《顶板条带弱化法防治中央大巷冲击地压机制及实践》由会员分享，可在线阅读，更多相关《顶板条带弱化法防治中央大巷冲击地压机制及实践（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 顶板条带弱化法防治中央大巷冲击地压机制及实践 郑建伟,鞠文君,吕大钊,孙晓冬,姜鹏飞,李海涛,付玉凯,杜涛涛,刘 彪(1.煤炭科学研究总院有限公司 深部开采与冲击地压防治研究院,北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013;3.中煤科工开采研究院有限公司,北京 100013;4.陕西煤业化工集团有限责任公司,陕西 西安 710065)浅表煤炭资源储量逐年递减,深部开采势在必行,冲击地压灾害是我国实现深部煤炭安全开采所亟待解决的关键难题之一1-2。自抚顺胜利煤矿首次发生冲击地压事故(1933年)以来,我国大量学者开始对冲击地压展开系统研究,有学者通过对巷
2、道及采场进行力学建模来探索冲击地压发生过程中的力学内涵3-4;有学者采用数值模拟5-6和物理相似模拟7-8对冲击地压进行实验室的重现;有学者借助煤岩组合体的力学行为来研究冲击地压,在实验过程中对试件所施加的载荷也经历了静载荷、动载荷和动静组合的发展历程9-11。经过多年的研究,我国在冲击地压机制、监测预警和防治措施方面形成了一大批具有鲜明特色的高水平研究成果12-13,尤其在防治措施方面,依据不同的致灾机制和对应的开采条件,提出诸多行之有效的防冲措施,如合理优化开拓开采布局、开采保护层14、钻孔卸压、煤层注水软化、切顶爆破15、水力压裂断顶16、区域压裂17、地面压裂18、吸能主动支护以及多种
3、措施组合的协同防冲技术19-22。上述措施在一定程度上对冲击地压的防治起到了关键作用,但是随着开采条件和地质禀赋条件复杂程度增加,以上措施的局限性也越来越引起广泛关注,如矿区开拓开采布局使用条件严格限制;切顶卸压对两旁为实体煤的掘进巷道效果有限;钻孔卸压等技术对于巷道支护系统的支护性能有较大的负面影响;吸能支护在一定程度上是被动防护措施、成本较高且布置密度和强度有一定的限制。综合考虑已有防治措施的优缺点,认为应力控制才是彻底解决巷道冲击地压灾害的最根本途径,但是大范围地改变地应力场的分布特征显然必须面对巨大的人财物力成本。基于此笔者提出顶板条带弱化技术,并且分析了该技术的实现路径和防冲内涵,且
4、在孟村中央大巷复合构造区进行现场实践,并取得良好效果,认为顶板条带弱化法对巷道防冲目的的实现可以起到一定的积极作用。1 研究区概况1.1 开采现状及中央大巷概况孟村煤矿井田位于黄陇侏罗纪煤田彬长矿区中西部,井田面积60.47 km2(东西方向的长度为10.30 km,南北方向的宽度为5.87 km),井田范围内分布稳定的4号煤层(唯一可采),4号煤层埋深700740 m,平均厚度为16.25 m(3.70 26.30 m)。矿井采用立井(3条)开拓方式,一组(5条)东西向的中央大巷将井田分为南北两翼盘区,矿井采用“一井一面”,采用分层综合机械化放顶煤开采方法回收资源,设计生产能力为6.00 M
5、t/a,首采工作面401101布置在401盘区。中央大巷共包括5条大巷,由南至北分别为中央一号回风大巷、中央一号辅助运输大巷、中央运输大巷、中央二号辅助运输大巷和中央二号回风大巷。根据三维勘探及现场掘进过程中的揭露情况,孟村煤矿中央大巷局部横穿其中的3条大型构造形成的复合构造带,分别为塬口子向斜(X1向斜)、谢家咀背斜(B2背斜)和D29断层,受复合构造的影响极大,如图1所示。塬口子向斜(X1向斜)轴线呈NESW向,在孟村煤矿井田内轴长和向斜宽度分别为8.50 km 和2.00 2.20 km,其南翼倾角、北翼倾角和轴部倾角分别为78、57和23。谢家咀背斜(B2背斜)从河川口开始发育(向西)
