我国煤炭深部开采冲击地压特征、类型及分源防控技术.pdf

第 45 卷第 1 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 1 2020 年1 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJan. 2020 移动阅读 潘俊锋,齐庆新,刘少虹,等. 我国煤炭深部开采冲击地压特征、类型及分源防控技术[J]. 煤炭学报,2020,45 1111-121. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. YG19. 1638 PAN Junfeng,QI Qingxin,LIU Shaohong,et al. Characteristics,types and prevention and control technology of rock burst in deep coal mining in China[J]. Journal of China Coal Society,2020,451111-121. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. YG19. 1638 我国煤炭深部开采冲击地压特征、类型及分源防控技术 潘俊锋1,2,4,齐庆新3,4,刘少虹1,2,4,王书文1,2,马文涛1,2,亢鑫超5 1. 煤炭科学研究总院 开采研究分院,北京 100013; 2. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部,北京 100013; 3. 煤炭科学研究总院 深部开采 与冲击地压防治研究院,北京 100013; 4. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013; 5. 中国矿业大学北京 力学与建筑工 程学院,北京 100083 摘 要我国煤炭资源大规模步入深部开采,深部开采冲击地压事故频繁发生,为了厘清深部开采 冲击地压特点、启动类型以及防治与浅部开采的区别,为深部开采防治冲击地压提供理论与技术指 导,以我国煤炭资源深部开采冲击地压特征研究为切入点,从诱发冲击地压的载荷源角度,结合工 程实例,建立力学模型,研究提出了我国深部开采冲击地压的 3 种类型,最后提出了深部开采巷道 冲击地压动静载荷分源防控方法。 结果表明,我国煤炭深部开采冲击地压特征总体表现为因基础 静载荷充足,发生门槛降低,冲击显现位置点多面广,发生原理隐蔽性、自发性、时滞性占比大,防治 范围扩大,应力恢复快,高强度、长时效卸压要求突出;将我国煤炭深部开采冲击地压划分为 3 种类 型,即深部动静载叠加型、深部高静载加载型、深部高静载卸荷型。 深部动静载叠加型,因深部煤炭 资源高地压环境,与浅部相比,较高的基础静载荷获得微动载扰动、叠加可发生冲击地压。 深部高 静载加载型冲击地压,其静载荷缓慢对极限平衡区加载过程冲击是材料失稳,导致工程结构体结构 动力失稳的结果,而深部高静载卸荷型冲击地压,其高静载荷最小阻抗带减小,静载荷卸荷过程是 围岩结构稳定性遭到破坏,导致工程结构体材料动力失稳的结果,2 者存在本质差别;深部冲击地 压防控与常规浅埋冲击地压防控,差别在于基础静载荷充足,增量顶板等动载荷来源复杂,冲击危 险区域基础静载荷获取增量静、动载荷门槛降低,因此必须高强度、长时效实现静、动载荷源分源防 控,阻止诱发冲击地压的载荷条件形成;在动静载荷分源防控指导思想下,针对顶板动载荷源,开发 了顶板“钻-切-压”一体化技术,深度弱化顶板,消除顶板动载源;针对巷道两帮垂直应力集中,开 发了煤层一次成孔 300 mm 超大直径无人钻孔技术,高强度、长时效疏导煤体垂直应力;针对巷道 底板高水平应力,开发了巷道底角联排桩基,高强度切断水平应力,阻止底板冲击滑移等技术,现场 应用效果良好。 关键词冲击地压;深部开采;深部冲击地压;类型;分源防控;加载;卸荷;动静载 中图分类号TD324 文献标志码A 文章编号0253-9993202001-0111-11 收稿日期2019-11-26 修回日期2019-12-26 责任编辑常 琛 基金项目国家重点研发计划资助项目2017YFC0804204;国家自然科学基金资助项目51704055;中国煤炭科工集团面上基金资助项目 2017MS006 作者简介潘俊锋1979,男,陕西旬邑人,研究员,博士。 