基于能量耗散的上覆遗留煤柱区冲击地压防治技术

纵 峰，秦子晗，李 根

(1.陕西永陇能源开发建设有限责任公司，陕西 宝鸡 721000；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

在煤层群开采条件下，采用上保护层开采是防治冲击地压的一项重要战略措施，能够实现区域范围的卸压效果[1-2]。但在实际开采过程中，受构造及其他开采条件限制，一部分煤柱的留设往往不可避免，而该煤柱往往会成为应力最为集中的区域，当下部煤层进行采掘活动时，容易诱发冲击地压等事故。鹤岗峻德矿曾因上覆煤层残留煤柱及本煤层区段煤柱叠加影响，于2013年3月15日发生一次冲击。由此可见，在煤层群开采条件下，上覆煤柱已成为冲击地压灾害重要致灾因素。

在针对遗留煤柱对冲击地压的影响方面，目前主要从两方面进行处理，一是通过留设窄煤柱，降低应力集中程度从而减小冲击地压危险；二是通过在下方煤层采掘过程中对围岩进行大直径钻孔或煤层爆破，来疏导煤层高应力。对于第一种方法，属于设计阶段的防治措施，对已经存在的遗留煤柱无法实施；而采用第二种方法时，仅对可能的冲击发生区进行卸压，并无法消除上方煤柱高应力来源，故需要反复卸压，工程量大，也易造成巷道支护段的破坏，加剧了巷道变形。

针对以上问题，本文通过对上覆遗留煤柱在承载过程中的应力分布分析，将煤柱区与下方巷道划为一个系统进行整体研究，利用能量耗散机理，从能量源头及传播途径多方面着手，建立了遗留煤柱区的冲击地压防治措施，并在鹤岗矿区的南山矿进行了现场实施，实现了遗留煤柱区的安全回采。

1 遗留煤柱应力承载及传递规律

1.1 煤柱载荷的估算

根据煤柱受力情况分析，采空区遗留煤柱的载荷主要来自两方面：一是煤柱上方岩层重量，二是煤柱两侧悬露顶板转移到煤柱上的部分重量[3-4]。具体如图1所示。

图1 煤柱受力情况示意

宽度为B的煤柱上方的总载荷P为：

(1)

式中，B为煤柱宽度，m；D为采空区宽度，m；δ为采空区上覆岩层垮落角；H为巷道埋深，m；γ为上覆岩层平均容重，kN/m3。

1.2 煤柱底板应力传递规律

在工作面回采结束后，由于上覆岩层逐层冒落、断裂与下沉，将在采空区边缘形成支承压力，造成煤柱附近出现应力集中现象。其承载的高应力会进一步向底板的煤岩层中传播，形成相应的应力升高区，并随深度的增加发生应力的扩散和衰减。

这里将煤柱下方的底板岩体视作半无限体，根据土力学理论[5-6]，集中载荷P作用在半无限体的平面上，而平面下方任一点M将受到影响，如图2所示。

图2 集中载荷P对底板内M点的影响

根据弹性力学的叠加原理，底板岩体内M点处受到的垂直应力σz可用下式表示。

σz=KP/Z2

(2)

式中，σz为底板岩体内M点垂直应力，MPa；P为集中荷载，MN；Z为M点距集中荷载P作用点的垂直距离，m。其中K由下式表示：

(3)

式中，R为M点距集中荷载P作用点的水平距离，m。

由式(2)可知，若在集中荷载下，应力的大小随深度的增加而减小，在水平面上离作用点越远，应力越小，但是，越往深处，作用力的影响范围越大。

2 遗留煤柱下冲击地压防治技术

2.1 遗留煤柱下冲击机理分析

由前述分析可以看出，煤柱下方应力的增加与煤柱的影响关系密切，由于煤岩物理力学变化过程的本质是能量的转化，因此从能量角度进行研究则可以简化应力传递中间过程的分析，避免繁琐复杂的计算过程，同时能够更整体、更全面地考虑各种因素[7-8]。

一般情况，将巷道围岩作为一个系统进行整体分析，但对于煤柱下方的巷道而言，其受力状态不仅来自本身采掘作业带来的采动应力影响，更主要是来自上方遗留煤柱的集中高应力传导，因此针对该情况进行分析时，应将上方煤柱及顶板连同下方巷道围岩作为一个系统进行整体分析。具体如图3所示。

图3 遗留煤柱下采掘巷道围岩系统

由能量耗散理论可知，煤岩体变形破坏对应其内部的能量变化，概括起来包括能量的积累、释放与耗散。即煤岩体与外界没有热交换时，外力做功产生的能量通过弹性能的积累、释放与耗散能的耗散进行自组织调节[9]，如式(4)所示：

