顶板条带弱化法防治中央大巷冲击地压机制及实践

2023-05-22郑建伟鞠文君吕大钊孙晓冬姜鹏飞李海涛付玉凯杜涛涛

煤炭学报 2023年3期

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700～740 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 Mt/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NE—SW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7°～8°、5°～7°和2°～3°。谢家咀背斜(B2背斜)从河川口开始发育(向西),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3°～4°和7°～8°。DF29断层最大落差为38.00 m,倾角为55°～65°,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 roadway

1.2 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)范围内突然底臌且达到0.50～1.00 m,顶板局部金属网撕裂,里程1 238～1 278 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 roadway

1.3 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(Ⅲ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65°～81°,侧向应力系数的范围为1.60～1.96,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σH>σh>σV地应力分布类型。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μr,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(σrxH)、最小水平正应力(σryh)和垂直正应力(σrzv),在不同的正应力作用方向上分别会形成相应的正应变εrxH、εryh、εrzv,单元体内相互垂直的方向上受切应力γrxy、γryz、γrzx作用,产生对应的切应变为τrxy、τryz、τrzx、τrzy、τryx、τrxz,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,坚硬顶板所储存的弹性能是与其自身物理力学性能(Er,μr,hr)和所处区域内三向应力(σrxH,σryh,σrzv)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再次发育形成新的裂隙表面,增加裂隙的空间体积,原本会被岩体吸收的能量被消耗用于裂隙尖端的扩展。当应力波传播至条带弱化范围时,赋存大量裂隙的条带弱化范围可以被抽象为“垫层”或者“夹层”,因此将这一过程简化为一维线波穿越夹层的力学模型,H代表上覆坚硬岩层,F代表压裂层,N代表下位岩层,如图6所示。

图6 一维线性波穿越夹层力学模型Fig.6 Mechanical model of the interlayer crossed by one-dimensional linear waves

下文中,di、ρi、ci、ηi、Si、σi(i=H、F、N),分别表示H层、F层和N层岩体的等效宽度、等效波阻抗、等效能量衰减指数、波速、等效面积、峰值应力。应力波穿越HF界面时入射应力(σHi)可以由式(2)[25]表示:

(2)

其中,A0为正弦波的振幅;ω0为正弦波的频率;φ0为正弦波的初始相位;x为距离;t为时间。依据动量守恒原理可得穿过HF界面时在界面形成的透射应力(σHt)和进入F层的能量(WFt)如式(3)、(4)所示:

(3)

(4)

式中,EF为下层的等效弹性模量。

当F层内应力波传播至FN界面时继续会发生反射和透射,此时穿越FN界面进入N层的透射应力(σNt)和能量(WNt)可用式(5)和式(6)表示:

(5)

(6)

由上述分析可知,模型中应力波首先在H层进行传播,经过HF界面发生一次透射和反射,然后进入F层继续进行传播,再次经过FN界面发生第2次透射和反射,然后进入N层进行传播。

联立式(2)～(6)得到在F层耗散的能量WF为

(7)

分析式(7)可知,当F层的厚度dF越大、密度越小、波速越小、弹性模量越小,则在F层的能量耗散越大,也就是说顶板条带弱化范围的存在对应力波具有明显的能量耗散作用,且顶板条带弱化范围的厚度越大、内部裂隙越发育,条带弱化范围耗散的能量越多。

3.3 局部结构调整

回采工作面坚硬顶板走向方向上可以被理解为是被大量节理或构造分割形成的相互挤压呈铰接状态的有限个薄板[26],因此将巷道上方局部范围内的坚硬顶板简化为一承受均布载荷的薄板,如图7[27]所示。在分析时认为该薄板满足以下假设:① 变形前后垂直于薄板中面的直线段法线均为长度不变的直线(基尔霍夫假设);② 平行于薄板中面的各平行层之间几乎没有相互作用力;③ 薄板发生弯曲变形时,中面内各点只有垂直位移且远小于薄板的厚度。对该薄板进行受力分析时,可以认为薄板在均布载荷的作用下会发生一定的弯曲,在薄板内取一单元体hdxdy,由文献[28]可知薄板的弯矩Mxdx、Mydy和扭矩Mxydy、Myxdx分别如式(8)～(10)所示,弯矩为正时表示板中面以下处于受拉状态,中面以上是受压状态;当弯矩用向量表示时,界面外法线方向为正。

图7 回采工作面铰接薄板模型[27]Fig.7 Linked plate model of mining face[27]

(8)

(9)

(10)

(11)

分析式(11)可知,弹性薄板弯曲变形能与其板厚度的三次方呈正比例关系,与弹性模量呈正相关,也就是说坚硬顶板的厚度和弹性模量越大,易形成可以集聚较高能量的覆岩空间结构,当达到储能极限时释放的能量越大,由此导致作用在下位巷道的动载的等级越高,越容易诱发冲击地压灾害;如果坚硬顶板的厚度和弹性模量降低,则会优化覆岩空间结构,从而减小破断时传递至巷道的动载荷等级,降低巷道所承受的动静叠加载荷的等级,达到防冲的目的。