E-mailpanjunfeng yeah． net Characteristics,types and prevention and control technology of rock burst in deep coal mining in China PAN Junfeng1,2,4,QI Qingxin3,4,LIU Shaohong1,2,4,WANG Shuwen1,2,MA Wentao1,2,KANG Xinchao5 1. Coal Mining Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2. Coal Mining and Designing Department,Tiandi Science and Technology 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 Co. ,Ltd. ,Beijing 100013,China; 3. Deep Mining and Rock Burst Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 4. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization,Beijing 100013,China; 5. School of Mechanic deep mining;deep rock burst;type;source control;loading;unloading;dynamic and static loads 资源禀赋与区域经济决定了我国深部煤炭资源 开发势在必行。 世界主要采煤国家中,德国最大开采 深度达到了 1 713 m[1]。 俄罗斯仅顿巴斯矿区就有 30 处矿井的开采深度超过了 1 200 m, 最深 达 到 1 400 m[1]。 波兰煤矿最深达到 1 300 m[1]。 日本 和英国的煤矿曾经最深开采深度分别达到了1 125 m 和 1 100 m[1]。 据国家煤监局 2015 年调研,我国超 过 800 m 采深矿井 139 处[1-2]。 除了上述矿井,我国 近 4 a 来新增陕西彬长、永陇矿区 12 座矿井、鄂尔多 斯呼吉尔特矿区、上海庙矿区共分布深部矿井 16 对、 神华集团新街台格庙矿区规划建设 5 对矿井、甘肃省 庆阳市新发现九大煤田、山东黄河北矿区规划建设 5 对矿井等累计产能可达 6 亿 t/ a,这些亿吨级矿区已 经出现或面临冲击地压灾害,并且都是将来承接将近 211 第 1 期潘俊锋等我国煤炭深部开采冲击地压特征、类型及分源防控技术 70任务的优质“接力” 资源,因此冲击地压矿井不 能“一关了之”。 我国加大深部开采冲击地压灾害防 控研究是保障能源稳定供应的前提条件。 我国自 1933 年在抚顺胜利矿认定出冲击地压以 来,经历了 20 世纪 40 年代引进、消化阶段,比如冲击 地压、冲击倾向性、岩爆等词,煤层大孔径卸压、爆破 卸压方法等都是从前苏联、德国、波兰等国引进 来[3-5]。 20 世纪 80 年代后才开始进入自主理论认知 阶段,出现了“三准则” [6],“失稳理论”[7]、“三因 素” [8]机理乃至后期的“强度弱化减冲理论”[9]、“冲 击启动理论” [10] 和“冲击扰动响应失稳理论” [11] 等。 在理论认知基础上,近 10 a 来部分学者在大量的工 程实践基础上探索出了理论与防冲技术体系[12-15]。 这些成果对解决我国浅部矿井,甚至700 m 以浅冲击 地压问题起到了巨大作用。 然而,传统的适应于浅部矿井的冲击地压防控方 法与技术适用范围小,对象单一,卸压强度低,而深部 开采覆岩结构复杂,冲击地压受高位远场大覆岩结构 调整,近场低位顶板垮断动载和煤层、底板高集中静 载等互馈、反复作用,突出表现出浅埋开采方法、经验 与深部开采条件不相适应的矛盾;高强度回采与冲击 地压高强度防治要求的矛盾。 