华亭煤矿采掘工作面应力集中区域冲击地压防治技术

2023-09-18吕甲鹏赵文元郭敏杰焦宏强

陕西煤炭 2023年5期

吕甲鹏,林飞,屈英,赵文元,郭敏杰,焦宏强

(华亭煤业集团华亭煤矿,甘肃平凉 744100)

0 引言

华亭煤矿转入2501采区开采后,自第2个工作面开始,冲击地压灾害凸显,共记录矿震68 486次,冲击地压显现228次。经冲击倾向性鉴定,判定华亭煤矿煤5层为强冲击倾向性煤层。所以消除或减轻冲击地压灾害是确保人员生命安全和企业持续发展的第一要务。

为此,对采掘工作面进行应力集中区域排查,制定有针对性的冲击危险治理方案及管理措施,是降低冲击地压危害的最直接和最有效方法之一,以避免盲目卸压造成人力和物力的浪费[1]。

1 概况

华亭煤田区域构造为一个大体上呈北北西—南南东向展布的“S”型不对称向斜构造形态。华亭煤矿目前回采的是2501采区一分层的250107-1工作面,掘进的是2501采区二分层的250101-2工作面。2个工作面均受褶皱构造、夹矸、赋存厚硬顶板等因素影响,开采条件复杂恶劣,部分区域应力集中程度较高,所以引发冲击地压显现的危险性较高,大大增加了冲击地压防控工作的难度[2]。采掘工作面布置如图1所示。

图1 2501采区采掘工程平面布置

2 应力集中区域划分

2.1 自然因素造成的应力集中区域

2.1.1 褶曲构造

根据华亭煤矿地质资料可知,华亭煤矿内褶皱构造发育,井田内分布有华亭向斜和华亭背斜2条主要的褶曲构造线。大体上呈北北西—南南东向展布的“S”型构造形态,属于一个东缓西陡、中间宽缓、南北两段收敛的形似纺缍形的复式不对称向斜构造,这种褶皱构造为水平载荷挤压作用下发生缓慢变形的结果,是形成应力集中区域的主要地质构造因素[4-6]。

经分析,250107-1回采工作面穿华亭背斜,同时工作面开采区域内发育了幅度较小的呈波状起伏的次一级褶皱,受背斜构造、向背斜转折影响,250107-1工作面开采区域范围内水平应力较大而形成高应力集中区域,褶曲构造造成的应力集中区域如图2所示。

图2 褶曲构造造成的应力集中区域示意

2.1.2 夹矸影响

厚煤层工作面开采过程中经常出现煤层夹矸结构,该结构会造成煤层分岔,从而导致采掘工作面发生冲击地压的几率增大,危险性增强,尤其是在褶曲、残留煤柱等应力异常区内,夹矸带的冲击危险性更为严重[3]。

根据相邻工作面煤层探测及地质钻孔资料分析,250101-2运输顺槽229～1 609 m区段,靠近煤层底板1.1～12.1 m发育有夹矸1层,厚度0～8.8 m;回风顺槽开口以里267.8～1 803.3 m,靠近煤层底板1.8～9.8 m发育夹矸1层,厚度0～2.0 m。掘进两顺槽夹矸影响应力集中区域剖面示意如图3所示。

图3 250101-2掘进两顺槽夹矸影响应力集中区域剖面示意

2.2 开采技术因素造成的应力集中区域

2.2.1 切眼位置的影响

“刀把”形等不规则工作面、调斜、旋转区域或多个工作面的开切眼及停采线不对齐等,区域附近极易造成局部多倍甚至十几倍的应力集中,冲击危险程度急剧升高。对外错回采空间周围应力分布进行的数值模拟研究表明,靠近采空区附近工作面周围煤岩体的应力集中程度非常高[7-9]。

250107-1工作面开采时,开切眼与相邻的250106-1工作面开切眼外错66 m布置,形成应力集中区域,如图4所示。

图4 250107-1切眼外错影响应力集中区域示意

250101-2开切眼与250102-1开切眼外错,同时受上覆遗留煤柱及边界煤柱影响,形成应力集中区域,如图5所示。

图5 250101-2切眼外错及煤柱影响应力集中区域示意

2.2.2 停采线位置的影响

停采线是否对齐或者当前回采工作面停采线外错紧邻工作面是影响停采线附近区域冲击危险程度的重要因素。当停采线参差不齐或者外错相邻工作面停采线时,停采线附近应力集中程度很高,直接导致冲击危险程度升高。

