高位厚层砂岩顶板条件沿空巷道强动压消除技术.pdf

第6期祝凌甫李春睿高位厚层砂岩顶板条件沿空巷道强动压消除技术1 试验研究 高位厚层砂岩顶板条件沿空巷道 强动压消除技术 祝凌甫12,李春睿▽ 1.中煤科工开采研究院有限公司，北京100013；.天地科技股份有限公司，北京100013 摘要摘要在高位厚层砂岩顶板条件下的回采巷道，受本工作面超前支承应力、相邻采空区侧向支承 应力等叠加影响，巷道围岩具有“强动压、变形大、维护难”等特征。在分析高位覆岩在侧向载荷传 递机制的基础上，提出利用深孔爆破手段对顶板应力传递路径进行阻断，同时弱化其力学强度、破 坏厚层砂岩完整性的方法。研究表明当煤层上方存在的厚层砂岩顶板，且坚硬完整，是邻空巷道 强动压的重要影响因素，深孔爆破能够对该强动压进行有效消除；现场实践中，通过对工作面回风 巷左右两侧顶板采取深孔爆破预裂技术后，使得邻采空区侧的应力减少至57. 77 62. 5，工作 面的超前支承压力减少至30.4141.53,巷道超前支护段强矿压显现得到明显改 善，巷道变形量明显降低，安全生产得到了保证。 关键词关键词深孔爆破;动压消除；沿空巷道；围岩应力 中图分类号中图分类号TD332 文献标志码文献标志码A 文章编号文章编号1671-749X202006-0001-06 Stro ng dynamic pressure remo val techno lo gy f o r go b side entry under high-levvS trick sundsto ne ro o O co nditio n ZHU Lin g-f u1,2 ,LI Ch u n -r u i1,2 1. CCTEG Co al Mining Researc h Institute, Beijing 100013 , China； 2. Tiandt Sc ienc e ani Tec hno l o gy Ca.,2tU.,Bejing 100013 , China Abstro cO Un -eu t h e c o n dit io n o f h igh -l ev el t h ic k sa n dst o n e r o o f , t h e su r r o u n din g r o c k o f t h e r o a dw a y h a s t h e c h a r a c t er ist ic s o f “st r o u g dy n a mic pr essu r e,l a r u e def o u n a t io u a n d dif f ic c l t ma in t ev a n c e“ dn u t o t h v su per impo seV in Un ev c c o f t h v a Cv en c e su ppo r t st r ess o f t h e w o r k in g f a c e a n d t h e l a t er a t su ppo r t st r ess o f t h e a dja c en t -o a f . Ba sed o n t h e a n a l y sis o f t h e l a t er a t l o a d t r a n sf er mec h a n ism o f h igh -l ev el o v er bu r dev st r a t h, t h v met h o d o f u sin g deep h o l e bl a st in g t o bl o c k t h e st r ess t r a n sf er pa t h o f r o o f a n d w ea n er it s mec h a n ic a l st r en gt h a n d dest r o y t h e in t eer it y o f t h ic k sa n dst o n e is pr o po seV. Th e st u dy sh o w s t h a i t h e t h ic k a n d h a r O sa n d st o n e r o o f a bo v e t h e c o d sea m is a n impo r t a n t f a c t o r a f