Uin=Ue+Ud

(4)

式中，Uin为煤岩体自组织过程中的能量变化量，即外界能量的净流入；Ue为可释放弹性应变能；Ud为耗散能，包括塑性势能、破坏动能、辐射能等能量。

而Ue根据遗留煤柱下煤岩系统则可表示为：

Ue=U顶+U柱+U岩+U围

(5)

式中，U顶为上方采空区顶板悬顶所形成的弯曲弹性能；U柱为遗留煤柱内储存的弹性应变能；U岩为煤层间岩层在上覆载荷及本煤层采动作用下的弹性应变能；U围为巷道围岩储存的弹性应变能。

而煤层及煤柱在力学平衡条件下破坏时，当释放的弹性能量大于消耗的能量时，则发生煤岩抛出的动力灾害。

2.2 基于能量耗散的防冲机理分析

根据以上分析，在同等煤岩条件下，通过卸压措施对煤岩系统内的弹性应变能的耗散量越多，剩余的弹性应变能就越少，冲击地压发生的可能就越小或冲击地压发生时释放的能量就越少，冲击危险性也就越低。因此，降低遗留煤柱下冲击危险从以下4条途径考虑：

(1)减少煤柱上方的顶板悬顶 根据顶板弯曲弹性能Uw的计算公式，

(6)

式中，q为顶板及上覆岩层附加载荷的单位长度载荷；L为顶板的悬伸长度；E为顶板岩层弹性模量；J为顶板断面惯矩。

从式(6)中可以看出，顶板弯曲弹性能与悬顶长度的5次方成正比，悬顶长度越长，顶板所积聚的能量就越大。因此，通过对煤柱上方的顶板处理，可以大幅度降低弹性能的积聚，有利于冲击危险性的降低。

(2)煤柱内弹性能的耗散 对于采空区内的遗留煤柱，并不需要其作为保护煤柱的支撑作用，即煤柱内除破碎区、塑性区外，弹性区的存在并不是必须的。因此，可通过缓慢卸压措施降低弹性应变能，使得煤柱能量的吸收与耗散在安全域内达到动态平衡，甚至使耗散的能量大于吸收的能量。通过卸压不仅能够使一部分弹性能得到有效释放，同时由于塑性变形及新自由面的形成耗散大量能量。

(3)应力传递途径的耗能处理 针对煤层之间的岩层顶板通过爆破或水力压裂等措施，在层间顶板中形成一定宽度与高度的裂缝带，相当于在下方煤层与上方煤柱之间开采一个小型的保护层。使得预裂区域在上覆煤柱的集中高应力下破碎、卸压，从而达到耗散能量的目的，同时能够有效屏蔽或减弱煤柱内弹性能或应力向下方的传播，消除或减弱冲击致灾程度。

(4)针对巷道围岩系统内集中静载的卸压处理 当把巷道围岩看作一个系统进行研究时，煤柱及上方顶板的影响可视为系统外对巷道围岩系统做功输入。前述3种方法都是针对降低外界对巷道围岩系统的能量流入而采取的措施，针对巷道围岩系统本身，则主要通过对冲击启动区集中静载荷的疏导来实现防冲的目的。

2.3 遗留煤柱下的防冲技术

从4种途径的防治目的来看，前两种属于针对高应力来源的消源处理，能够从根本上消除或降低冲击危险，在煤柱留设阶段实施能够取得良好的效果，但对于已回采结束的残留煤柱，对顶板处理则存在施工困难的问题，而采用高压水力压裂技术对煤柱进行弱化，则是一种安全且可行的手段。第3种属于针对应力传播途径的衰减方法，第4种属于应力传递末端的卸压处理。从上述防治途径出发，采用合理可行的方法能够达到防治冲击地压的目的。

3 工程应用

3.1 工程概况

鹤岗南山煤矿盆底区北翼18层三分段底板层综放面，上方存在15层残留煤柱，煤柱走向长度约100m，倾斜长度约200m，形状不规则，与18号煤层间距约30m，工作面平面布置示意如图4所示。考虑到工作面在煤柱下方回采时，煤柱内集中静载与工作面采动应力相互叠加，易诱导冲击地压的发生，为了保证工作面安全顺利通过煤柱，制定专门的冲击地压防治措施。

图4 工作面平面

3.2 防治措施

3.2.1 遗留煤柱水力压裂技术

根据前述分析，通过直接对上方遗留煤柱进行弱化处理，耗散煤柱中集中弹性能，可从源头上降低冲击危险。根据现场条件采用的是高压水力压裂技术，使用MRZB-31.5/125型乳化液泵。压裂压力选择为20～30MPa；注水量选择为5～7.5m3/h；压裂方式为高压注水。