笔者以我国深部开采冲击地压发生及防控特征 为切入点,从诱发冲击地压的载荷源角度,结合工程 实例,深入研究了我国深部开采冲击地压的类型,最 后提出了深部开采巷道冲击地压动静载荷分源防控 方法,技术应用效果良好,为深部开采局部防治冲击 地压提供思路借鉴。 1 我国煤炭深部开采冲击地压特征 1． 1 我国深部开采冲击地压新现象与案例 近年来,深部开采,尤其是近800 m 采深的矿井, 除了常见的动静叠加型冲击地压外,出现了一些新现 象 1深部掘进巷道工作面无前兆性抛出性冲击, 例如2014 年高家堡矿一盘区辅运大巷掘进工作面 “1113”冲击;2014 年孟村矿主运大巷掘进工作面 “65”冲击。 2深部孤岛综放工作面初采期间,工作面、两 巷整体性冲击,例如2015 年赵楼矿 1305 孤岛综放 工作面推进 0． 75 m,工作面连同两巷超前支护段 “729”整体冲击事故。 3深部掘进巷道滞后工作面 20 600 m 发生 无动载源冲击,例如2011-11-03,千秋煤矿 21221 运输巷滞后掘进工作面 50 450 m 发生冲击地压; 2013-08-05,星村煤矿 3302 工作面上巷掘进工作面 后方的已成型巷道内发生了严重的冲击事故,损坏巷 道达 150 m;2018-10-20,龙郓煤业 1303 工作面泄水 巷与 3 号联络巷贯通掘进发生冲击地压,造成掘进工 作面后方 348 m 巷道不同程度破坏。 4深部盘采区在用大巷发生无动载源冲击, 例如2017 年高家堡煤矿一盘区 3 条在用大巷春节 停产期间“23”冲击;2016 年梁宝寺煤矿采区集中 轨道巷和轨道巷交叉口处“815”冲击,周围没有采 掘活动。 5深部回采工作面超前 300 m 以远也发生无 动载源冲击,例如20092013 年千秋煤矿 21141 综 放工作面运输巷超前工作面 600 900 m 段多次冲 击。 上述 5 种现象,因为没有明显动载源参与,并且 前 2 种与后 3 种从冲击形成过程也存在本质的差别, 即深部掘进工作面与孤岛工作面整体冲击过程都表 现出卸荷特征,而其他 3 种情况都表现出加载特 征[16-19]。 1． 2 深部开采冲击地压发生时空特点 我国浅部冲击地压主要受坚硬顶板影响,特点单 一。 深部开采冲击地压更为复杂,更为隐蔽,比如从 发生地点来说,我国深部开采冲击地压在开拓大巷、 采区巷道、永久硐室、回采工作面、临空回采巷道、实 体煤回采巷道、掘进工作面、掘进工作面后方巷道都 有发生;从发生时间上来看,有触发即时性冲击、也有 时滞性冲击、初采期、末采期冲击;从显现特点来看, 以底板鼓起为主,伴随两帮收缩,顶板下沉[20]。 1． 3 深部开采冲击地压发生机理特点 近年来,我国煤炭深部开采,尤其是近 800 m 采 深的特厚煤层矿井,除了常见的动静叠加型冲击地压 外,出现了一些新现象,即纯静载荷自发型冲击。 此 类冲击地压发生区域往往为巷道基础静载荷充足区 域,如地质构造、相变带、邻近巷道群、采空区等影响 的巷道区域,且具有如下特点① 自发性在无外力 扰动的情况下发生,如采掘活动、顶板运动、矿震等; ② 时滞性在成型巷道已稳定并进行 2 次支护较长 一段时间之后突然发生[21-22]。 此类冲击地压隐蔽性 非常强,自发性和时滞性的特点是其区别于常规冲击 地压的重要特征。 1． 4 深部开采冲击地压防控难点 1埋深大,由重应力、水平应力构成的基础静 载荷充足,冲击地压发生门槛降低,防控范围点多面 广,新建矿井开拓期间大巷就能发生冲击。 2与浅部相比,地层结构复杂,远场高位覆岩 311 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 结构调整,近场低位顶板垮断,都可以提供冲击动载 荷源。 3煤层埋深大,传统卸压方法,应力恢复快,卸 压时效短,需要强卸压、勤卸压施工,卸压过程中冲击 地压伤亡事故频发。 4受“压、剪、挤、推”连续作用,87 巷道底板 大变形、冲击剧烈,成为能量释放通道,底板冲击显现 难以解决。 总的来说,我国煤炭深部开采冲击地压特征表现 为发生门槛降低,冲击显现位置点多面广,发生原理 隐蔽性、自发性、时滞性占比大,防治范围扩大,应力 恢复快,高强度、长时效卸压要求突出。 2 我国深部开采冲击地压主要类型 理清深部开采冲击地压类型最终还得从力学过 程来分析,从发生力学条件上看,深部开采冲击地压 发生加载过程、卸荷过程都可能存在,本文在界定材 料破坏、结构破坏基础上,将强度不足材料失稳和稳 定性不足结构失稳联动起来来解析冲击地压过程,从 而对深部冲击地压进行分类。 