6、,轴线走向大致平行于X1向斜,该背斜的轴长和宽度分别为7.00 km 和2.50 3.00 km,其南翼倾角和北翼倾角分别为34和78。DF29断层最大落差为38.00 m,倾角为5565,走向大致与两褶曲轴线(X1向斜和B2背斜)平行,且横贯中央大巷。这5条中央大巷均是布置在4号煤层中部的纯煤巷道,中央大巷断面均设计为直墙半圆拱形,采用“锚杆+金属网+锚索+喷射混凝土”的联合支护方式(局部架设U型棚),相邻2条大巷之间煤柱宽度为35.00 m。图1 中央大巷穿越复合地质构造带Fig.1 Complicated geological structures occurred in central
7、 roadway1.2 冲击地压发生现状孟村煤矿中央大巷掘进过程中巷道片帮、冒顶严重,成型较差且煤炮声大,在断层影响区域附近和褶皱附近动力显现越趋于频繁,强度亦相应增加,在掘进工作面处出现煤块弹射现象,极大地影响了掘进工作的开展;同时在硐室巷道密集区域动力显现明显,出现顶板浆皮(喷浆混凝土层)崩出,底板物料弹起等动力现象,严重威胁井下工作人员人身安全。近年来孟村煤矿中央大巷复杂构造区冲击地压显现(事故)频发,对现场生产造成持续的巨大损失,中央大巷冲击地压显现位置如图2所示,最近一次冲击地压发生在2020年5月24日,中央二号辅助运输大巷里程1 200 1 278 m(78 m)范围内突然底臌且
8、达到0.501.00 m,顶板局部金属网撕裂,里程1 2381 278 m 段(40 m)破坏最为严重。图2 中央大巷冲击地压显现(事故)点分布Fig.2 Rockburst distribution of the central roadway1.3 致灾因素分析孟村煤矿主采的4号煤层属于强冲击倾向性(类)煤层,作用在中央大巷的水平应力超过30 MPa,最大水平主应力与东西向巷道(中央大巷等)轴向夹角为6581,侧向应力系数的范围为1.601.96,并且随着测点至源口子向斜(X1向斜)轴部的距离越小,测点的最大水平主应力越大,可以认为孟村煤矿中央大巷附近应力等级高且属于典型的HhV地应力分布
9、类型。中央大巷5条巷道水平布置,多巷近距离布置造成巷间煤柱垂直应力相对较高,会进一步加剧巷道及其煤岩体的应力集中程度增加。简化后的中央大巷围岩应力特征如图3所示(仅对2条巷道进行作图示意),图中P0为中央大巷巷帮初始支承压力;P1为复合构造区内因地质构造形成的附加支承应力;P2为因多条巷道近距离布置在煤柱中形成的次生支承应力23-24;P3为复合构造区中央大巷巷帮围岩内部形成的综合应力;Pm为中央大巷发生冲击地压的阈值。图3 简化后的中央大巷围岩应力特征Fig.3 Stress characteristic of simplified central roadway分析图3可知,具有强冲击倾向
10、的煤层为冲击地压的发生提供了内部因素;复合构造区内(地质赋存)地应力较高,且多巷近距离布置(开拓布置现状)进一步提高了巷道围岩煤岩体所承受的应力等级,也就是说为冲击地压的发生提供了一定的应力条件;同时巷道上方约45.00 m处赋存一层厚度为21.00 m的粉砂岩,为巷道附近能量的集聚提供了良好的“储能”条件。当上覆坚硬顶板在外部应力场作用下集聚的能量增加到其储能极限时就会破断而释放能量,且复合构造区内大巷已处于较高的应力等级,在坚硬顶板破断引起的动载扰动的叠加作用下,达到冲击地压发生的应力阈值时,就会诱发冲击地压灾害。对比处于复合构造影响范围外的巷道,由于受到的构造应力的影响相对较小,在动载扰
11、动叠加的作用下,尚未达到冲击地压发生的应力阈值,因此可以保持稳定;也就是说降低坚硬顶板破断时作用在巷道的动载荷可以有效缓解孟村煤矿中央大巷冲击地压灾害的威胁。2 顶板条带弱化法针对非采动巷道(如中央大巷)而言,上覆坚硬顶板的存在会为巷道附近高等级能量的集聚提供良好的“储能”条件,是诱发冲击地压的潜在因素之一。针对采动巷道而言,坚硬顶板未破断时可以对上覆岩层提供支撑力,且将这部分力转移至前方煤体,导致巷道围岩应力升高,为巷道冲击地压发生提供基础静载荷;坚硬顶板断裂时,上覆岩层会随着坚硬顶板的失稳而垮落,出现联合垮落失稳,随后一起对范围内的下位岩层施加一定的动载荷,进而诱发巷道冲击地压。大范围改变
