深部工作面冲击地压组合卸压参数优化实践研究

赖 敏,陆泽淋,张 璐

(陕西麟北煤业开发有限责任公司,陕西 宝鸡 721000)

冲击地压是发生在煤矿开采过程中典型动力灾害之一,冲击地压可能诱发煤与瓦斯突出、煤层自燃发火、冒顶等次生灾害,造成更为严重的后果[1]。

至今为止,冲击地压的防治一般从区域防治和局部防治两个方面进行。杨智文[2]通过分析忻州窑煤矿冲击地压发生位置和规律提出了坚硬顶板弱化爆破的冲击地压防治方案。齐庆新等[3]通过现场实践和模拟分析,得出可以通过应力控制实现有效防治。李跃文等[4]通过分析徐庄煤矿临近采空区侧的巷道在坚硬顶板的条件下处于掘进期间的冲击危险情况,并提出了顶板爆破、钻孔卸压及降低掘进速度的防治方法。陈法兵等[5]通过建立FLAC3D数值模型,分析了旋采情况下的应力分布,并提出通过放炮卸压达到卸压效果的防治方法。秦忠诚等[6]通过分析基本顶初次破断能量与冲击地压临界应力,提出大直径钻孔卸压和顶板深孔预裂爆破等综合卸压措施,以达到释放能量和降低应力的防治方法。

本文对于园子沟煤矿首采工作面1012001工作面的卸压措施进行了效果分析及参数优化,提出了组合卸压解危方案。该方案针对与园子沟煤矿首采工作面具有相似条件的具体矿提出,以更有效地降低该条件下工作面发生冲击地压的可能性。

1 工程背景

1012001工作面是园子沟煤矿101盘区的首采工作面,工作面埋深为722～842 m,周边工作面仍未采动,均为实体煤。正东位置是大巷群,南部为设计1012002工作面,主采2号煤层,厚8.05～14.95 m,平均10.37 m,采用综放开采,煤层底板标高为+457 m～+512 m。工作面设计五条巷道,北部为一号回风巷和二号回风巷,二号回风巷南部是瓦斯高抽巷,位于工作面偏西北位置,工作面南部为带式输送机巷和辅助运输巷。

主采煤层为2号煤层,其顶板为泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩,底板为泥岩与粉砂岩。经相关研究单位鉴定,2号煤层及其顶板具有弱冲击倾向性,底板无冲击倾向性。根据1012001工作面巷道的底煤厚度统计可知,在工作面停采线前,巷道沿底掘进,回风巷区域留有1.5 m厚的底煤,带式输送机巷和辅助运输巷区域留有1 m厚的底煤;停采线之后沿顶掘进,底煤厚度增加,平均厚度可以达到5～7 m。

根据工作面布置图可以看出,1012001工作面一号回风巷北部有一条落差0～3 m的断层DF27;工作面带式输送机巷和辅助运输巷穿过断层DF26,该断层落差0～24 m;工作面南部有一条落差0～5 m的断层DF25,B3背斜穿过1012001工作面中间部分,X2向斜靠近工作面东部101盘区辅助运输巷。1012001工作面布置图如图1所示。

2 工作面回采期间卸压方案及效果分析

2.1 卸压区域划分

根据图1可以看出回风巷区域和运输巷区域煤柱宽度有所不同,而根据停采线前后底煤厚度的不同划分卸压区域。

1012001工作面回采期间采用的预卸压措施有帮部卸压孔、底板卸压孔以及水力压裂三种,图2为工作面回采期间卸压措施施工范围图。为了能够更有效进行卸压,需要对每一种卸压措施进行效果分析。在工作面范围内选取每一种实施位置,确定不同卸压方案的参数,并进行合理性分析,明确不同参数对卸压措施的不同效果,得出结论确定最优参数。其中绿色部分表示底板卸压孔施工范围,洋红色部分表示帮部卸压孔孔深为10 m的卸压施工范围,蓝色部分为帮部卸压孔孔深为20 m的卸压施工范围,黄色部分为水力压裂施工范围,红色部分为帮部卸压孔孔深为15 m的卸压施工范围。