2． 1 深部动静载叠加型冲击地压 深部动静载叠加型冲击地压主要发生条件是,由 于埋深较大,一般超过 650 m,自重应力及水平构造 应力较充足,但是即使在各种局部静载荷叠加下仍达 不到冲击启动的临界载荷,在外界小的动载荷扰动下 就能导致冲击地压显现,例如 2016 年发生在双鸭山 东保卫煤矿的“722”冲击地压事故,以及近期鄂尔 多斯矿区多数矿井发生在紧邻上区段采空区回风巷 的冲击地压等。 以鄂尔多斯矿区葫芦素煤矿为例分 析说明。 2． 1． 1 工程背景 葫芦素煤矿 2-1 煤开采深度为 657 m,煤层倾角 为近水平,煤厚平均为 2． 54 m,煤层具有强冲击倾向 性,顶板具有弱冲击倾向性,底板无冲击倾向性。 顶 板岩性多以粉砂岩、砂质泥岩为主,底板岩性多为砂 质泥岩及粉砂岩。 21103 工作面为葫芦素煤矿首采区第 2 个回采 工作面,西邻 21102 工作面采空区,区段煤柱 30 m, 东临 21104 准备工作面,工作面长 320 m,走向可采 长度 4 150 m,工作面位置如图 1 所示。 21103 工作 面自回采以来,共发生 4 次冲击地压。 图 1 所示位置 为 2017-11-18,工作面累计推进 548 m 时,发生冲击 地压,回风巷冲击显现长度 60 m,导致机尾无安全出 口,共破坏锚杆 30 根,锚索 15 根,损坏单体 10 根,具 体显现位置如图 1 所示,图 2 为现场破坏照片。 图 1 工作面布置与冲击地压显现位置 Fig． 1 Working face layout and rock burst display position 图 2 “1118”冲击显现照片 Fig． 2 “1118”rock burst display photos 2． 1． 2 力学原理 1基础静载荷分析 图 3 为紧邻上区段采空区的回风巷两帮应力监 测数据,可见,应力最大值分布在工作面附近,随着远 离工作面,回风巷帮部应力逐渐下降,直至稳定在 4 5 MPa。 同时发现, 局部出现应力异常增高 1． 5 4． 2 倍,均分布在煤柱硐室周围,这表明煤柱 硐室对应力的影响极为显著,容易发展成为冲击危险 源。 如图 4 所示,“26”冲击、“215”冲击发生期 间,受地质条件影响,21103 工作面超前支承压力峰 值区大幅前移。 2 月 6 日,工作面前方峰值应力与 21102 运输巷倒车硐室引起的集中应力发生叠加,为 “26”冲击发生提供充分静载荷源。 工作面继续推 进 32 m,工作面前方峰值应力与 15 号联巷引起的集 411 第 1 期潘俊锋等我国煤炭深部开采冲击地压特征、类型及分源防控技术 图 3 回风巷应力柱状 Fig． 3 Stress column diagram of return roadway 图 4 “26”冲击、“215”冲击静载荷演化示意 Fig． 4 Schematic diagram of static load evolution of “26” and “215”burst 中应力发生叠加,为“215”冲击发生提供充分静载 荷源。 2诱发动载荷分析 如图 5 所示,21103 工作面回采过程中,大能量 事件主要分布在 F14,F16 断层附近,以及临空侧煤 岩体附近。 由于断层分布在胶带巷侧,对回风巷围岩 应力扰动强度较低,因此,主要临空侧顶板破断过程 中产生的动载荷诱发冲击地压显现。 图 5 21103 工作面微震事件分布情况 Fig． 5 Distribution of microseismic events in working face 3显现原理分析 如图 6 所示,建立临空巷道煤柱侧基础静载荷与 动载叠加冲击力学模型,假设巷道无限长。 临近采空 区的煤柱中存在应力集中 δ1,对应集中静载荷区 Ω, Γ 则为巷帮塑性区域,Ed为来自上区段采空区顶板 垮断带来的动载荷。 图示模型发生冲击地压时,集中 静载荷区 Ω 处受到上区段采空区 Ed扰动、加载,因 此最先达到极限而发生动力失稳,释放出高速冲击性 能量,此能量须分别通过巷帮塑性区 Γ、支护区 S,仍 有剩余能量才将以煤岩、设备为载体主要以动能释放 出来,冲击地压过程完成。 