f ec t in g -h e dy n a mic pr essu r e o f r o a y w a y s- l o o g h o b,2n d t h e deep h o l e bl a st in g c a n eeec t iv el y el imin a t e t h e st r o n g dy n a mic pr essu r e. By a bo pt in g deep h o l e bl a st in g pr e spl it t in g t ec k n o l o a y in t h e r o o f o f r et u r n a ir r o a bw a y o f w o r k in g f a c e, t h e st r ess o f a f side o f r o a d w a y is r ed peed t e 57. 77〜62. 5 , t h e a bv a gee su ppo r t pr essu r e o f w o r a in g f a c e is r eVpc eV t e 30. 41 〜41.53 , t h e st r o a g er o a n d pr es su r e beh a v io u o f a y v a n c ee su ppo r t sec t io a o f r o a bw a y is 收稿日期2022-0-25 *基金项目国家重点研发计划2217YFC0603002,2211YFC0604506；中 煤科工集团基金21231327 作者简介祝凌甫1984，男,四川乐山人,2211年毕业于煤炭科 学研究总院采矿工程专业，硕士,副研究员,现从事煤矿安全高效开 采、矿山压力及岩层控制技术等方面的研究工作。 o a v io a sl y impr o v eV , t h e def o r ma t io a o f r o a bw a y is o bv io a sl y r eVpc eV,a n d t h e st et y pr o Ppc t io u is eu a r a n t eeP. Key w o rds deep h o l o bl a st in g - dy n a mic pr essu r e ePmin a - Uou ; go O side en t r y ； su r r o pn din g r o c k st r ess 2陕西煤炭2022 年 0引言 邻近采空区的巷道往往受到强动压影响而维护 困难，工作面的超前支承压力与侧向支承压力是邻 空巷道矿压显现重要的影响因素⑴。邻空巷道强 矿压显现主要受覆岩结构及围岩自身强度等因素影 响。因此，如何通过基于邻空侧强矿压应力源控制 的巷道卸压技术，成为当前煤矿开采急需解决的问 题。基于大量现场实践，结合巷道高应力产生及应 力转移机理的分析可知,在已有硐室底部掘巷，同时 采取适当的巷道松动爆破措施，可实现掘进巷内的 高应力转移［I］;工作面支架后方矸石及时冒落，释 放围岩变形能，可将工作面集中应力区向煤岩深部 转移，达到工作面煤层卸压目的⑷；对已有采空区 下方掘巷，可取得巷道或硐室顶部卸压的良好效 果⑸；同时采用高强度、高预紧力的锚杆支护、注浆 加固破碎围岩，提高破碎围岩残余强度和锚杆锚固 力，可实现深部巷道围岩的稳定⑹；在特厚煤层内 布置卸压巷并结合松动爆破技术，可解决工作面沿 空巷道难以维护的问题79 ］。可见，对于巷道应力 控制的问题虽已取得众多研究成果，但鉴于巷道围 岩复杂的赋存环境，尤其是邻空巷道的强矿压显现 各不相同，高应力转移机理和控制手段尚未达成统 一共识。 为此,在分析该煤矿32222回采工作面回风巷 道强矿压显现特征的基础上，采用理论分析，深孔爆 破围岩控制及现场效果观测等方法，探讨工作面邻 空回风巷道强矿压显现机理，及深孔爆破后应力变 化特征，以期为深部开采条件下邻空巷道强动压的 消除提供借鉴。 1工程概况 1.1工作面概况工作面概况 工作面位置该煤矿的30202工作面北侧紧邻 30201工作面采空区，采空区的宽度为241 m,30200 工作面与32201采空区之间留有宽20 m保护煤 柱;南侧为实体煤，东侧为采区边界，西侧为工业广 场停采线，工作面的位置关系如图1所示。