12、煤层的冲击倾向性和调整巷道与地应力的作用关系面临巨大的压力,而处理巷道上方的坚硬顶板就成为缓解巷道冲击地压的有效措施。基于此,笔者提出顶板条带弱化法(Roof Strip Weakening Method,RSWM)来对巷道上覆坚硬顶板进行致裂弱化达到防治巷道冲击地压的目的。顶板条带弱化就是指在巷道正上方一定范围的坚硬顶板内通过人工措施沿顶板顺层方向制造平行于巷道轴向的条带状弱化范围,如图4所示。图4中rh、rw分别为巷道的高和宽度;hs为条带弱化范围距离巷道的垂高;sw、sh、sL分别为条带弱化范围的带宽、带高、带长(平行巷道轴线方向的长度);fi为带内裂隙发育程度。图4中顶板条带弱化范围模
13、型内各参数的选择需要根据措施巷道位置、覆岩岩层结构、致裂措施工艺及装备性能进行综合分析,一定范围内致裂覆盖范围越大(带宽sw)、致裂长度(带长sL)、致裂程度越高(裂隙发育程度fi)、致裂高度越大(带高sh),对于坚硬顶板的弱化效果越好,所能起到的防冲效果更加显著。图4 顶板条带弱化范围模型Fig.4 Model of roof strip weakening method近年来超长定向钻孔技术的快速发展和水力压裂设备的不断升级换代为新技术的研发提供了坚实的理论以及实践基础,本文提出的顶板条带弱化法是基于中煤科工开采研究院所研发的超长孔水力压裂技术而实现的。与传统的水力压裂技术一样,超长孔水力
14、压裂是指以高压水为介质,在限定的封孔空间里,岩体在高压水的作用下克服岩体的最小主应力与抗拉强度发生破裂并产生裂隙,岩体的原生裂隙和次生裂隙,通过气、固、液多相多场耦合,使裂隙进一步扩展和延伸,形成具有一定宽度、长度的人工裂缝,从而实现致裂等目的。3 顶板条带弱化法防冲机制从整体来看,条带弱化范围内裂隙(原生裂隙和次生裂隙)得以充分扩展,一方面会导致范围内岩体的弹性模量降低,一方面将坚硬顶板进行分层,降低坚硬顶板厚度,因此从3个角度来阐释条带弱化法的防冲机制。3.1 降低能量储存以坚硬顶板中的一个单元体为研究对象,且该单元体处于三向非均压受力平衡状态,假设坚硬顶板中岩体的弹性模量为Er,泊松比为
15、r,厚度为hr,力学模型如图5所示。三向应力分别为最大水平正应力(rxH)、最小水平正应力(ryh)和垂直正应力(rzv),在不同的正应力作用方向上分别会形成相应的正应变rxH、ryh、rzv,单元体内相互垂直的方向上受切应力rxy、ryz、rzx作用,产生对应的切应变为rxy、ryz、rzx、rzy、ryx、rxz,假设单元体的体积为V,则坚硬顶板中岩体单元体在三向非均压条件下的应变能(Vc)如式(1)所示:(1)图5 三向应力下单元体力学模型Fig.5 Mechanical model of unite element under 3-direction stress分析式(1)可知,坚硬
16、顶板所储存的弹性能是与其自身物理力学性能(Er,r,hr)和所处区域内三向应力(rxH,ryh,rzv)有关的函数,其弹性模量越大高度越高,储存的能量越大,也就是说坚硬顶板可以储存的能量较高,储能越高越易受外界干扰而失稳诱冲。顶板条带弱化法可以在巷道上覆坚硬顶板中形成一定的弱化范围,一定程度上降低措施范围内坚硬顶板的等效弹性模量,并且对坚硬顶板进行分层。依据式(1)可知,弹性模量降低,坚硬顶板储存的能量降低,也就是破坏其“储能”能力,不利于巷道附近范围内高等级能量的集聚,如此有利于巷道冲击地压防治。3.2 增加能量耗散与非措施范围相比,条带弱化范围内裂隙发育程度较高,在外部载荷作用下,处于不利方位的裂隙会在尖端形成集中应力,当满足裂隙扩展准则时便会