图 6 基础静载荷与微动载叠加冲击力学模型 Fig． 6 Burst mechanics model of superposition of base static load and micro-dynamic loads 由此,图 6 所示力学模型,其冲击地压显现的能 量判据为式1 ∫ ΩEΩdΩ ∫ ΩEdΩdΩ -∫ ΓUΓdΓ - E S - E CΩ Γ 0 1 其中,EΩ为 Ω 处所集聚静载荷密度;EdΩ为系统外动 载荷到达 Ω 处时的能量密度;UΓ为 Γ 处煤体重新加 载所吸收的能量密度;ES为巷道支护应力场所具有 的对围岩的约束能;EC为巷帮煤体动力失稳所需要 的最小能量。 式1不仅描述了巷道动静载荷叠加 导致冲击地压发生的能量条件,而且描述了冲击地压 的启动过程。 2． 2 深部高静载加载型冲击地压 深部高静载加载型冲击地压,加载过程是材料失 稳,导致工程结构体结构动力失稳的结果。 其主要特 点是,在无外界动载荷参与条件下,采掘巷道围岩极 限平衡区内静载荷缓慢积聚,而巷道围岩强度不可避 免的劣化,长期强度降低,缓慢积聚的集中静载荷达 到极限时,爆发动力冲击。 此类冲击地压案例如 2016 年肥城梁宝寺煤矿采区大巷“815”冲击;2016 年鹤岗峻德煤矿开切眼“925”冲击;2017 年彬长高 家堡煤矿盘区大巷“23”冲击。 本文以高家堡盘区 大巷冲击为例说明。 2． 2． 1 工程背景 高家堡煤矿主采 4 煤层,煤层埋深为 940 m,煤 层厚度平均为 9 m,倾角为 7左右,煤层及其顶板具 511 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 有强冲击倾向性。 矿井采用盘区式布置,首采一盘区 回风大巷、胶带运输巷和辅助运输巷均布置在煤层 中,巷间煤柱 35 m。 大巷采用直墙半圆拱形状、宽度 5 m 左右、高度 4． 0 4． 7 m,托顶煤 1． 5 m,采用锚网 索支护,由于褶曲的存在,巷道留有厚度不均的底煤。 高家堡矿井自 2014 的 7 月份揭煤施工以来,在大巷 掘进期间和巷道成型后多次出现无动载参与冲击地 压动力现象,具体表现为底板迅速鼓起,两帮突然鼓 出,肩窝及顶板出现下沉,锚杆索出现断裂现象, 同时伴随有响亮的煤炮声。 图 7 为 2017-02-03 发生冲击地压示意,一盘区 胶带大巷内,自 2 号联络巷门口向下 30 205 m 出现 底臌,底臌高度 0． 5 1． 0 m,长度 100 m 范围内胶带 移位。 一盘区回风大巷内,反风道门口向上 50 m 处 开始,长度30 m 范围内胶带和排水管路移位,底板部 分区域鼓起1 m 左右,部分顶板离层。 一盘区辅运大 巷内,自 2 号联络巷门口向下 20 m 至 101 回风外段 门口范围部分喷浆层掉落。 图 8 为冲击地压造成的 巷道破坏照片。 图 7 盘区巷道冲击显现区域示意[23] Fig． 7 Schematic diagram of burst display area of panel roadway[23] 2． 2． 2 力学原理 图 9 为采用计算机仿真技术,模拟 3 条大巷在不 同开挖距离后的应力分布及相互影响情况。 由图 9 可以看出,一盘区辅运大巷、胶带大巷和回风大巷在 掘进过程中,其巷道围岩内都出现了垂直应力、水平 应力集中现象,并且垂直应力在巷道两侧和前方均有 应力升高。 尤其是在两巷间的 35 m 煤柱内垂直应 力、水平应力分布相对较高,巷道掘进形成的应力影 响范围在煤柱内相互叠加,造成其应力值较高,说明 大埋深巷道两帮经历了多次静载荷叠加,并且不可避 免。 从历次案例来看,一盘区大巷在掘进期间还是在 正常使用期间,冲击地压发生的区域大致相同,并且 处于褶曲带。 由文献[23]分析,褶曲构造提供了增 量静载荷。 如图 10 所示,以单一巷道为例,建立静载荷加载 图 8 巷道破坏照片 Fig． 8 Roadway failure photos 图 9 盘区巷道群应力分布云图[23] Fig． 9 Stress distribution of roadway group[23] 冲击力学模型,假设巷道无限长。 深部盘区巷道群掘 进,造成单一巷道两帮垂直应力,水平应力都升高,水 平力主要表现在顶底板,在冲击地压显现过程中主要 起到推动作用,这里主要分析垂直应力。 