32222 工作面埋深达到630 m以上，煤体坚硬，单轴抗压 强度约为35.37 MPa。工作面煤层采高平均为 5. 5 m,煤层倾角13，平均为2。，采用全部垮落 法管理顶板。 3调车室 4调车室 31调车室 4调车室 1工作面走向长3 417 工作面倾向宽 图1工作面位置 30202设计工作面走向长3 718.5 30202设计工作面倾向宽268.0 30202-胶带运输巷 30202矿方曾基于多因素 耦合评价方法对危险区域进行了划分，最终得到 32222回风巷强危险区6个，中等危险区1个，巷道 整体矿压危险性较高，如图2所示。 第6期祝凌甫李春睿高位厚层砂岩顶板条件沿空巷道强动压消除技术4 表表1煤层顶底板赋存条件煤层顶底板赋存条件 岩石 平均 名称厚度/m 岩性特征类别 直覆岩粉砂岩 23 灰色粉砂岩，夹深灰色泥质条带及泥 岩薄层，中厚层状，水平层理,含植物 化石碎片 基本顶 中粒 砂岩 7.3 灰白色冲厚层状，块状，中粒长石、石 英砂岩，分选中等，次棱角状，泥质 交结 直接顶 泥质 粉砂岩 236 灰色粉砂岩，以粉砂质为主，次为泥 岩，少量细砂,含较多植物化石碎片 直接底泥岩 5.3 注回风巷联各巷口左右各22 m,均为强冲击危险区 图2 32222工作面强矿压危险性区域划分示意 应力集中情况为验证回风巷围岩应力分布情 况，在回风巷正帮进行了钻孔检验，结果发现钻进至 6-22 m时即出现明显的卡钻现象,可知高应力已 集中在巷道围岩附近。在巷道两帮的煤层进行二 轮、三轮大直径卸压孔,并增加了卸压孔孔径,钻孔 后发现巷帮浅部高应力区依然存在,大直径卸压并 未起到良好的卸压效果。根据煤层开采条件及围岩 分布特征分析得出，受32222工作面前方超前支承 压力,32221采空区侧向应力和32222回风巷保护 煤柱集中应力影响,使得32222工作面回风巷应力 集中程度较高、煤炮声频繁、动压现象明显。其中 3 *煤层上方所存在的近32 m厚的砂岩顶板，由于 其层位完整致密，是侧向应力传递的主要介质。因 此，为了降低应力集中程度，应从应力源即回风巷附 近的顶板入手，避免弹性能的集聚与传播、阻断应力 传递路径。 2沿空高位厚层砂岩载荷传递机制 2. 2传递机制传递机制 依据32222工作面埋藏深度、煤层厚度及顶底 板岩性特征,分析得出随着工作面的不断推进,采空 区侧向覆岩未能及时冒落[12-12],当覆岩破断到基本 顶时,裂隙带高度已发展到最大。其中把垮落带及 裂隙带覆岩统称为低位覆岩，而直覆的厚层砂岩只 产生了弯曲下沉，直覆岩即为高位覆岩。而根据煤 矿的实际情况，侧向支承压力由低位破断覆岩产生 的自重载荷及高位未破断覆岩产生的悬臂载荷共同 决定,巷道侧向覆岩结构及侧向支承压力分布曲线 如图3所示。其中直接顶岩层所承受应力为自重载 荷;基本顶岩层所承受应力为自重载荷、采空区悬露 的一部分重量;直覆岩层所施加应力是将自重载荷 通过以两端“固支梁”的形式存在,通过两端支点以 集中力的形式向下覆煤岩层传递载荷。 a沿空侧覆岩结构 图3坚硬覆岩结构及侧向支承压力分布曲线 2.2典型特征典型特征 内外应力场共同作用这种载荷传递机制的典 型特征是在侧向煤体中产生内、外应力场，即由低位 破断覆岩载荷所控制的内应力场，与高位未破断覆 岩载荷相联系的外应力场共同作用。其特征是内、 外应力场形成的条件为同时存在破断及非破断覆 岩;内、外应力场是伴生关系,二者同时存在又此消 彼长，在同一地质条件下,内应力场范围及应力幅值 的增大，将导致外应力场范围及幅值的降低。即，未 断裂岩层与断裂岩层在侧向煤体产生的附加应力进 行叠加，得到侧向煤体应力分布特征，如图4所示。 图中，△刀为第i层岩层悬露部分自重在侧向煤体 产生的附加应力；AmaX第i层岩层悬露部分自重在 侧向煤体产生的附加应力峰值。 附加应力叠加的影响①邻空侧向各层位岩层 悬露部分自重产生的附加载荷要远大于铰接力产生 的附加载荷，悬露部分自重是造成侧向煤体高应力 4陕西煤炭2220 年 图4侧向产生的附加应力叠加原理示意 的主因;②随着距煤层底板的高度增加，铰接结构产 生的铰接力对侧向煤体的作用逐渐减弱;③不同层 位岩层悬露部分自重产生的附加载荷在侧向煤体中 产生的附加应力峰值基本相同；④低位岩层在侧向 煤体中产生的附加应力影响范围小，但是影响程度 高；⑤高位岩层附加载荷在侧向煤体中产生的附加 应力影响范围大，但是影响程度低;⑥覆岩破断高度 越大，附加应力在侧向煤体中传播距离越远。 