基于复合弱化结构的上覆煤柱区冲击地压防控研究

潘立友,史明伟,董文卓,徐维正,刘宏军

(1.山东科技大学 采矿工程研究院,山东 泰安 271000; 2.开滦(集团)有限责任公司,河北 唐山 063000)

深部开采的冲击地压矿井受区域地质构造及开采条件的影响,在部分异常区域往往留设有煤柱。残留煤柱造成应力高度集中,易在其下部煤层采掘活动过程中诱发冲击地压[1-3]。鹤岗、开滦等矿区受上覆残留煤柱的影响,曾发生过冲击伤亡事故。可见,深部(老矿区)矿井中上覆煤柱的存在是冲击灾害的重要致灾因素。国内针对本煤层采场周围存在煤柱发生冲击地压的机理与防控技术研究较多,而对上覆残留煤柱对下部采掘工程的冲击地压影响研究相对较少。艾春和[4]在研究深部不规则工作面煤柱影响区应力分布的基础上,提出了合理设计开采顺序防冲的方法;杨伟利等[5]通过理论计算和数值模拟分析得到了遗留煤柱的垂直应力分布特征,对遗留煤柱区进行了冲击地压危险性评价,提出了煤柱区冲击地压防治技术,并进行了工程验证;凌志强等[6]通过统计分析巷道掘进过程中煤柱宽度变化前后的多种监测数据,总结出煤柱宽度变化对冲击危险性的影响规律,提出了弱化静载荷源、增强煤柱稳定性和提高支护强度等防治措施。

针对残留煤柱通过开采保护层或类似保护层的结构进行冲击地压防治的研究也较多,保护层开采是防治冲击地压的重要防范措施之一[7-8]。吴向前等[9]通过相似模拟实验,分析了开采作为保护层的上部煤层对下部煤层的卸压效果,研究得出下保护层的开采可释放被保护层的弹性能,从而达到防治冲击地压的目的;秦子晗等[10]利用数值模拟对不同煤层条件进行保护层模拟开采,对开采保护层后的应力分布规律进行了分析,得出开采下保护层时的卸压范围和卸压效果要优于开采上保护层的结论;朱术云等[11]通过对大量现场实测资料的统计整理,分析了底板岩性及组合结构对采动底板变形破坏深度的影响,说明了底板岩性及组合结构对底板变形破坏深度具有重要的制约作用。

对于由上覆煤柱造成的下部煤层冲击危险区域,目前一般采取降低应力集中程度、对煤岩层进行卸压转移高应力的方法来防控。这些方法对既定煤柱的卸压、消灾效果不彻底,且实施难度较高、工程量大。

笔者针对受上覆残留煤柱影响的冲击危险区域采用人为制造复合弱化结构体的方法,利用该弱化结构体的耗能作用,以控制和耗散冲击地压能量,使冲击能量由大面积释放转化为在采掘时空上的分块耗散,切断冲击煤层的连续性,从而降低煤柱下采掘空间冲击地压危险。该研究方法在开滦矿区的唐山矿进行了现场实施,实现了残留煤柱区的安全回采。

1 复合弱化结构的构成

1.1 复合弱化结构的定义

复合弱化结构[12-13]是指具有不同物理力学性质的软硬互层结构,一般由坚硬岩层(结构)和软弱岩层(结构)组合而成,其力学特性由两部分岩层自身性质的相互耦合作用所决定。其中软弱结构具有强度低、变形大、裂隙多等特征,并在整个复合弱化结构中起主导作用。

1.2 复合弱化结构的分类

1)根据形成原因分类

根据形成原因不同,复合弱化结构可以分为自然复合弱化结构和工程复合弱化结构。自然复合弱化结构是指天然形成的缺陷结构。工程复合弱化结构是指为了达到某种目的,对完整的煤岩体采用爆破、注水[14]、开挖等手段制造出缺陷结构,缺陷结构与其附近区域形成强度差异的组合结构统称为复合弱化结构。笔者主要研究工程复合弱化结构对煤柱下采掘空间冲击地压的防控作用。

