彬长矿区冲击地压防治技术体系及远景目标

2023-09-18雷照源张春霞席国军史星星

陕西煤炭 2023年5期

雷照源,焦彪,张春霞,席国军,史星星

(陕西彬长矿业集团有限公司,陕西咸阳 712046)

0 引言

煤炭资源供应是保障国家战略安全的重大因素。2021年以来,受全球不安定因素多变影响,导致我国煤炭资源产销比失调[1]。随着深部矿井煤炭资源产出的占比逐渐扩大,其冲击地压诱发矿井灾变严重抑制煤炭资源的平稳产出[2]。开展区域化冲击地压防治是保证矿井安全生产的基础,是有序释放产能的保障,是企业发展瓶颈的突破口。

自1738年在英国发生人类有文字记载以来的首次岩爆距今已经300多年,20世纪80年代我国因煤矿开采深度的增加,在典型“三硬”条件的煤矿相继发生了冲击地压事故。历经几代学者的努力,针对冲击地压问题先后提出强度理论、能量理论、冲击倾向性理论、变形失稳理论等,通过揭示冲击地压发生机理、显现强度、破坏特征等,一定程度上对冲击地压防治起到积极的作用[3-5]。深埋煤炭资源赋存条件的多样化,构造变形、构造形成过程和构造应力场等方式共同决定着矿床赋存方式和应力环境,开采过程中所引发的岩石力学问题也成为国内外研究的焦点[6-8]。深埋特厚煤层综放开采条件下,多个关键层沿工作面走向和倾向2个维度呈现不同破断运动特征;关键层与“三带”位置关系不同,上部覆岩层形成空间结构的弹性能释放路径导致冲击的时效性也不同[9-10]。因此从矿井赋存条件出发,探索出源头控制、路径转移、区域防治的冲击地压综合防治技术体系,是矿井安全高效生产的重要途径。

彬长矿区是黄陇煤炭生产基地深埋特厚煤层的代表,区内地质构造发育,是典型的复杂环境冲击地压集结区。近年来,彬长集团以“打造世界复杂条件一流煤炭企业”为目标,以《煤矿安全规程》《防治煤矿冲击地压细则》等国家法律法规为准绳,以灾害预测为依据,在冲击地压防治方面取得了丰硕成果。彬长矿区极特厚煤层开采下,随采随掘冲击现象具有影响范围广、作用显现剧烈等特点。通过下属5对生产矿井冲击地压鉴定,为两强两中一弱。因此以胡家河煤矿为例,开展构建极特厚煤层井上下三维立体分区式冲击地压防治技术研究具有现实必要性。

1 矿井现状

1.1 矿井概况及赋存特征

胡家河煤矿作为彬长矿业集团主力矿井,矿井设计生产能力为500万t。矿井位于咸阳市长武县境内,南北宽7.2 km,东西长8.5 km,面积约55.239 4 km2,主采4号煤层,共划分5个盘区。其中煤厚10～26 m。目前回采401、402盘区,地面标高+932～+1 170 m,煤层底板标高+340～+400 m,埋深在590～830 m之间,平均埋深710 m。煤层上覆岩层断层、褶皱发育。

主采4号煤层为结构简单的稳定煤层,一般有1～2层夹矸,且位于煤层的中上部,夹矸厚度一般小于0.3 m。其顶板岩性以灰-深灰色泥岩、砂质泥岩为主,底板则以黑色碳质泥岩为主。工作面布置均在煤层中,煤层顶底板赋存情况见表1,煤岩力学参数见表2。

表1 煤层顶底板赋存情况

表2 煤岩力学参数

1.2 生产工艺

4号煤层设计采用长壁综采放顶煤采煤方法,全部垮落法管理顶板。根据矿井生产能力、煤层赋存条件以及目前所选用的采煤机特点,设计煤层开采厚度14 m,平均日推进3.2 m。其中割煤高度3.5 m,截深为0.8 m;采用“一采一放”的放煤工艺,放煤高度10.5 m。工作面选用ZF13000/21/40液压支架、防冲支架型号为ZQ8000/21/37,匹配37.5 MPa的乳化泵。工作面采用“一进一回”通风模式,巷道与工作面方向一致,采用锚网索支护。工作面生产参数见表3。

表3 工作面生产参数

胡家河煤矿401106工作面北侧为401105综放工作面(采空区),间隔35 m保护煤柱,南侧为DF5断层保护煤柱,西侧为401盘区3条盘区大巷保护煤柱。基于胡家河煤矿综放开采形成的大空间采场,工作面上部形成的复合顶板层数多,根据覆岩“三带”及冲击“载荷三带”划分结果,在工作面运输、回风顺槽进行超前压裂。