3深孔爆破高位强动压消除效果分析 3.1深孔爆破卸压深孔爆破卸压 造成高应力区集中的原因根据邻空侧向覆岩 传递机制分析得出，覆岩破断高度越大，使得附加应 力在侧向煤体中传播距离越远。并且该煤矿30202 工作面高应力区主要为回风巷一侧，说明主要原因 是由于30201工作面顶板未及时充分垮落造成。 卸压方法的选择①方法的选择。受30201工 作面采空区顶板应力传递的影响，回风巷两帮变形 较大、应力普遍较高，需对回风巷顶板采用深孔爆破 卸压的办法，削弱巷道煤帮应力，避免发生动力灾 害。其中从覆岩进行卸压应包括2部分，分别为老 空区应力传递路径的阻断和本工作面的超前支承压 力传递路径的弱化。②老空区应力传递路径的阻 断。主要是在回风巷斜上方顶板进行预裂,人为的 沿着工作面走向形成一条裂缝带。③工作面超前支 承压力卸压。人为的将厚层坚硬顶板强度弱化，不 但可降低周期来压强度和缩小周期来压步距，而且 能够避免应力累积形成“见方性”强矿压。此外，对 本工作面的顶板预裂松动后，能消除大采高工作面 超前支承压力的传播范围,做到从本质上卸压。 3.2实施方案实施方案 结合现场实际情况，在30222工作面回风巷 464 m（回采里程）开始向北施工深孔爆破卸压工 程。每组2个炮孔沿巷道断面平行布置，组间距 3 m,如图3所示,分别为实体煤一侧的A孑L、煤柱 侧的B孔。A孔深55 m,倾角45, B孔深34 m,倾 角 65。。 图3深孔爆破卸压工程剖面 3.3效果分析效果分析 钻孔应力计数据对比①钻孔应力计布置。工 作面二次见方区域为距切前方740 -930 m范围，该 200 m范围在回风巷两帮都进行了钻孔应力计的安 设,在生产帮每隔25 m布置一组深浅孔应力计（分 别孔深4 m、14 m）,煤柱帮每隔23 m布置了一组浅 孔应力计（孔深8 m）。第1组爆破孔与应力计安装 位置对应图，如图6所示。②生产帮爆破区域与未 爆破区域应力对比。生产帮和煤柱帮未采取深孔爆 破的区域与已采取深孔爆破区域的钻孔应力计的应 力变化情况，如图7、8所示。由图7可以看出，生产 帮22扒21钻孔应力计处在未采取深孔爆破区域, 实体煤帮23、24钻孔应力计处在已采取深孔爆破 的区域。由图7可知，生产帮未爆破区域,21孔深 部应力计峰值为1 MPa、浅部峰值为9 MPa,。孔 深部应力计峰值为24 MPa、浅部峰值为21 MPa。可 见,未爆破区域的2。钻孔应力计处应力峰值增量 较大，且在工作面前方1 m左右开始具有陡然增高 趋势。而爆破区域23孔深部应力计峰值为7.3 MPa、 浅部峰值为1 MPa ,24孔深部应力计峰值为3.4 MPa、 浅部峰值为7. 8 MPa。可见，爆破区域的2324钻 孔应力计处应力峰值绝对值较小，且在工作面前方 20 m左右开始呈现缓慢增高趋势。得到钻孔应力 计测站卸压数据对比表，见表2。③煤柱帮爆破区 域与未爆破区域应力对比。根据应力数据，深孔爆 破卸压后的钻孔应力计深部峰值降低至30. 41 8 41.53，浅部钻孔应力计监测的数据显示卸压后峰 值降低至47.61、86.66,可见对实体煤帮14 m 第6期祝凌甫李春睿高位厚层砂岩顶板条件沿空巷道强动压消除技术5 处卸压效果比8 m处更为明显。由图8可知，煤柱 帮未爆破区域,15孔应力计峰值为8 MPa、16孔深 部应力计峰值为15.3 MPa。而爆破区域,21孔应 力计峰值为7. 8 MPa、22孔深部应力计峰值为 5 MPa。并得到钻孔应力计测站卸压数据对比表, 见表3。根据深孔爆破卸压后的煤柱内的钻孔应力 测定，应力峰值分别由15、16钻孔的8 MPa、 13.5 MPa,降低至 21、22钻孔的 7.3 MPa,5 MPa。 卸压后峰值降低至57. 7、62. 5，可见对煤柱帮 的应力有所降低，但降低的幅度没有实体煤帮大。 图6钻孔应力计布置位置 ---回风15浅 回风16深 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2018-08-18 2018-08-25 2018-09-01 2018-09-08 2018-09-15 2018-09-22 2018-09-29 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 a 煤柱帮未爆破区域钻孔应力计测站应力变化曲线 W .. 