2)根据空间分布形态分类

复合弱化结构在空间分布形态上可以分为纵向弱化结构和横向弱化结构。将煤柱下被保护巷道作为中心,分别在垂直于巷道的顶底板设置纵向软化结构和平行于巷道的两帮设置横向复合弱化结构[15],如图1所示。

(a)纵向弱化结构

(b)横向弱化结构

1.3 复合弱化结构的弱化度描述

由复合弱化结构的基本定义,依据软弱岩层在复合弱化结构中所占比例,引入弱化系数(弱化度)KC,表示复合弱化结构的弱化程度。弱化度KC是指宽度一定,单位面积内软弱岩层厚度与总厚度的比值,具体如图2所示。

图2 复合弱化结构弱化度示意图

KC可表示为:

(1)

式中:∑hr为复合弱化结构中软弱岩层厚度之和,m;H为复合弱化结构总厚度,m。

软弱结构在整个体系中占比越高,则结构的弱化度越大,整体结构的强度就越低,黏性及稳定性就越差,冲击危险性越低;反之,结构的弱化度越小,整体结构的强度就越高,结构的弹脆性质越显现,冲击危险性越高。

2 上覆煤柱诱发冲击地压的力学机制

在上覆残留煤柱的作用下,不仅在残留煤柱上会形成应力,且应力会向底板下部的煤岩层传递,对下方煤层回采巷道的布置和维护产生重要影响。煤柱应力分布模型如图3所示,其中:σ上为5煤层残留煤柱上的应力分布,因煤柱宽度不同形成2种应力分布形态,Ⅰ为凸形分布,Ⅱ为马鞍形分布;σ下1为布置在采空区下方的巷帮应力分布,σ下2为布置在煤柱下方的巷帮应力分布。

图3 煤柱应力分布模型图

根据唐山矿Y484工作面煤层条件,运用RFPA[16]数值模拟软件进行上部残留煤柱应力影响下的模拟计算,结果如图4～6所示。

图4 残留煤柱应力分布

由图4可知,受采动影响,采空区内应力大大降低,在煤柱中分布着高集中应力,残留煤柱的应力集中程度高于采空区侧,说明此处的应力高度集中,且煤岩聚集较高的弹性能,煤柱下方巷道的冲击危险性较高。

由图5可知,受采动影响,采空区下方巷道应力降低(低于原岩应力),煤柱下方的巷道出现较大应力集中,冲击危险性高。

图5 下部巷道应力分布

由图6可知,采空区下方巷道应力较低、变形破坏小、声发射较少,说明采空区下方巷道冲击危险性较低;煤柱下方巷道应力集中、变形破坏严重、声发射密集,说明上覆煤柱下方巷道冲击危险性较高。

图6 研究区声发射图

3 复合弱化结构防控冲击地压原理

3.1 复合弱化结构对冲击倾向性指数的调控

通过研究不同弱化度条件下的复合弱化结构对煤体冲击倾向性评价指标中的弹性能指数和冲击能指数的影响规律[17],分析复合弱化结构对冲击倾向性指数的调控机理。

3.1.1 复合弱化结构对弹性能指数的调控

图7为复合弱化结构的弱化度与弹性能指数关系图[18-19]。

图7 弱化度与弹性能指数关系示意图

由图7可知,随着复合弱化结构弱化度的增大(KC1=0、KC2=10、KC3=30、KC4=40),煤体破坏过程中软岩的特征越来越明显,主要表现为峰值前弹性模量逐渐变小,形变量逐渐增大,积聚的弹性能逐渐减小,耗散的能量逐渐增大。根据式(2)可知,弹性能指数随弱化度的增大而逐渐减小。

(2)

式中:WETn为第n层煤岩体的弹性能指数;φSPn为第n层煤岩体在破坏前所积聚的弹性能;φSTn为第n层煤岩体破坏峰值前所耗散的弹性能;S(AnBnCn)为第n条加载曲线所围成的面积;S(AnOBn)为第n条卸载曲线所围成的面积。

3.1.2 复合弱化结构对冲击能指数的调控

图8为复合弱化结构的弱化度与冲击能指数关系图[18-19]。

图8 弱化度与冲击能指数关系示意图

由图8可知,随着复合弱化结构弱化度(KC1=0、KC2=10、KC3=30、KC4=40)的增大,煤体破坏后(峰值后)的一次性破坏程度越来越小,一次性突然释放的弹性能越来越少,缓慢耗散的能量越来越多。根据式(3)可知,冲击能指数随弱化度的增大而逐渐减小。