2.2 帮部卸压孔参数及效果分析

1)帮部卸压孔参数。以园子沟煤矿现场的实际情况、国标规定以及煤矿现有的设备条件为基础,确定如下参数:钻孔孔径153 mm,孔间距在1.0～3.0 m范围内,可根据实际情况取值,工作面底板距离开孔的高度大约1.0～2.0 m左右的距离,工作面前方最少200 m的距离为帮部卸压的卸压范围,卸压孔采用单排布置的方式布置在巷道两帮。表1为具体布置卸压孔的参数,图3为该方案布置图。根据现场情况应当注意如果有冲孔等动力现象的发生应当立即停止施工,确保没有任何安全问题再施工。

2)卸压效果分析。冲击地压的发生受到地质因素和开采技术因素的影响,为了避免这两种因素对卸压效果的分析造成影响,选取了三个区域的卸压孔进行参数分析,分别为工作面进尺在160～260 m范围内的二号回风巷煤柱侧、带式输送机巷煤柱侧以及进尺在20～50 m范围内的辅助运输巷煤柱侧,每一个区域的具体钻孔参数及施工方式如表2所示。

表2 选定区域内帮部卸压孔参数表Table 2 Parameters of pressure relief holes of sidewalls in the selected area

由于考虑煤柱存在的因素,对煤厚对应的取值标准都是一致的,因此仅考虑分析大直径钻孔深度对卸压效果的影响。图4为不同大直径钻孔深度钻屑量平均值的变化曲线。由图可以看出,钻孔深度为10 m时,其钻屑量平均值虽未超钻屑量预警值,但其钻屑量大于15 m和20 m孔深的大直径钻孔,证明孔深为10 m时卸压效果相对较差。而分析孔深为15 m和20 m的曲线,可以发现在2～6 m范围内孔深20 m的钻孔钻屑量平均值较高;但是在6 m之后逐渐降低,整体效果可得知孔深为20 m时钻屑量最低,卸压效果最好。

图4 不同大直径钻孔深度钻屑量平均值Fig.4 Mean of drilling cuttings of large-diameter boreholes at different depths

综上所述,在基础开采条件相同的情况下,帮部卸压措施钻孔深度为10 m时卸压效果最差,20 m时卸压效果最优,因此增大帮部大直径卸压孔孔深有助于优化卸压效果。

2.3 底板卸压孔参数及效果分析

根据园子沟煤矿1012001工作面的资料可知,停采线后移段增加,煤厚也相对增加,厚度大于5 m。为了避免底煤积聚能量导致冲击地压的发生,因此在此范围内采用底板卸压的方式。工作面底板大直径钻孔施工的范围如图5所示。

图5 底板大直径钻孔施工范围示意图Fig.5 Construction range of large-diameter floor boreholes

图6中,①号区域位于带式输送机巷,②号区域分布在二号回风巷和带式输送机巷;①号区域一排布置两个钻孔,②号区域一排则布置4个钻孔,钻孔间距为1 m,孔径153 mm,钻孔的倾角为30°～45°,钻孔深度见岩为止。

(a) 二号回风巷

(b) 带式输送机巷①号区域

(c) 带式输送机巷、二号回风巷②号区域

图7所示为1012001工作面带式输送机巷底板大直径钻孔加密前后微震监测数据对比。由图可以看出,底板大直径钻孔加密前日频次、日总能量和日最大能量这3个参数波动很强烈,加密后相对稳定,证明加密后卸压有效控制了底煤弹性能的释放,一定程度降低了冲击地压的发生危险。而加密前后日频次和日最大能量均未超过临界预警值,证明底板卸压方案的有效性。从图中还可以看出,大直径钻孔加密前日总能量有超出临界预警值的情况,而加密后没有;但加密前也仅仅在弱冲击危险的范围内,由此可以证明底板卸压方案可以达到卸压效果,且加密效果更好,因此一排布置4个钻孔为更优方案。此处考虑卸压孔的布置方案对卸压效果的影响,因此只讨论了底板卸压方案。

图7 带式输送机巷底板大直径钻孔加密前后微震监测数据对比Fig.7 Comparison of microseismic monitoring data before and after densification of large-diameter floor boreholes in belt conveyor lane

2.4 水力压裂及效果分析

根据园子沟煤矿1012001工作面的顶板资料可知,该工作面上方存在坚硬的厚砂岩顶板,工作面回采会有悬顶现象发生,增加冲击危险性,因此选择在二号回风巷和带式输送机巷的部分采用水力压裂的卸压方式,以处理顶板。对于目前回采的情况来说,上方直接顶影响的程度较高,而上方较厚细砂岩层并未垮落,因此仅考虑直接顶对于煤层冲击地压灾害发生的影响。钻孔压裂的顺序是倒退式压裂,压裂从钻孔底部开始,分3次向孔口压裂,3个位置分别距离孔口15 m和21 m,最后一个便是钻孔底部,施工的范围如图8所示,施工的钻孔布置如图9所示,水力压裂的施工参数如表3所示。