1.3 矿区冲击地压现状

彬长矿区冲击地压临界深度约为500～600 m,最大最小水平应力分别为33.87 MPa、8.36 MPa,垂直应力约为20 MPa。随着采深的增加,冲击地压的危险性急剧增长。根据《胡家河煤矿冲击危险性评价》,4号煤层总体上具有强冲击危险,矿井强冲击区域分布如图1所示。根据动静载荷因素分析,4号煤层采深、褶曲、断层、煤柱、底煤留设等因素均对静载荷积聚起到促进作用;动载荷主要为采掘扰动和煤层上方硬厚砂岩断裂所产生的冲击动载。顶板为弱冲击倾向性的顶板。

图1 矿井强冲击区域分布示意

1.4 主控岩层确定

冲击地压显现形式与矿压显现形式基本类似,但动力来源和表现特点存在差异。一般来说强矿压显现是由顶板突然断裂失稳引起覆岩运动造成的,必须建立在覆岩垮落的基础上;而冲击地压是岩体内部弹性能突然释放而诱发的动力灾害,顶板不一定垮落。同时认为冲击地压能量释放速率与岩体传递介质的完整程度和坚硬程度成正比,开采后形成的空间结构促使煤岩或局部煤岩发生破坏。

胡家河煤矿作为强冲击煤层,其是由上覆岩层赋存条件决定的,覆岩赋存如图2所示。根据关键层理论划分覆岩结构类型,见式(1)。

图2 煤层覆岩赋存情况

(1)

式中,E为弹性模量,GPa;h为岩层厚度,m;V为体积力,kg/m3。

根据判别式(1)可知,19.73 m粉砂岩、19.4 m泥质粉砂岩、271.27 m中砂岩、15.03 m泥岩、19.32 m含砾粗砂岩为关键层,其中271.27 m中砂岩为主关键层(主控岩层)。

根据三带判别式(2)、式(3)[11],可知垮落带高度为42～56 m,裂隙带高度约为205 m。19.32 m含砾粗砂岩在垮落层内;15.03 m泥岩在裂隙带内;中砂岩在裂隙带与弯曲下沉带之间。由此可知,19.32 m含砾粗砂岩、271.27 m中砂岩为影响工作面采动“小—大”来压的主控岩层;其中271.27 m中砂岩作为主关键层,影响着矿井矿压的整体分布。

Hc=(3～4)M

(2)

Hf=100M/(3.3n+3.8)+5.1

(3)

式中,M为开采厚度,m;n为开采煤层层数。

2 冲击地压防治技术体系

通过上述分析可知,胡家河煤矿由深埋高应力、远场巨厚坚硬顶板、垮落带坚硬厚顶板作用在煤层上,在大采场的超强扰动进一步诱发冲击地压发生。根据煤层力学属性可知,4号煤层具有软岩属性,更易发生煤炮、帮鼓等现象。故此,打造井上下三维立体分区式技术体系是实现冲击地压防治的可行途径之一。采掘工作面扰动下影响范围的不同,《煤矿安全规程》《防治煤矿冲击地压细则》规定采煤工作面与掘进工作面之间、2个掘进工作面之间的水平间距满足350 m、150 m的要求;采煤工作面重点关注100 m范围坚硬岩层。故此根据彬长胡家河煤矿采煤、掘进布局进行井下分区式致裂技术,与地面水力压裂共同构成井上下三维立体分区式冲击地压防治技术体系。

2.1 井上防冲技术

通过远场主关键层的确定,采用地面水力压裂技术,改变岩层本构关系,弱化岩层静载的下压作用。根据工作面的布置情况,设置2个地面水平钻井进行地面压裂技术,压裂裂缝延伸在工作面倾向方向覆盖整个工作面,走向方向覆盖钻井轨迹水平段区域。

压裂工程采用电缆泵送桥塞射孔联作压裂工艺技术。采用高粘活性胶+2次暂堵压裂工艺或高粘活性胶+交联冻胶+1次暂堵压裂工艺。水平井设计50 m为一段,每段射孔作业采用2簇射孔,簇间距15～25 m,每簇1 m,每米10孔,60°相位螺旋布孔,孔径9 mm;压裂作业每段采用10～16 m3/min排量,1 300～1 500 m3液量,35～40 m3加砂量。图3为地面压裂示意图,主控岩层压裂效果如图4所示。压裂过程中通过资料分析与判读、导向过程控制、轨迹预测保障压裂的准确性。

