煤岩冲击倾向性测试及冲击地压防治技术研究

2023-09-14江成玉

煤 2023年9期

张毅,江成玉

(1.贵州大学勘察设计研究院有限责任公司,贵州贵阳 550025;2.贵州大学矿业学院,贵州贵阳 550025)

近年来,随着采煤机械化水平不断提高,煤矿开采强度随之增加,冲击地压等灾害发生频繁[1-3]。为有效防止煤矿冲击灾害发生,在冲击地压研究方面已由机理兼顾现场监测技术研究[4-7]。

在煤岩冲击倾向性测试方面,专家学者做了大量研究工作,崔峰等[8]以准东二矿巨厚强冲击倾向性煤层首分层1101 综放工作面为背景,采用理论分析及物理相似模拟实验相结合的综合分析方法,对不同开采强度下覆岩采动应力、能量演化规律展开分析,并评估了不同开采强度下煤岩体冲击危险性;通过对煤层动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数、单轴抗压强度、冲击能量速度指数、冲击临界软化系数6 种冲击危险性指标的描述和总结,对煤体冲击倾向性进行了梳理;Hu等[9]通过对天湖花岗岩进行真三轴卸荷地压试验和数值模拟,研究开挖后围岩地压倾向性和裂缝发育特征,通过试验和数值模拟对冲击地压应力路径进行监测,确定冲击地压应力,根据岩爆声发射监测频率和幅值的演化规律,分析了岩爆破片的形态特征;丁鑫等[10]以非均匀性统计理论为基础构建了煤岩本构关系及损伤演化方程,探讨了不同冲击倾向煤岩受载过程的损伤演化规律,基于分形理论构建了新的耗散能计算公式;谭桠杰等[11]鉴于煤层冲击倾向性研究对冲击矿压评价的重要性,在此针对永红煤矿进行了冲击倾向性鉴定;孙如达等[12]对不同尺度的煤体试样进行了冲击倾向性试验,辅以声发射系统、DIC 散斑系统、光纤光栅监测系统,以观测不同尺度煤试件损伤破坏特性。

在冲击抵押防治方面,张丁丁[13]根据高位钻场施工散射状爆破钻孔至冲击地压主关键层后进行顶板爆破,破坏冲击地压关键层位的完整性,降低关键层位大面积悬顶造成的静载以及其达到极限跨距后断裂、滑移造成的动载;Cai[14]通过能量分析发现,人工地震与自然地震在能量值与爆发震级的关系等许多方面具有相似的规律,利用天然地震能量与震级的关系,利用扰动能量分析方法预测岩爆,应用上述理论和技术对中国某金矿岩爆进行了预测。最后,在了解岩爆机理的基础上,提出了岩爆防治技术;郝旭东[15]以大兴煤矿2北206工作面为研究对象,采用理论分析和现场实测的研究方法探究了工作面回采期间冲击地压分区、治理措施和效果;Dou等[16]总结了国内外岩爆监测、预报和防治的理论和技术,主要包括岩爆监测方面的分区和找平预测方法、电磁辐射技术、弹性波和地震波计算机层析成像技术,以及岩爆防治方面的强度弱化理论、强-软-强结构效应、定向水力压裂技术、巷道支护系统等;刘超等[17]以济宁市金桥煤矿1304 工作面为工程背景,通过分析该工作面邻近终采线梯形煤柱形成冲击危险的主要影响因素,结合微震监测、应力在线监测及预卸压效果分析,建立了相适应的支护和卸压方案;Song等[18]为了探索岩爆防治的新思路,研究了熵方程与耗散结构之间的关系,提出了岩爆活动系统的概念,并对其熵进行了分析;Dou等[19]通过理论分析、室内试验和现场试验、模拟等手段,建立了煤岩变形破坏的弹塑性脆性模型,较好地预测了突发性和迟发性地压,基于煤岩组合试样从变形到冲击破裂过程中的电磁发射(EME)、声发射(AE)和微震(MS)效应,在很大程度上依赖于这3种发射形式,形成了一种多参数识别预警技术。从而建立了岩爆预测的时空分类体系,提出了岩爆强度弱化理论和控制巷道围岩冲击的强-软-强(3S)结构模型;Zhu等[20]开发微地震数据处理和解释的创新方法,利用处理后的高质量微震资料,定量评价了试验场的水力压裂程度。

