工程体型缺陷技术

4.2　工程体型缺陷技术

工程体型缺陷技术包括工程立体型缺陷技术与工程线体型缺陷技术，工程立体型缺陷技术指开挖类似工作面形状的宽泛空间结构，工程线体型缺陷技术指开挖类似巷道形状的宽泛空间结构。

4.2.1　工程立体型缺陷防治原理

开采保护层会引起部分岩体变形、移动和破坏，这部分岩体范围称作工程立体缺陷。工程立体缺陷区域内可分成：不规则跨落带、充分移动区、支承压力区、卸载区等，如图4-2所示。

不规则垮落区的高度通常不超过3～4倍的开采层厚度。当采空区宽度不够或煤层厚度小于1米且岩层呈现缓慢移进时，垮落区可能不存在。形成裂隙的岩石范围扩展到10～20倍开采层厚度的距离。

4.2.2　工程立体型缺陷保护作用和保护范围

在煤层群开采条件下，可以首先开采没有冲击倾向性或冲击倾向性较小的煤层，其即为保护层，如图4-3所示。先采的保护层和被保护层必须开采的时间和空间同步，不得在采空区内留煤柱，以使每一个先采煤层的卸载作用能依次地使后采煤层得到最大限度的保护。保护层开采后，在采空区顶底板中形成卸压区，在卸压区内开采具有冲击危险的被保护层时，由于支承压力集中程度低、煤体能量积聚少，因而可起到减缓冲击地压的作用；危险层位于卸压区的部分为保护带。在远离保护层采空区顶底板中，应力恢复至原岩应力状态，在其中开采冲击危险层时，支承压力集中程度与未开采保护层相同，仍然存在冲击危险；危险层处于应力恢复区的部分为还原带。

l-工作面长度；φ₃-充分移动角；δ-断裂角；β-变形滑移角；

1-升高应力区边界线；2-卸压带边界线；3-保护层；4-被保护层

图4-2　开采保护层立体缺陷带示意图

图4-3　保护层与被保护层的关系

开采保护层防治冲击地压的原理是，保护层开采使围岩中出现卸压区，在其中开采冲击危险层时支承压力小、冲击危险大大降低。保护效果与应力状态呈对应关系，随应力恢复到原岩应力状态，冲击危险程度还原，即保护作用是可逆的。因此，保护范围是以卸压区划定的，不包含应力恢复带。

开采保护层常用的方案见图4-4所示。包括开采上保护层、开采下保护层及混合开采(开采上、下保护层)。在煤层间距合适的情况下，应优先考虑开采下保护层，其原则是不能破坏上层煤的开采条件。

图4-4　保护层开采方案

4.2.3　工程立体型缺陷开采原则

为了达到保护目的，对于保护层与被保护层的开采安排应遵循以下原则：

(1)开采煤层群时，应将无冲击地压危险的煤层作为保护层。当在有冲击地压危险煤层的顶底方向有保护层时，应首先开采上保护层。这样符合正常的开采顺序，既便于巷道维护，又利于安全生产。

(2)区段关系。如图4-5所示，在倾斜赋存条件下，上保护层开采后，同区段的危险煤体都得到保护，其工作面可以滞后推进；下保护层开采应超前一个区段，以使本区段的危险煤体全部得到保护，本区段危险层工作面滞后于下区段保护层工作面推进。

图4-5　上下保护层的保护关系

(3)走向关系。危险工作面与保护层工作面应同向推进，危险层工作面应保持滞后距离30～60m。滞后距离过小，上下工作面相互影响，支承压力叠加；滞后距离过大则容易进入应力恢复区的还原带，降低保护效果。

(4)当相邻煤层都是冲击危险煤层时，应当首先开采危险性最小或厚度最小的煤层。

(5)保持保护层内整个块段回采干净，避免因留设煤柱而引起支承压力叠加现象。

4.2.4　工程线体型缺陷防治原理

在高应力区域，采用人为的制造线体型缺陷的方法来使应力场向工作面深部转移，能量在应力转移过程中逐渐的释放，从而降低冲击地压危险性。主要采用爆破钻孔、大直径钻孔、卸压巷形成线体型缺陷。

利用线体型缺陷布置钻孔爆破，在工作面巷道布置大直径钻孔：爆破钻孔和大直径钻孔的方向均向工作面的高应力区域，爆破钻孔和大直径钻孔均采用立体交叉布置。不规则区域缺陷卸压布置见图4-6。

当爆破钻孔爆破后，会在高应力区域形成一个缺陷体。此种卸压技术存在多个的卸压源(本书中将冲击地压防治措施中能够起到卸压作用的因素成为卸压源)，比如钻孔爆破后和大直径钻孔形成的缺陷体。高应力区域缺陷预卸压后，会降低高应力区域的局部高应力，释放一部分能量，降低冲击地压危险性，线体型缺陷卸压效果见图4-7。

缺陷体防治冲击地压的原理主要体现在三个方面：(1)由于线体型缺陷的作用及爆破震动等能够使应力场进一步向工作面深部转移，应力峰值和煤壁的距离进一步加大。

(2)应力场的转移过程中带动了能量向远距离位置释放，而且应力场转移过程中使能量逐渐、缓慢的释放。

(3)在缺陷体附近的能量释放，能够使缺陷保护区域形成应力缓冲区(卸压保护带)，从而降低保护区域的冲击地压危险性，见图4-7。

图4-6　线体型缺陷卸压示意图

图4-7　声发射图