图3 地面压裂示意

图4 地面水力压裂效果示意

2.2 井下防冲技术

2.2.1 综放工作面

工作面顶板两侧接触面咬合的摩擦力不同,通过井下水力压裂和爆破致裂分别破坏临空侧与实体侧顶板接触面咬合的摩擦力,达到降低整体强度的目的。在采动应力扰动下,使顶板在采空区及时垮落。根据区段煤柱承载效应,分析煤柱上部煤柱、顶板动载分布情况,确定致裂参数[12]。401106综放工作面致裂计算参数见表4,“分区式”致裂技术如图5所示。

图5 井下分区致裂技术示意

表4 井下综采面致裂计算参数一览

表4中,P0为顶板注水最小压力,MPa;H为开采深度,m;MK为单孔注水量,t;T为钻孔担负的湿润岩体量,t;W1为根据调查资料确定的岩层水分上限值,%;W2为岩层注水前岩体的原始水分值,%;K为水量不均衡系数,取0.5～1.0;R为浸润半径;vl=2R/3。n为综合影响系数;f为封孔材料与孔壁的摩擦因数;λ为侧压系数;D为爆孔直径,选50 mm。Pc为装药量,g/m;R压为岩石抗压强度,Pa。

2.2.2 掘进工作面

401盘区、402盘区工作面顺槽、辅助顺槽、开拓巷道为全煤巷道,巷道松动圈范围约1.2 m。“静动”载荷作用下,巷道周围煤体的塑性破坏与应力分布如图6所示。根据巷道掘进期间冲击危险性评价,进行掘进迎头、两帮、底板“分段式”防冲设计,弱化扰动下的应力集中造成的煤岩体的弹射现象。掘进工作面采用爆破+大直径孔卸压技术,井上下三维立体分区式冲击地压防治技术体系流程如图7所示。工作面顺槽经历“静—动—动”3次载荷变化过程,第三次动载荷由工作面采动引起,采用“分区式”卸压方式进行防护。

图6 煤体巷道塑性破坏及应力分布示意

图7 井上下立体分区式冲击地压防治技术体系

2.3 冲击地压防治技术体系准则

冲击地压防治根据主控岩层防范的原则上,以煤层冲击倾向性鉴定和冲击危险性评价为依据,分析“静动载荷”影响规律,打造“井上下三维立体分区式冲击地压防治技术体系”,形成了“监测预警—防治解危—效果检验—安全防护—监督管理”的防冲技术管理办法,实现了冲击地压分阶段和分区域进行的动态防治,以达到最有效和最经济的防治目的。

3 冲击地压防治远景目标

总体来说,彬长矿区冲击地压防治通过发生力源、传播路径、显现区域进行综合防治。随着绿色开采相关政策的逐步落实,根据彬长矿区大采场与主控岩层的联动效应,提出主控岩层“上承下压”代替井上防冲技术与柔模支护置换煤柱的冲击地压治理的远景目标。

3.1 主控岩层“上承下压”

根据主控岩层判定可知,主控岩层为覆岩相对厚、硬岩层。大量理论与实践研究表明[13-15],煤层开采后的采出空间是由下向上逐渐传递到地表的,传递过程中受到了其控制作用,并在其下方形成采动裂隙;随着开采范围增大,该岩层发生破断,采动裂隙随之闭合,采出空间最终传递到地表,造成地面塌陷。在掌握彬长矿区采动裂隙及岩层移动规律基础上,以关键层理论为支撑,在主控岩层破断前,通过地面钻孔向其下方封闭的采动裂隙腔体高压注浆充填,产生“压下托上”作用,将主控岩层下方碎胀岩体压实形成支撑体,阻止主控岩层破断,控制岩层移动。进一步防止坚硬岩层破断,减小其能量释放,减缓实体煤应力集中,从而实现减震防冲目的,同时也解决了煤矸等固废物处理及地表下沉等问题。

3.2 柔模支护置换煤柱

柔模支护置换煤柱实质上就是将矸石充分利用柔膜进行支护,在工作面巷道形成“人造煤柱”,将原留设煤柱进行回收,达到不留煤柱、沿空留巷的目的,进一步减少彬长矿区煤柱型冲击地压发生。

考虑彬长矿区特厚煤层围岩结构与柔模支护充填体效果的适应性,充填操作的难易程度、充填与工作面生产之间的协调因素。可以采用长距离泵送混凝土支护工艺。将煤矸石、粉煤灰、水泥、石子添加剂按一定比例配合而成巷道充填材料。柔模充填支护中,通过柔模将水渗出后采用锚杆形成对拉,提高其承载及抗变形能力。锚杆支护参数与巷道煤体帮支护参数保持一致。并通过监测位置反馈数据,分析巷道顶板的下沉速度及顶底板的移近量、巷道两帮的相对变形量。