上述研究对煤岩冲击倾向性及冲击地压防治起到促进作用,一定程度为煤矿安全高效开采奠定了坚实基础。因此,笔者通过室内试验及现场监测综合研究手段,首先对煤岩进行单轴压缩试验,得到煤岩冲击倾向性。其次通过微震监测、钻孔卸压等现场监测手段,分析采煤工作面推进过程中微震事件分布及应力演化规律。研究结果为类似工程地质条件冲击防治提供了借鉴。

1 工程概况

1.1 工作面开采条件

某矿30202辅运运输巷位于该矿矿井302盘区的东西部,如图1所示,北临3-1煤西翼大巷,西靠30203(未掘)工作面,东临30202工作面(正采)。30202辅助运输巷全长约1 177 m,巷道断面为矩形,尺寸约为4.1 m×5.4 m,通过7条联巷与30202带式运输巷相连,目前所有联络巷均已完成密封措施。

图1 辅助运输巷平面位置示意

1.2 工作面顶底板地质条件

巷道直接顶板为2.5 m泥质粉砂岩,灰黑色,层厚状,细粉砂状结构,泥质含量不均。平坦状、参差状断口,底部为1.0 m的细粒砂岩。岩石较硬,RQD(反映岩体强度和破碎程度的指标)值86%.巷道老顶为7.8 m细粒砂岩和14.89 m粗粒砂岩,其中,14.89 m粗粒砂岩产状为灰色,略显绿色,巨厚层状,粗粒砂状结构。成分以石英为主,次为长石和暗色矿物,含少量白云母碎片,分选性一般,泥钙质胶结。含大量煤质条带,向下粒度变细。局部岩芯破碎,岩芯较硬,RQD值78%;7.8 m细粒砂岩产状为灰色,薄层状,细粒砂状结构。成分以石英为主,次为长石和暗色矿物,含少量白云母,圆状、分选性好,泥钙质胶结。显水平层理和缓波状层理。局部夹薄层粉砂岩。具少量滑面。岩芯较硬,RQD值78%.巷道底板为4.02 m泥岩,灰黑色,薄-中厚层状,泥质结构。质纯、致密,平坦状断口,具少量滑面,显水平层理和缓波状层理,产大量植物化石。上部岩芯破碎,岩石较软,RQD值40%.

2 煤岩冲击倾向性

2.1 煤样单轴压缩试验

为测试煤岩冲击倾向性,现场选取试样,将其制作为50 mm×100 mm的标准试样,进行单轴压缩试验本次实验采用位移加载,加载速率为0.002 5 mm/s、0.005 mm/s及0.007 5 mm/s直到试件破坏。

图2为煤岩体在单轴压缩下应力-应变曲线,在压缩过程中,煤样经历了压密阶段、弹性变形阶段、峰值强度阶段及残余变形阶段。煤样开始受力时,内部微裂纹闭合,因此在此阶段煤样应力-应变曲线出现上凹。当煤样处于弹性变形阶段时,煤样应力-应变曲线近似直线。此外,图中可以明显观察到,煤样峰值强度随着加载速率的增加而降低。

图2 不同加载速率下煤应力-应变曲线

2.2 煤样冲击倾向性计算

1) 3-1煤层冲击倾向性鉴定结果如表1所示。根据中华人民共和国国家标准GB/T25217.2-2010《冲击地压测定、监测与防治方法第2部分:煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法》,鉴定3-1煤试样单轴抗压强度的冲击倾向性为III类,即强冲击倾向性。

表1 该矿井3-1煤冲击倾向性鉴定结果

2) 3-1煤顶板的冲击倾向性鉴定结果如表2所示。根据送检岩样测定数据,矿井3-1煤的顶板岩层属于II类,为弱冲击倾向性的顶板岩层。

表2 矿井3-1煤顶板冲击倾向性鉴定结果

3) 3-1煤底板的冲击倾向性鉴定结果如表3所示。根据送检岩样测定数据,鉴定该矿井3-1煤的底板岩层属于II类,为弱冲击倾向性的底板岩层。

表3 矿井3-1煤底板冲击倾向性鉴定结果

3 冲击地压监测预警及防治

3.1 冲击地压应力监测

辅运巷与采空区之间的28 m区段煤柱是影响02辅运巷冲击等级的危险源头,因此在02辅运巷煤柱帮布置应力监测系统,按照深浅孔为一组进行布置,每组布置两个测点,组间距25 m,安装深度8 m、14 m,安装高度为距离底板1.2～1.5 m.如图3所示,安装孔径42 mm(可根据选用设备调整)。实际布置方案应根据监测设备提供方出具的方案及所需要监测的范围确定。