250107-1工作面设计停采线外错250106-1工作面停采线44.8 m。

当250107-1工作面推进至250106-1停采线附近时,可能造成局部应力集中区域,如图6所示。

图6 250107-1停采线外错影响应力集中区域示意

250101-2回风顺槽掘进至197 m时进入上分层采空区,受250101-1工作面停采线影响造成应力集中区域,如图7所示。

图7 250101-2回风顺槽掘进期间受250101-1停采线影响应力集中区域示意

250101-2运输顺槽掘进至38 m时进入上分层采空区,受250102-1工作面停采线影响造成应力集中区域,如图8所示。

图8 250101-2运输顺槽掘进期间受250102-1停采线影响应力集中区域示意

250101-2运输顺槽掘进至255 m时进入同分层采空区,受250102-2工作面停采线影响造成应力集中区域,如图9所示。

图9 250101-2运输顺槽掘进期间受250102-2停采线影响应力集中区域示意

2.2.3 上分层遗留煤柱影响

当开采下分层工作面时,上分层遗留煤柱其本身应力集中程度较高,集聚有大量弹性能,同时也对上覆坚硬顶板具有一定的控制作用。当下分层工作面沿残采煤柱开采时,其采掘扰动影响容易造成残采煤柱超过极限强度而发生失稳破坏,加之其上覆所控厚硬顶板的再运动,形成的冲击动载将十分容易导致工作面冲击地压危险的发生。

250101-2运输顺槽掘进期间受上覆采空区承载煤柱影响,巷道应力集中区域如图10所示。

图10 250101-2运输顺槽掘进期间受上分层遗留煤柱影响应力集中区域示意

3 降低应力集中程度的卸压解危措施

3.1 250107-1回采工作面两顺槽

3.1.1 褶曲构造

为降低褶曲构造形成的高应力集中程度,在250107-1工作面回风顺槽770～1 120 m、1 608～1 758 m,运输顺槽1 280～1 430 m实施超前分区解危卸压(顶板深孔和巷帮煤体爆破)的基础上,再采用巷帮煤体卸压对地质构造影响区域补强卸压。

3.1.2 切眼位置影响

为降低250107-1开切眼与边界煤柱间构成的三角煤柱应力集中程度,在250107-1开切眼煤柱侧布置切顶深孔爆破配合煤体爆破卸压。为缩短250107-1工作面初次来压步距,在开切眼上覆顶板煤岩层中进行两轮切顶深孔爆破,形成6.2 m宽的斜眼矩形单项掏槽,随后再实施支护松动爆破。

3.1.3 停采线位置影响

250107-1工作面设计停采线外错250106-1工作面停采线44.8 m,在250107-1回风顺槽推进至2 033 m处时,在实施超前分区预卸压措施(顶板深孔和巷帮煤体爆破施工至设计停采线向外20 m)的基础上,再采用巷帮煤体爆破降低煤体内应力水平。

3.2 250101-2掘进两顺槽

3.2.1 夹矸影响

在250101-2掘进两顺槽煤层分岔影响的40 m区域实施煤体爆破卸压。两顺槽施工钻孔沿巷道走向与巷道底板呈40°夹角,孔间距10 m,运输顺槽孔深20 m,回风顺槽孔深15 m。单孔装药量6 kg,装药长度2 m,装药方式为连续不耦合装药,黄泥封孔,封孔长度不小于5 m,采用2号煤矿许用炸药(φ63 mm/1 500 g),矿用双导爆索配合2个煤矿许用毫秒延期电雷管正向起爆,爆破网络采用串联由里向外一次起爆,一次最多起爆4孔,采用FD-200D型启爆器启爆。

3.2.2 切眼位置影响

250101-2开切眼及运输顺槽距开切眼39 m段与250102-1开切眼外错,同时受上覆遗留煤柱及边界煤柱影响,形成应力集中区域,该区段在预卸压措施的基础上,再采取超深孔煤体爆破卸压及顶板深孔爆破卸压来降低该区域应力集中程度。