如图 10 所 示,以巷道一侧为例,巷帮极限平衡区存在应力集中 δ1,当相邻巷道掘进时又产生 δ2,对应的集中静载荷 区为 Ω,Γ 则为巷帮塑性区域,S 为人工支护区域。 图示模型发生冲击地压时,集中静载荷区 Ω 处静载 荷 EΩ受到临近巷带来的 E′ Ω加载,因此最先达到极限 611 第 1 期潘俊锋等我国煤炭深部开采冲击地压特征、类型及分源防控技术 而发生动力失稳,释放出高速冲击性能量,此能量须 分别通过巷帮塑性区 Γ、支护区 S,仍有剩余能量才 将以煤岩、设备为载体主要以动能释放出来,冲击地 压过程完成。 图 10 静载荷叠加冲击力学模型 Fig． 10 Static load superposition burst mechanics model 由此,图 10 所示力学模型,其冲击地压显现的能 量判据为 ∫ ΩEΩdΩ ∫ ΩE′ΩdΩ -∫ ΓUΓdΓ - E S - E CΩ Γ 0 2 其中,E′ Ω为临近巷道掘进带来的能量密度。 式2不 仅描述了巷道纯静载荷叠加导致冲击地压发生的能 量条件,而且描述了冲击地压的启动过程。 2． 3 深部高静载卸荷型冲击地压 深部高静载卸荷型冲击地压,卸荷过程是结构稳 定性遭到破坏,导致工程结构体材料动力失稳的结果。 其特点主要是,采场或者巷道本身就处于高应力区域, 并且已经达到极限稳定状态,只是处于三维应力状态 约束环境,而一旦采动或开挖,造成空洞,能量释放的 最小抵抗带不足,造成结构性失稳冲击。 冲击案例如 2014 年彬长高家堡煤矿大巷工作面“1113”冲击; 2013 年 1 月 30 日,新疆硫磺沟煤矿4-5煤层 04 工 作面运输巷掘进工作面冲击地压;2015 年菏泽 赵楼矿初采综放工作面“729”整体冲击。 本节以 发生在孤岛综放工作面的赵楼煤矿冲击地压为例说 明。 2． 3． 1 工程背景 赵楼煤矿主采 3 煤层,埋深约 910 m,3 煤层平均 厚度为 6． 1 m,煤层平均倾角为 5,基本顶为中砂岩, 厚度为 4． 55 20． 42 m。 经鉴定 3 煤层具有强冲击 倾向性,煤层顶板岩层具有弱冲击倾向性。 矿井采用 倾斜长壁采煤法、综采放顶煤采煤工艺。 2015-07- 29,1305 工作面发生一起冲击地压事故,如图 11 所 示,该工作面东邻一采区轨道下山,西邻七采区边界, 北为回采完毕的 1304 工作面,南为回采完毕的 1306 工作面和 1307 工作面,1305 工作面为孤岛综放工作 面。 1305 工作面 4 月 2 日掘进施工完毕,7 月 25 日 安装完成。 7 月 27 日开始试生产,截止事故发生时, 运输巷推进 6 m,轨道巷推进 0． 75 m。 图 11 综放工作面位置 Fig． 11 Position of fully mechanized caving face 工作面倾斜长度 136． 7 m,走向长度 573． 6 m,工 作面开切眼附近为煤层分岔区,开切眼西部为岩浆岩 侵入的无煤区,由于 3 下煤层沉积异常,煤层变薄。 经现场勘察,该冲击事故主要是对工作面和两巷道造 成较大破坏,破坏情况如图 12 所示。 图 12 综放工作面及两巷冲击 Fig． 12 Burst display diagram of fully mechanized caving face,return roadway and belt roadway 2． 3． 2 力学原理 多年来,一次采全高的综放工作面架间发生冲击 地压是非常罕见的,早在 20 世纪 90 年代,原煤科总 院北京开采研究所就对深部冲击地压厚及特厚煤层 合理采煤方法进行了论证,认为采用综放开采由于顶 煤的垫层作用,有利于工作面冲击地压防治,并在华 丰煤矿率先推广应用。 但是对于孤岛开采工作面,情 况有变。 如图 13 所示,图 13a为工作面一侧采空 711 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 的数值模拟应力等值线图,由该图可以看出临近采空 区侧巷道以及下隅角出现高应力集中,由图 13b可 以看出,孤岛工作面煤壁以及超前上下两巷都处于高 应力集中区。 图 13 工作面开采应力环境示意 Fig． 