具体施工方式为在18层工作面巷道内，在遗留煤柱下方，施工与巷道顶板垂直90°的钻孔，进入煤柱，深度以终孔位置深入煤柱中间为宜，钻孔直径为75mm，钻孔走向间距为20m。

在已施工完的钻孔安装高压注水管路，注水泵利用工作面的乳化液泵站，注水管选择25mm×8.5mm-50MPa/2m的无缝钢管，封孔器选择水力膨胀式封孔器，封孔位置位于进入煤层1m的位置。

管路安装完毕后，先对封孔器内注入高压水，待封孔器膨胀达到封孔目的之后，再将泵站管路接到注水管路上进行注水。具体如图5所示。

图5 遗留煤柱区水力压裂钻孔

压裂开始时，泵站压力先调至16MPa，待孔内区域充满水之后，再将泵站压力增加至25MPa,进行高压注水。注水时间控制在3h，或者水压下降至5MPa以下。

压裂完成后，拆卸完注水管路后，应对注水孔进行封孔，封孔材料选择水泥砂浆，封孔长度不低于10m。

3.2.2 顶板预裂方案

根据前述分析，通过对煤柱下方岩层预裂，能够耗散向下传递的能量，从而对煤柱下方巷道起到保护作用。

顶板预裂措施采用两巷施工钻孔，进行深孔爆破的方式。预裂步距为10m。炮孔终孔位置位于煤层上方20m的顶板层位，上部砂岩岩层部分装药，装药量在2.3kg/m左右，炮孔直径为75mm，炸药直径为60mm，封孔长度深入煤层上方岩层至少5m，总封孔长度不少于15m。炮孔具体参数如表1所示。

表1 顶板预裂钻孔参数

3.3 防治效果

图6为南山煤矿盆底区北翼18层3段工作面风道自2015年6月11日至2015年9月21日围岩应力变化情况。通过图6可看出采用上述措施后，在回采过程中巷道应力变化相对平缓。由于在煤柱区域提前采取了卸压措施，部分应力计还出现了应力下降情况。从整体来看，整个回采期间煤柱区域两巷始终处于低应力状态，大幅度降低了煤柱区的冲击危险。目前，该工作面已安全回采结束，未发生一次冲击地压事故。

图6 过煤柱期间围岩应力情况

4 结 论

(1)遗留煤柱对下方工作面冲击地压的影响主要来源于煤柱本身承载的高应力，其影响因素与顶板悬顶和煤层间距有着密切关系。

(2)对于遗留煤柱影响下的冲击危险区，根据能量耗散系统，通过减少顶板悬顶、耗散煤柱弹性能、传播途径应力衰减和围岩区弱化处理4种治理方法降低冲击危险。

(3)根据遗留煤柱区实际条件，通过采用高压水力致裂方式处理煤柱，既能够耗散煤柱内大量弹性应变能，又能避免爆破卸压带来的瓦斯爆炸危险性。

(4)针对煤层之间的岩层顶板通过顶板预裂爆破措施，在层间顶板中形成一定宽度与高度的裂缝带，屏蔽或减弱煤柱内弹性能或应力向下方的传播。

(5)通过在南山矿盆底区北翼三分段工作面针对上方遗留煤柱采取耗能防冲措施，顺利通过了遗留煤柱区，实现了工作面回采期间冲击地压零伤亡的目标。

[参考文献]

[1]齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.

[2]潘俊锋，毛德兵，蓝 航，等.我国煤矿冲击地压防治技术研究现状及展望[J].煤炭科学技术，2013，41(6)：21-25.

[3]王亚东.长平矿大采高综采面合理区段煤柱尺寸研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2011.

[4]陈绍杰.煤岩强度与变形特征实验研究及其在条带煤柱设计中的应用[D].青岛：山东科技大学，2005.

[5]姜福兴，王建超，孙广京，等.深部开采沿空巷道冲击危险性的工程判据[J].煤炭学报，2015,40(8):1729-1736.

[6]秦忠诚，王同旭.深井孤岛综放面支承压力分布及其在底板中的传递规律[J].岩石力学与工程学报，2004，23(7)：1127-1131.

[7]Song Dazhao，Wang Enyuan，Li Nan，et al.Preliminary study on rock burst prevention based on dissipative structure theory[J].International Journal of Mining Science and Technology，2012，22(2):159-163.

[8]窦林名，何 江，曹安业，等.煤矿冲击矿压动静载叠加原理及其防治[J].煤炭学报，2015,40(7):1469-1476.

[9]宋大钊.冲击地压演化过程及能量耗散特征研究[D].徐州：中国矿业大学，2012.