲击倾向性、地质构造相对复杂以及不合理的开采布局导致采掘空间附近产生应力集中,致使矿井冲击危险性明显增高。

研究分析复杂地质条件下巨厚煤层矿井冲击地压的诱因对于冲击地压的防治具有推进作用,国内诸多学者对此开展了针对性研究。杨俊哲等[1]认为厚煤层综放开采条件下,中低位关键层发生悬臂梁直垮式、悬臂梁悬垮式、砌体梁未触矸悬跨式易形成冲击危险性,对此提出了坚硬顶板多点拖动式分段水力压裂冲击防治方法实现顶板岩层超前弱化,减弱动载荷能量。赵毅鑫等[2]结合微震监测数据,认为坚硬顶板破断诱发煤柱区域积聚能量的突然释放,导致工作面冲击地压显现,且震源多在工作面超前50 m范围内沿采空区煤柱侧,主要集中在坚硬顶板断裂后发生压缩、反弹的空间区域。姜福兴等[3]以某矿厚硬顶板条件下针对特厚煤层,运用分层开采技术,研究冲击地压事故发生的机理与治理方法,提出了上层煤柱对下层煤采动影响范围与冲击危险范围的评估方法。邓雪杰等[4]系统分析了特厚煤层分层充填开采技术原理及开采工艺,分别建立了特厚煤层“单分层”和“多分层”开采顶板移动特征弹性地基梁模型,通过力学分析给出相应顶板挠曲线计算公式,并基于第一强度理论提出了顶板失稳判断条件。

近年来,陕西永陇矿区在开采过程中,由于地质条件复杂,煤层巨厚,且实行一次放顶煤开采,随着开采强度的增加,冲击地压显现事件越发频繁,而国内对于复杂地质条件下巨厚煤层冲击地压诱发机制分析研究相对较少。特别是对于崔木煤矿独特的地质条件,目前缺少相对深入的研究,本文基于已发生的冲击地压显现,分析复杂地质条件下巨厚煤层对冲击地压发生的致灾因素,并基于动静载叠加原理[5]确定消除动静载力源冲击地压的防治措施,对类似条件的冲击地压矿井冲击显现分析及防治具有指导借鉴意义。

1 工程背景

崔木煤矿位于陕西永陇矿区,主采3煤层,平均煤厚为16.89 m,单轴抗压强度为19.02 MPa,最大埋深为777.03 m,具有弱冲击倾向性。煤层直接顶为砂泥岩,煤层顶板上方11.21 m处存在15.2 m粗砂岩,对顶板覆岩运动起关键作用;直接底为泥岩及铝质泥岩,钻孔层序见表1。矿井采用盘区式布置,北翼大巷两侧分别布置21盘区、22盘区,北翼3条大巷当前主要服务于22盘区,紧邻21盘区。

表1 K4 7钻孔层序

崔木煤矿地质类型为复杂类型。其中花园阳坡向斜轴部走向近南北向,两翼对称,倾角为5°～9°,轴线向北倾伏,北翼3条大巷基本处于花园阳坡向斜轴部区域,受向斜水平应力影响较大,且由于向斜的存在,大巷留有厚度不一的底煤。大巷临近22盘区侧留有两个遗留煤柱,最近处距离117 m。大巷采用直墙半圆拱形状,宽度为5.4 m、高度为4.5 m,采用网索喷支护。

2 复杂地质条件下巨厚煤层冲击诱因分析

崔木煤矿大巷区域处在复杂地质条件影响下,冲击地压事故频发,北翼带式输送机大巷受冲击地压影响较严重,北翼辅助运输大巷也受一定程度的冲击地压影响。据统计,2019年大巷区域冲击地压事故占矿井冲击灾害事故的80%,如2019年6月16日北翼大巷区域发生一次矿震,此次矿震导致北翼辅运大巷22305风联巷口向里25 m范围内底鼓最大高度约0.7 m;22305风联巷口至5#联巷及5#联巷全段顶板有大量浆皮掉落,北翼辅助轨道位移0.5 m,北翼辅运大巷冲击影响区域顶板1根锚索崩断;北翼五号联巷1道风门合页销子崩断,导致风门无法使用。

结合区域地质和开采技术条件对北翼大巷诱发冲击的因素进行初步分析。

(1)坚硬顶板是影响崔木煤矿冲击地压灾害频发的主要因素之一。崔木煤矿主采3煤为巨厚煤层,且3煤上方11.2 m处存在坚硬的15.2 m厚的粗砂岩。综放开采后由于直接顶坚硬,厚层顶板在工作面开采过程中或采空区侧向边沿变形弯曲,容易聚积大量的弹性能。在坚硬顶板破断或滑移过程中,大量的弹性能突然释放,形成强烈震动,强烈的动载与煤柱区的集中静载叠加,易导致冲击地压灾害的发生。

(2)煤柱区域应力集中也是诱发冲击地压的重要原因。北翼大巷左右侧遗留煤柱均在采空区支撑压力影响范围内,采空区载荷导致应力传递至煤柱区形成区域应力集中,同时由于大巷和联络巷切割煤体形成半孤岛煤柱,各巷道围岩应力相互叠加影响,造成应力分布复杂。而多条巷道交叉产生的锐角煤柱,不仅本身受多方向采动影响,而且承载能力有限,易发生失稳破坏。当工作面向该区域推进时,由于工作面超前支承压力的影响,与该区域的构造应力相叠加,易出现明显的应力增高区。