3.2.3 停采线位置影响

250101-2回风顺槽掘进至197 m时进入上分层采空区,受250101-1工作面停采线影响造成应力集中区域,为降低应力集中程度,在250101-2回风顺槽距联络巷口197～237 m范围内加密(预卸压措施孔间距由2.4 m调整为0.8 m)施工巷帮大直径钻孔。

250101-2运输顺槽掘进至38 m时进入上分层采空区,受250102-1工作面停采线影响造成应力集中区域,为降低应力集中程度,在250101-2回风顺槽距联络巷口38～78 m范围内加密施工煤体爆破卸压。

250101-2运输顺槽掘进至255 m时进入同分层采空区,受250102-2工作面停采线影响造成应力集中区域,为降低应力集中程度,在250101-2回风顺槽距联络巷口247～287 m范围内加密(预卸压措施孔间距由2.4 m调整为0.8 m)施工巷帮大直径钻孔。

3.2.4 上覆遗留煤柱影响

250101-2运输顺槽掘进期间受上覆采空区承载煤柱影响,巷道应力集中。在250101-2运输顺槽实施孔深为32 m和15 m的深浅孔煤体爆破卸压措施。通过深爆破孔施工至遗留煤柱正下方,爆破冲击力将上覆煤柱支承应力向煤柱两侧的深部推移,降低峰值,减小应力集中程度,再施工浅孔煤体爆破,将应力向巷道两侧分散转移,再次降低应力集中。

4 卸压解危方法

4.1 顶板深孔爆破

一组断顶深孔爆破[10]共有5孔,分别命名为1#、2#、3#、4#、5#孔,1#、2#、3#钻孔布置在距煤壁侧1 m的巷顶上,开孔位置倾向间距0.8 m,4#、5#钻孔布置在距煤柱侧1 m的顶板上,开口位置走向间距0.8 m;使用二号煤矿许用炸药(φ63 mm/1 500 g),装药方式为连续不耦合装药,采用黄泥封孔。矿用双导爆索双雷管正向导爆,煤矿许用毫秒电雷管引爆,FD-200D型启爆器启爆,爆破网络采用串联最多2孔一次起爆,具体参数见表1。

表1 250107-1回风顺槽顶板深孔参数

4.2 巷帮煤体爆破

每隔10 m布置一个煤体爆破卸压孔,采用手持式风动钻机取孔,钻孔垂直煤壁,钻孔间距10 m,距巷底0.8 m,孔径42 mm,孔深12 m;使用二号煤矿许用炸药(φ35 mm/150 g),矿用双导爆索正向导爆,双煤矿许用毫秒延期电雷管正向起爆,FD-200D型启爆器启爆,单孔装药量3 kg,装药长度4 m,封孔长度不小于4 m,爆破网络采用串联10孔一次起爆,巷帮煤体爆破后躲炮时间不得少于30 min。

4.3 超深煤体爆破

超深煤体爆破卸压孔,采用履带式液压钻机配合φ75 mm钻头在煤壁侧施工。孔深35 m,孔高1.3 m,钻孔方位164°,倾角5°,孔间距10 m。单孔装药量10.5 kg,装药长度3.5 m,装药方式为连续不耦合装药,黄泥封孔,封孔长度12 m,采用2号煤矿许用炸药(φ63 mm/1 500 g),矿用双导爆索配合2个煤矿许用毫秒延期电雷管正向起爆,爆破网络采用串联由里向外一次起爆,一次最多起爆4孔,FD-200D型启爆器启爆。

5 应用效果

250106-1工作面中回采时发生冲击地压显现7次,发生能量大于1.0×104J的震动68次,应用该防治方法后,250107-1工作面未出现过冲击地压显现,发生能量大于1.0×104J的震动26次。250101-2工作面掘进期间未出现过冲击地压显现现象,相较于250102-2工作面掘进期间发生的3次冲击地压显现,效果显著。由此可见,通过对应力集中区域进行排查,并制定具有针对性的卸压解危方法后,无论是震动频次、震动能量还是大能量震动次数,均有显著下降,为采掘工作面安全生产提供保障[11]。