(3)

式中:KEn为第n层煤岩体的冲击能指数;ESn为第n层煤岩体破坏峰值前所积聚的冲击能;EXn为第n层煤岩体破坏峰值后所耗散的冲击能;S(AnOCn)为第n层煤岩体破坏峰值前的曲线与坐标轴围成的面积;S(AnBnCnDn)为第n层煤岩体破坏峰值后的曲线与坐标轴围成的面积。

3.2 复合弱化结构的防冲原理

3.2.1 复合弱化结构的弱化力学机制

复合弱化结构与原始煤层的应力应变曲线如图9所示,其中曲线AE为原始煤层的应力应变曲线,曲线A′J′为复合弱化结构的应力应变曲线。原始煤岩体在单轴压缩条件下可以划分为5个阶段,分别为:原始孔隙压密阶段(OA)、线弹性阶段(AB)、弹塑性过渡阶段(BC)、塑性阶段(CD)和破坏阶段(DE)。

图9 含有缺陷结构的应力应变曲线

而复合弱化结构由于弱化层的影响,导致煤岩体的应力应变曲线呈现出分阶段形式:OA′为裂隙压密阶段,因强度低,所以提前压密阶段缩短;B′C′为第一稳定阶段,弱化结构破坏至一定程度,能量部分释放;C′D′为再次压密阶段,当结构破坏达到稳定后便会继续积聚能量;此后便重复进行,直到整个复合弱化结构的承受极限,就会出现和普通煤岩体一样的破坏阶段,释放积聚的能量。此时能量经过分阶段的耗散和释放,到达破坏峰值时的应力、能量与普通煤岩体相比降低幅度大,释放的能量较小,达到消除冲击危险的目的。

3.2.2 复合弱化结构对冲击能量耗散原理

采用多个复合弱化结构对冲击危险区域的冲击能量进行耗散,从而降低冲击危险性。设定第1个复合弱化结构W1耗散的能量为UW1,第2个复合弱化结构W2耗散的能量为UW2,以此类推,第n个复合弱化结构Wn耗散的能量为UWn,如图10所示。

图10 多能级的复合弱化结构耗散原理图

在n个复合弱化结构的复合作用下,经复合弱化结构耗散后的单元区剩余的能量为:

(4)

式中:Uq为经复合弱化结构耗散后剩余的能量,J;U为复合弱化结构耗散前的能量,J;UWi为第i个复合弱化结构耗散的能量,J;n为复合弱化结构的数量;U0为冲击地压发生的临界能量,J。

由式(4)可知,可以通过2种方式来降低经复合弱化结构耗散后剩余的能量Uq:首先,可以通过增加复合弱化结构的个数n,将冲击危险区域积聚的能量U进行多次耗散,从而降低结构体剩余的能量;然后,可以增加每个复合弱化结构耗散的能量UW,即加大复合弱化结构的弱化度KC,使每个复合弱化结构吸收和耗散更多的冲击能,降低结构体剩余的能量。

3.2.3 确定合理参数

对于既定的煤岩层条件,煤柱的极限破坏宽度可通过现场实测基本确定;也可通过实测矿压数据,采用数值模拟反演煤岩力学参数,然后获取煤柱极限破坏宽度。针对唐山矿Y484工作面进行了数值模拟,得到煤柱极限破坏宽度为7.7 m。

4 复合弱化结构防冲实践

4.1 工程概况

Y484工作面位于岳胥区14水平,开采9煤层,其北部为T1493采空区,南部为Y485、Y486工作面采空区及其煤柱,东部西部为本工作面,上部为5煤层的T1452、T1453采空区及其形成的不规则大面积煤柱(蓝线内区域),9煤层和5煤层层间距50 m左右;本煤层工作面南侧留有Y485、Y486保护煤柱(白色区域),该区域埋深约1 000 m,如图11所示。