13 Schematic diagram of stress environment in mining face 1305 工作面虽然是一次采全高的综放工作面, 但是在自开切眼推进至顶板初次垮落之前,由于不 存在顶板回转、垮断,因此顶煤失去载荷缓冲作用, 初采期间工作面连同两巷都处于高应力集中状态, 并且除了原始高地压外,煤层相变引起的应力梯度 也是静载荷源,工作面开切眼贯通后,煤壁处于极 限稳定状态,一旦削薄能量最小抵抗带厚度,系统 结构稳定性不足,原始静载荷能量就动力释放,造 成冲击地压显现。 如图 14 所示,以初采期间孤岛工作面煤壁为例, 建立开挖基础静载荷卸荷过程冲击力学模型,假设工 作面无限长。 深部孤岛工作面系统形成后,工作面煤 壁以及两巷都处于高应力集中区,如图 14 所示,以工 作面煤壁斜长中一段微小单元为例,煤壁极限平衡区 存在高应力集中 δmax,对应的集中静载荷区为 Ω,Γ 则为煤壁内塑性区域,因为是回采工作面煤壁,因此 缺失了人工支护能力消耗区。 图示模型发生冲击地 压时,集中静载荷区 Ω 处静载荷 EΩ原本受到最小抵 抗带内煤体阻抗,当煤壁受到开挖卸荷时,该区域储 存的高集中能量动力释放,此能量只受到煤壁内塑性 区 Γ 消耗,仍有剩余能量将以煤岩、设备为载体主要 以动能释放出来,冲击地压过程完成。 图 14 开挖基础静载荷卸荷过程冲击力学模型 Fig． 14 Burst mechanics model of unloading process under base static load caused by excavation 由此,图 14 所示力学模型,其冲击地压显现的能 量判据为 ∫ ΩEΩdΩ -∫ ΓUΓdΓ - E CΩ Γ 0 3 深部高集中静载荷区掘进以及孤岛工作面开采, 从力学本质上分析主要是卸荷为主,而顶板-煤层- 底板以及空洞组成的工程结构体建成后,其力学条件 才转为加载为主;煤岩体存在各类节理,这些结构面 在加载力学状态下,仍有很好的力学特征。 但是,卸 荷条件下,在深部高集中静载荷卸荷量很大的情况 下,特别是在拉应力出现后,岩体中结构面的力学条 件将发生本质的变化。 这些结构面迅速劣化岩体质 量,因此其力学参数急剧下降,其力学特征不再符合 在加载条件下研究所得成果。 因此,岩体工程中的加 载和卸荷的力学条件,应予严格区别。 3 深部冲击地压动静载分源防控技术 3． 1 深部冲击地压动静载分源防控原理 冲击地压研究的终极目标是实现有效防控,前文 分析了深部开采冲击地压发生的类型,通过工程案例 与力学原理分析,集中静载荷可以独立导致冲击启 动,而集中动载荷必须通过静载荷集中区来完成,如 果静载荷集中度不够,传递到静载荷集中区的动载能 量将被消耗。 因此对深部冲击地压的防控,核心是降 低静载荷集中程度,并兼顾动载荷源消除,即实现静、 动载荷源分源防治。 除此之外,深部冲击地压防控与常规防控,差别 在于基础静载荷充足,获得外界顶板垮断等增量动载 荷来源复杂,冲击危险区域基础静载荷获取增量静、 动载荷门槛降低,因此必须高强度、长时效实现静、动 载荷源分源防控,从而阻止诱发冲击地压的载荷条件 形成。 3． 2 深部冲击地压动静载分源防控技术方法 我国深部开采冲击地压 90 左右发生在巷道, 因此受国家重点研发计划课题资助,课题组牵头联合 811 第 1 期潘俊锋等我国煤炭深部开采冲击地压特征、类型及分源防控技术 中国煤科西安研究院,中国矿业大学北京,以深部 开采巷道动静载荷高强度、长时效分源卸载为目标开 发了 3 项技术,如图 15 所示。 图 15 深部开采动静载荷分源防控原理与方案 Fig． 15 Pevention and control principle and scheme of dynamic and static load source in deep mining 1顶板“钻孔-水射流切缝-高压水压裂”一体 化多缝同时切割,深度弱化顶板,消除动载源。 2煤层一次成孔 300 mm 超大直径无人钻孔, 高强度、长时效疏导煤体垂直应力。 3巷道底角联排桩基先钻孔卸载后钢管混凝 土阻断,高强度切断水平应力,阻止底板冲击滑移。 图 16 压裂孔及检验孔布置参数 Fig． 16 Layout parameters of fracturing hole and detection hole 3． 3 深部冲击地压动静载分源防控技术效果 1顶板动载荷“钻-切-压”一体化防控。 