回风21浅 回风22深 -I 1 .......o rn ■ 1 ■ ■ 1 1 1 1 1 11 1 0 2018-10-04 2018-10-07 2018-10-10 2018-10-12 2018-10-16 2018-10-19 2018-10-22 2018-10-25 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 5煤柱帮已爆破区域钻孔应力计测站应力变化曲线 图8煤柱帮爆破区域与未爆破区域应力对比 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 ----回风20浅 ----回风20深 回风21浅 ....回风21深 2018-09-08 2018-09-15 2018-09-22 2018-09-29 2018-10-06 2018-10-13 2018-10-20 2018-10-27 2018-11-03 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 a20、21 钻孔应力计测站应力变化曲线 表表3煤柱帮钻孔应力计测站数据对比表煤柱帮钻孔应力计测站数据对比表 项目 钻孔应力 峰值8 m孔深 深部卸压 计编号/ MPa效率/ 158122 未爆区域 16133122 爆破区域 217385737 225623 ----回风23深 回风23浅 ----回风24浅 ....回风24深 0 2018-10-04 2018-10-07 2018-10-10 2018-10-16 2018-10-19 2018-10-22 2018-10-25 2018-10-28 2018-10-31 2018-11-03 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 b23、24钻孔应力计测站应力变化曲线 图7生产帮爆破区域与未爆破区域应力对比 表表2生产帮钻孔应力计测站数据对比表生产帮钻孔应力计测站数据对比表 项目 钻孔 应力计 编号/ 浅孔 8 m 处 峰值/MPa 深孔 14 m 处 峰值/MPa 深部卸 压效率 / 浅部卸 压效率 未爆 222124122102 破区 21913122102 爆破 23127.332314731 区域 24735341.3386.36 微震监测能量事件对比32222工作面采用了 ARAMIS微震监测系统对工作面微震能量事件进行 了监测。图9为工作面深孔爆破区域和未爆破区域 顶板微震事件监测的分布图，其中剔除了爆破振动 事件行为。根据爆破前后微震事件分布得到，深孔 爆破后大能量级事件125J多发生在高位的82 m 的上方,且离回风巷距离较远，可见是更高位覆岩的 能量集聚造成的。中能量级的事件123〜104J从 每天发生的次数上有所增多，且事件空间位置向回 风巷一侧偏移，说明大能量在分解、缓释。 4结论 1沿空回风巷应力集中主要受32221采空区 侧向应力和煤柱集中应力影响。而煤层上方存在的 厚层砂岩顶板,完整致密,是侧向应力传递的主要介 质。采空区侧向支承压力由低位破断覆岩产生的载 荷及高位未破断覆岩产生的载荷共同决定，并在侧 6 陕西煤炭2020 年 o o o o o o o o o o o 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0工作面未进入爆破区域平面图、剖面图 1 000 m 當 900 800 召 a -n loo -n loo V 出 M 袪 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 b工作面进入爆破区域后平面图、剖面图 图9爆破前后微震事件分布 向煤体中形成了由低位破断覆岩载荷所控制的内应 力场，与高位未破断覆岩载荷相联系的外应力场。 2为了解决沿空巷道的强矿压显现,提出了 老空区应力传递路径的阻断和本工作面的超前支承 压力弱化相结合的顶板深孔预裂方案。深孔爆破卸 压后，生产帮和煤柱帮的应力数据均有不同幅度的 降低，同时微震事件在空间位置变得分散、大能量事 件消除，说明大能量在分解、缓释，间接证明了深孔 预裂爆破起到了良好的卸压效果。 参考文献参考文献 [1] 钱鸣高，石平五矿山压力与岩层控制[M] 徐 州中国矿业大学出版社,2010. 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