图11 研究区域平面示意图

该区域受上部煤柱及本层煤柱影响,且位于盆地区域,多因素叠加造成该区域冲击危险性较高。

4.2 复合弱化结构的布置

1)凸形煤柱内制造工程复合弱化结构

在运输巷分别向Y485运料巷、Y485运煤巷和Y485回风巷分割的2个煤柱内实施开挖硐室,结合钻孔爆破[20]的工程复合弱化结构,硐室的开挖宽高深为2.5 m×2.5 m×4.0 m,并在硐室内均匀布置孔深为7.0 m爆破钻孔;在煤柱侧方其他位置布置爆破钻孔,爆破钻孔的参数与上述相同,通过硐室和爆破使残留煤柱上积聚的能量得以提前释放,降低煤柱中高应力区域的能量,形成复合弱化结构部分。具体布置如图12所示。

图12 凸形煤柱区工程复合弱化结构示意图

2)在巷道围岩内制造弱化结构

在巷道两帮与顶板通过人工实施形成一个范围较大的复合弱化结构,如图13所示。

图13 巷道返修形式的复合弱化结构

通过在工作面回风巷、运输巷和煤柱区巷道中实施强力扩修,扩大煤层松动圈;通过向围岩实施爆破,在松动圈外形成裂隙体。两者联合形成弱化结构。通过人为制造复合弱化结构,使变形破坏主要集中在巷道支护体外的原始煤岩层中,迫使支护圈内应力向外转移,能量得到释放,从而保护巷道的安全。

4.3 防治效果检验

采用钻孔应力法和钻屑法进行冲击地压监测。在工作面运输巷具有强冲击危险区域布置钻孔应力计。距离强冲击危险区域外50 m处布置第1台钻孔应力计,随后向回采方向每隔30 m布置1台。钻孔直径为42 mm,钻孔深度10.0 m,钻孔距底板高度1.2 m,单排布置,钻孔方向为水平布置并垂直于巷道煤壁。采用上述措施后,由现场测得数据绘制危险区域的应力变化曲线,如图14所示。

图14 过煤柱期间运输巷危险区域应力监测曲线

由图14可知,在实施工程复合弱化结构后,运输巷危险区域的压力值随着工作面向前开采逐渐趋于稳定,且始终小于冲击危险预警值4.5 MPa,可见复合弱化结构已起到释放能量的作用。通过减小巷道应力的作用,达到了消除冲击危险的效果。

在强冲击危险区域的运输巷靠煤壁侧每隔50 m布置一组钻孔进行监测,每组3～5个钻孔,钻孔直径为42 mm,钻孔深8.0 m,钻孔间距5.0 m,钻孔距底板高度1.2 m,单排布置并垂直于煤壁。根据钻屑法监测的数据,对其中一组(5个钻孔)监测结果进行分析,可得煤粉钻屑量变化曲线,如图15所示。

图15 过煤柱期间运输巷危险区域钻屑法监测数据

由图15可知:1#～5#钻孔的煤粉钻屑量均随钻孔深度的增大而增大,在钻孔深4.0 m后,钻屑量相差较大,说明在煤壁内4.0 m后煤体稳定性下降,周围煤体能够产生挤压力作用。在孔深7.0 m时钻屑量较孔深4.0 m时出现了较大的增量,但都未超过临界值4.0 kg/m。可见复合弱化结构已起到卸压、降低煤体内积聚的冲击能量的作用,消除了运输巷危险区域的冲击危险。

5 结束语

1)提出了工程复合弱化结构防冲思路,并进行了复合弱化结构的定义,同时提出了定量的描述方法。

2)采用理论分析和数值模拟的方法,分析了上覆煤柱诱发冲击地压的力学机制:在上覆煤柱作用下,应力集中程度高,当下部煤层工作面采动时,上覆煤柱下方巷道受上部煤柱高应力和本煤层采动应力叠加影响,冲击危险性将会大大增高。

3)随复合弱化结构弱化度的增大,弹性能指数、冲击能指数得以大幅降低,复合弱化结构能够分段耗散弹性能,降低冲击危险性。

4)针对唐山矿Y484工作面的地质和开采条件,采取复合弱化结构的措施,形成了大范围裂隙带,有序减弱了煤柱内弹性能,实现了安全采掘的目标。