为了提前消除坚硬顶板瞬间垮断带来集中动载 荷,采用“钻-切-压”一体化技术提前预裂顶板。 如 图 16 所示在冲击地压巷道设置压裂孔 Y,同时在其 周围设置 4 个检测孔A1 A4,具体参数如图 16, 17 及表 1 所示。 Y 压裂孔,按照设计要求切缝 2 次。 压裂过程中,观察检验孔及周边锚索孔出水情况。 图 17 压裂位置示意 Fig． 17 Shematic diagram of fracturing location 表 1 压裂孔及检验孔布置参数 Table 1 Layout parameters for fracturing holes and detection hole 序号类别 孔深/ m 倾角/ 方位角/ 孔径/ mm Y压裂孔156018065 A1检验孔206018065 A2检验孔206020565 A3检验孔206018065 A4检验孔206015565 如图 18 所示,通过 2 次压裂过程中钻孔窥视与 观测孔,锚索孔出水观测。 针对 60 MPa 顶板岩层, 采用高压射流器可形成 3 6 mm 宽度的人工缝槽, 以该缝槽为聚能导线,采用 40 MPa 高压水单次压裂 顶板半径可达 15 m。 从而大幅度降低了顶板大能量 微震事件产生。 图 18 切缝宽度与压裂孔周围检测孔流水情况 Fig． 18 Slit width water flow around fracturing hole 2底板静载荷源联排桩基阻断。 冲击地压煤层底板静载荷联排桩基阻断方案,如 图 19 所示,沿巷道两帮底角先钻进直径为 200 mm 的大直径钻孔,然后在钻孔内植入钢管混凝土。 第 1 步,钻孔过程可释放底板曲屈静载荷;第 2 步,钢管混 凝土可阻断高水平应力推动底板岩层滑移,从而防止 底板冲击显现。 911 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 19 底板静载荷源联排桩基阻断示意 Fig． 19 Block diagram of pile foundation of bottom plate static load source row 图 20 为底板静载荷源联排桩基阻断现场试验效 果对比图。 随着工作面向试验观测区域靠近,监测数 据表明,与没有采用底板联排桩基方案的对照段相 比,采用底板联排桩基的试验段巷道底臌变形量稳定 值由 100 cm 下降至 35 cm,两帮缩进稳定值由 90 cm 下降至 40 cm,顶板下沉量变化不大,不影响巷道正 常使用。 这表明底板桩基可以较好地控制巷道底板 及两帮变形。 图 20 巷道围岩位移-时间变化曲线 Fig． 20 Displacement-time curves of roadway surrounding rock 除此之外,煤体大直径钻孔卸压的重要作用已得 到行业认可,本文不再累述。 4 结 论 1从动静载荷源角度,结合工程案例建立力学 模型对深部冲击地压分类研究,认为深部开采冲击地 压存在深部动静载叠加型、深部高静载加载型、深部 高静载卸荷型 3 种类型。 2深部动静载叠加型,因深部煤炭资源高地压 环境,较高的基础静载荷获得微动载扰动、叠加可发 生冲击地压。 深部高静载加载型冲击地压,其静载荷 缓慢对极限平衡区加载过程冲击是材料失稳,导致工 程结构体结构动力失稳的结果,而深部高静载卸荷型 冲击地压,其高静载荷阻抗带减小,静载荷卸荷过程 是围岩结构稳定性遭到破坏,导致工程结构体材料动 力失稳的结果。 3深部冲击地压防控与常规防控,差别在于基 础静载荷充足,顶板等增量动载荷来源复杂,冲击危 险区域基础静载荷获取增量静、动载荷门槛降低,因 此必须高强度、长时效实现静、动载荷源分源防控。 4在动静载荷分源防控指导思想下,开发了顶 板“钻-切-压”一体化技术,深度弱化顶板,消除动载 源。 煤层 300 mm 超大直径无人钻孔,高强度、长时 效疏导煤体垂直应力。 巷道底角联排桩基,高强度切 断水平应力,阻止底板冲击滑移等技术。 参考文献References [1] 深部开采矿井灾害防治技术现状调研报告[R]. 北京国家煤矿 安全监察局科技装备司,2015. 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