表3 水力压裂施工参数Table 3 Hydraulic fracturing construction parameters

图8 水力压裂施工范围图Fig.8 Hydraulic fracturing construction range

图10是水力压裂措施实施前后的工作面周期来压步距统计的对比图。据图可知,卸压前平均来压步距为20.0 m,卸压后为18.7 m,水力压裂的卸压方式有效降低了平均顶板的来压步距,一定程度上降低了冲击地压危险性。

图11为水力压裂前后微震日频次、总能量、日总能量的统计情况对比分析。据图可知,水力压裂前工作面的日总能量存在个别超出预警值的情况,不过为弱冲击危险,但是3个参数在水力压裂后均有明显的降低的情况,由此可说明水力压裂的措施可有效降低顶板破断释放的能量,降低顶板的活动强度。

综上所述,园子沟煤矿1012001工作面回采期间的卸压方案效果较好,得出如下结论:①帮部卸压方案中,卸压钻孔孔深10 m时,对比15 m和20 m卸压效果最差,孔深达到20 m卸压效果最强,因此对于帮部卸压最优方案是增加钻孔孔深;②底板卸压方案中,底板大直径钻孔有一排2个钻孔和一排4个钻孔两种,通过加密钻孔可优化底板钻孔卸压效果;③水力压裂方案中,实施卸压后顶板来压步距降低,可以证明该方案有效降低了冲击地压危险性,效果较好。

3 优化后组合卸压解危方案

根据工作面预卸压方案的卸压效果分析,可知帮部、底板卸压孔和水力压裂的方案均可以初步达到卸压效果;但是经过效果分析,采取卸压方案后仍能监测到冲击危险,必要采取解危措施,设计采用大直径钻孔补强卸压;如果仍达不到效果,则考虑煤体解危爆破和底板解危爆破。

3.1 优化后卸压方案

经过回采期间卸压方案的效果分析,可对原卸压方案的参数进行优化处理:帮部卸压孔参数将孔深调整为20 m;底板卸压孔的爆破孔布置由一排2个钻孔调整为一排布置4个钻孔;最后在原有基础之上增加水力压裂卸压措施,能够更好地处理顶板,减小冲击危险性。

3.2 补强卸压方案

1)大直径钻孔补强卸压。钻孔孔间距帮部和底板均不大于1 m;帮部钻孔深度增加不小于5 m,而底板的钻孔深度为入岩0.5～1.0 m,帮部煤柱侧钻孔深度不再增加;帮部和底板孔径不得大于125 mm;卸压范围为异常区域前后10 m。其余的参数和预卸压措施的钻孔参数一样。

2)煤体解危爆破。在帮部大直径钻孔补强卸压措施不足以消除冲击危险的情况下,实施煤体解危爆破,其施工参数如表4所示。在完成爆破孔装药后,爆破顺序设计为由里向外。

3)底板解危爆破。底板大直径钻孔补强卸压仍无法消除冲击危险的情况下,采用底板解危爆破,其施工参数如表5所示,最终爆破有效长度根据爆破效果决定,达到解危效果为止。

4)顶板深孔爆破。根据第2节分析结果,顶板水力压裂可以保证良好的卸压效果,为了保证厚度变化对解危卸压效果的影响,设计在特殊区域增加顶板深孔爆破辅助解危。

4 结论

本文根据园子沟煤矿1012001工作面的地质资料和基本信息,介绍了回采期间的三种卸压方案,针对每种方案的效果进行细化分析,将卸压参数进行优化处理,并结合解危措施设计了组合卸压解危方案,得出如下结论:

1)帮部卸压孔孔深10 m时卸压效果最差,孔深20 m时卸压效果相对更优;底板卸压孔单排4孔布置要比单排双孔布置效果更好,水力压裂卸压方案能够更好地减小来压步距达到较好顶板卸压效果。

2)卸压后仍不能消除危险,则采用大直径钻孔补强卸压的解危方案,若仍存在高应力或冲击危险,则帮部采用煤体爆破解危的方案,底板采用底板爆破解危措施。

3)考虑到煤层厚度的变化影响,在特殊区域补充设计顶、底板深孔爆破辅助解危。