(3)褶皱区也是促进冲击地压发生的重要因素。崔木煤矿北翼3条大巷基本处于花园阳坡向斜轴部区域,由于高构造应力,积聚的静载处在高位水平,同时由于向斜的存在,位于向斜轴部的北翼大巷局部区域必然会留有底煤,向斜构造的存在与底煤厚度的变化,增加了巷道周围煤体水平应力的大小,从而为冲击地压发生提供高静载条件。当覆岩运动产生的动载与高静载叠加超过煤体极限强度时,北翼大巷区域将发生冲击地压显现,且多表现为巷道底鼓。根据统计,2019年北翼大巷冲击地压显现中巷道底鼓出现的概率占88%。

3 崔木煤矿冲击地压机理分析

冲击地压动力灾害的能量主要来源于煤岩体静载荷σs和采掘扰动的动载荷σd。冲击动力灾害形成的根本原因主要是动静载荷共同作用下煤岩体作用力超过其承载临界载荷σbmin强度发生破坏[6]。当采掘过程中的扰动载荷与煤岩体静载荷形成耦合叠加,且超过煤岩体发生动力灾害的临界应力时,就会诱发冲击地压灾害,其动力灾害表达式可总结为:

式中,σs为静载荷,σd为动载荷,σbmin为临界载荷。

而动静载叠加诱发冲击地区主要表现为以下3种情形。

(1)高静载情形。深部开采中,巷道或采场围岩原岩应力很高,巷道开挖或工作面回采导致巷道或采场周边高静载应力集中,此时应力水平虽未超过但已接近临界载荷,远场矿震产生的微小动载应力增量便可满足动静载叠加诱冲条件,从而导致煤体冲击破坏。

(2)高动载情形。浅部开采中,巷道或采场围岩原岩应力不是很高,但远场矿震强度很大,震动波传至煤体的瞬间动载应力增量增大,巷道或采场周围静载应力与动载应力叠加超过临界载荷导致煤体冲击破坏。此时,矿震的动载应力扰动在煤体冲击破坏时起主导作用。

(3)低临界载荷情形。当煤体中静载应力较低,且矿震引发的动载应力不高时,若采掘空间煤岩体的物理力学性质或应力状态突然变化,导致冲击临界载荷降低,小于动静载叠加应力,也会发生冲击地压。

根据上述矿井地质条件特征分析,可以确定崔木煤矿冲击地压发生实质是半孤岛煤柱、褶曲构造及底煤影响,煤体处于高静载条件,此时应力水平虽未超过但已接近临界载荷,远场覆岩顶板断裂产生的微小动载应力增量便可满足动静载叠加诱冲条件,从而导致煤体冲击破坏,导致了相应区域发生冲击地压的显现。

4 冲击地压防治实践与思考

通过对崔木煤矿冲击地压特征分析,确定诱发深部煤层巷道冲击静载荷主要包括:煤柱区支承压力、构造应力、底板水平应力的过度集中,而诱发动载荷主要为采空区顶板破断的扰动影响。为分源治理诱发冲击地压的动静载力源,现以北翼大巷区域为防治对象,主要采用大直径钻孔与爆破孔消除力源应力集中,以降低巷道周围及煤柱区垂直应力、水平应力的集中,从而防止冲击地压发生。

(1)顶板深孔爆破孔消除动载。为防止坚硬顶板悬顶过大产生较高的超前应力集中及破断过程中的强烈动力扰动,从而形成冲击压力型冲击地压,对顶板进行深孔预裂爆破。顶板预裂爆破参数见表2。

表2 顶板深孔爆破孔参数

(2)煤层大直径钻孔消除静载。巨厚煤层内积聚的大量弹性能是冲击静载来源,且煤柱区处在构造应力与支承压力影响范围内。为减少巷道冲击危险性,降低煤体应力,对煤体进行爆破卸压。爆破孔垂直于煤壁、平行于层面,炮眼深度为7～10 m,爆破孔间距为5 m,炮眼口距底板为0.6～1.2 m(煤层中部,便于施工即可),炮眼直径不小于42 mm。

(3)底板深孔爆破阻断水平应力。由于矿井受向斜构造影响及留底煤水平应力作用,冲击显现主要表现为巷道底鼓,在巷道两底角施工深孔爆破,切断水平应力传递路径,阻止底板冲击发生。在大巷区域布置大直径钻孔,钻孔深度为13 m,倾角为45°,钻孔间距为3 m,每孔装药量为12 kg。

5 结论

(1)分析崔木煤矿复杂地质条件下巨厚煤层冲击地压主要影响特征,认为诱发冲击显现的影响因素主要是坚硬顶板、煤柱区及褶曲构造。

(2)深部煤层巷道群冲击地压发生实质是巷间煤柱、底煤厚度变化以及褶曲构造影响,导致了巷道煤柱区垂直应力超过了冲击临界支承压力,同时底板煤体承受的载荷超过了其极限承载力,相应区域发生冲击地压显现。

(3)崔木煤矿冲击地压防治的关键是降低煤体内积聚的诱冲动静载。针对诱冲力源,需采取针对性的防治动静载的措施,包括消除煤体高静载的煤层大直径钻孔、阻断水平应力的底板深孔爆破、消除顶板运动产生动载的顶板深孔爆破孔。