图3 应力测点布置示意

根据冲击地压监测数据来分析02辅运巷冲击风险,并采取相应的措施。

3.2 冲击地压钻屑法监测

对于应力预警、局部矿压显现的巷道区域进行钻屑法检验,具体的施工参数如下:孔径78 mm,钻孔深度15 m(具体可根据实际情况调整),距底板垂直距离1～1.5 m,单排布置,钻孔方向与巷帮垂直,平行于煤层。用胶结袋收集钻出的煤粉,用测力计称量煤粉的重量,每钻进1 m测量1次钻屑量。具体布置如图4所示。

图4 钻孔布置的剖面示意

矿井钻屑量临界值的确定依据钻屑法执行的相关要求进行。首先在监测区域以外,不受采动影响的附近煤层巷道中,施工若干孔深为3.5倍巷高,间距不小于10 m的钻孔,记录每孔每米钻屑量,绘制出正常钻屑量曲线,然后用加权平均法对其进行处理,作为标准钻屑量,在此基础上,确定冲击地压危险的钻屑量临界值。

如果检测到的煤粉量超过确定的临界指标,或出现卡钻、吸钻、异响等动力现象,则煤体处于临界危险状态,必须立即采取解危措施。在监测到确有冲击危险时,应及时采取二次卸压措施,并用钻屑法再次监测解危效果,直至消除冲击危险。

3.3 冲击地压局部防治解危

对于生产帮卸压的目的主要为转移高位岩层传递的部分静态支承压力和区段煤柱卸压后的转移应力。主要针对冲击体进行卸压解危,对02辅运生产帮施工大直径钻孔卸压,降低巷道浅部煤体整体的弹性模量,使集中应力向煤体深处转移。其卸压措施如图5所示。

图5 卸压措施

3.3.1 煤体大直径钻孔卸压

对30202辅助运输巷道全巷道两帮施工大直径钻孔卸压,施工参数主要包括钻孔直径、孔深和孔间距。理论上分析,钻孔直径越大,排出的煤粉越多,钻孔塑性半径越大,卸压效果越好,目前呼吉尔特矿区各矿使用的煤层卸压钻孔直径均大于150 mm,防冲卸压效果较好,而该矿施工的常规煤层卸压钻孔直径为200 mm,并且本矿井的卸压效果能够满足防冲要求。所以30202辅助运输巷两帮施工煤层大直径钻孔直径为200 mm.对于煤柱帮施工的大直径钻孔深度应贯通弹性核区,而根据第3章动态支承压力的分析,区段煤柱采空区侧的塑性区约6 m,所以煤柱帮大直径钻孔深度设计为22 m.基于圆孔效应分析,母杜柴登矿井3-1煤的巷道的影响半径R≈5r0,则大直径钻孔合理间距为10r0,r0=200 mm,所以钻孔间距取1 m为宜。卸压钻孔施工参数如表4所示。

表4 两帮大直径钻孔卸压参数

3.3.2 顶板深孔爆破

研究采场覆岩空间结构应当选用采空区中部的钻孔,而涉及具体的巷道顶板施工时应当选用最近的钻孔柱状图,根据图6,选择02辅运与02胶运相接的斜巷附近的B12钻孔作为02辅运顶板深孔爆破的指导钻孔,30202辅运基本顶为36.36 m细粒砂岩,距煤层37.36 m存在59.16 m粗粒砂岩,厚硬砂岩岩性较为坚硬,容易在30202采空区侧形成大面积悬顶,这是区段煤柱应力高度集中的力源。

图6 B12钻孔平面位置

综上,结合现场施工难度和切顶高度需求,确定的切顶对象为煤层上覆0～36.86 m细粒砂岩和37.36～96.52 m的59.16 m粗粒砂岩,但爆破孔深度超过60 m时现场施工难度较大,所以在此仅处理59.16 m粗粒砂岩的下部范围,根据理论分析“ILZ”的发育高度,确定59.16 m粗粒砂岩爆破范围为下部15 m;回采活动将会对30202面基本顶(36.86 m细粒砂岩)产生较大的破坏作用,基于圆孔效应分析,母杜柴登矿井3-1煤内的圆形巷道的影响半径R≈5r0(r0为圆孔半径),等效至本矿掘进巷道的影响范围为5×2.7=13.5 m,并且回采活动对巷道顶板围岩的破坏范围远大于掘进巷道,所以对于36.86 m细粒砂岩底部0～16.86 m不做处理,仅处理顶部20 m范围。