笔者所分析的顶板条带弱化范围的效果之一就是在坚硬顶板内形成大规模的纵横交错的裂隙网,其一方面将坚硬顶板进行分层,也就是降低了坚硬薄板的厚度,另一方面可以降低坚硬顶板的弹性模量。整体来看也可以认为是坚硬顶板分层和弱化的实现调整了后方采空区(回采巷道范围内)覆岩空间结构的形态,降低了前方回采巷道应力等级,在实际过程中,顶板条带弱化范围内的裂隙在矿压的作用下会形成再次扩展,进一步弱化坚硬顶板的强度和完整性。通常情况下,在超前支承应力影响范围内,垂直应力大于水平应力,此时会诱导原有处于水平方向的裂隙向上扩展,形成切割裂隙,从而构建更加复杂的立体裂隙网络,进一步降低巷道围岩的基础应力等级,从而降低冲击地压的发生。

由上述分析可知,采用顶板条带弱化法防治巷道冲击地压主要有3方面的作用:降低能量储存、增加能量耗散和局部结构调整,其中与非采动巷道相比,局部结构调整更侧重于回采巷道防冲目的的实现。因此结合孟村煤矿中央大巷的地质赋存现状和开拓布置现状,可以采用顶板条带弱化法降低上覆坚硬顶板的弹性模量,破坏其“储能”能力,防止其集聚较高等级的能量;在致裂顶板的同时可以消耗一部分已经集聚的能量,人工形成的裂隙在外部载荷的作用下进行更加复杂的扩展过程也同样可以消耗一部分能量,也就是说通过增加能量耗散,进一步降低坚硬顶板集聚的能量;通过上述2种途径来实现孟村煤矿中央大巷防冲的目的。

4 顶板条带弱化法防冲实践

4.1 防冲设计及监测布置

由中央大巷南侧T8煤层柱状图可知,大巷区段煤柱上方约45.00 m处存在厚度为21.00 m的坚硬顶板(粉砂岩),基于顶板条带弱化法防冲机制,认为对该坚硬顶板的弱化可以实现中央大巷防冲的目的。因此,将该坚硬顶板设计为措施层,结合以往超长孔水力压裂工程的实践经验,同时考虑到中央大巷的布置形式,本次压裂共设计5个压裂孔,其中1、2、3、4号孔间距约40.00 m,5号孔位于大巷保护煤柱上方,与4号孔间距约70.00 m,共计钻孔长度约为2 115.00 m,分段距离15.00 m左右,分段压裂时间不小于30 min。为了压裂设备的布置以及压裂液返排水的简便处理,压裂钻场设计位于中央运输大巷里程600.00 m的位置,如图8所示。为了对顶板条带弱化法防治巷道冲击地压效果进行评价,采用SOS微震监测系统来监测压裂前和压裂后措施范围内岩层破断释放的信号,措施范围内微震布置如图8所示。

图8 1～5号压裂孔布置及监测布置示意Fig.8 Layout of No. 1-5 fracturing boreholes and monitoring stations

4.2 效果分析

2020-07-01—2020-08-11完成5个孔的全部压裂工作,压裂过程中对孔口压力进行监测,5个钻孔共计压裂45次,每次压裂时间不等,但均超过设计的压裂时间,在压裂过程中井下煤炮声时有发生,7月25日典型压力-时间曲线如图9所示。

图9 7月25日典型压力-时间曲线Fig.9 Typical pressure-time curve on July 25

从1～5号压裂孔施工过程中对于岩屑和压力的分析来看,顶板起伏较大,并非平整展布,且中央大巷顶板沿东西方向不同位置的岩石坚硬程度不一,由南到北压裂层岩石的强度有下降的趋势,靠近断层的位置岩石的起裂压力较低,在向斜构造附近岩石的起裂压力局部升高。

由于超长孔水力压裂过程中所产生的能量较低,且井下破裂信号繁杂,所以会存在压裂信号被湮没的现象,因此本次分析以长时间段的整体固定区域监测为主,分析监测区域内微震事件的相对变化情况。本次分析所选取的微震数据分别包括措施前的2020-06-01—07-12,措施后的2020-08-16—10-09两个阶段,微震事件能量及定位如图10所示。

根据中央大巷微震事件定位及不同能量等级分布进行统计分析,认为在措施前(06-01—07-12)复合构造区内中央大巷的微震事件主要集中在D29断层区、二辅运4号联络巷区和塬子口向斜区3块区域内,共监测到微震事件70次,其中能量W>104J的微震事件3次,104J>E>103J的事件24次,103J>W>102J的事件37次,102J>W的事件6次。措施后(08-16—10-09)期间共监测到微震事件28次,能量W>104J的微震事件0次,104J>W>103J的事件6次,103J>W>102J的事件15次,102J>W的事件7次,且微震事件主要集中在二辅运4号联巷和2号通风联络巷区域附近。整体来看措施后监测时间内监测区域内再无W>104J的微震事件出现,其他等级的能量均出现明显的下降,且能量的集聚区域也发生了一定的改变。微震监测结果说明原集聚的能量得到一定的释放,且措施后压裂范围内集聚能量的程度下降,表明措施范围内坚硬顶板的完整性和储能能力降低,改善了其储能环境,从而可以减小传递至下方巷道动载的等级,避免其破断失稳而诱发冲击地压,有利于措施范围内巷道防冲减危目的的实现。