李雅莊礦深部煤巖動(dòng)力現(xiàn)象動(dòng)力源辨識及危害程度劃分

解俊祥

河南理工大學(xué)，河南省焦作市 454003

李雅莊礦深部煤巖動(dòng)力現(xiàn)象動(dòng)力源辨識及危害程度劃分

解俊祥

河南理工大學(xué)，河南省焦作市 454003

礦井高應(yīng)力區(qū)煤體、巖體及斷層在受外界擾動(dòng)瞬間失穩(wěn)時(shí)，釋放出很大能量而引起的以猛烈震動(dòng)和爆發(fā)式破壞為特征的礦山動(dòng)力現(xiàn)象，是礦井的一大自然災(zāi)害。通過大量觀測，煤巖體局部破壞期間，破壞過程具有雪崩一樣的性質(zhì)，呈脆性破壞，其形成都發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)。通過對礦井深部煤巖動(dòng)力現(xiàn)象動(dòng)力源的辨識，劃分其復(fù)合型災(zāi)害的危險(xiǎn)程度，在分析煤與瓦斯物質(zhì)條件、環(huán)境應(yīng)力與初始動(dòng)力條件和擾動(dòng)條件的基礎(chǔ)上，對礦井的煤巖動(dòng)力評估，以采取針對性的安全技術(shù)措施，確保安全生產(chǎn)，值得大力推廣應(yīng)用借鑒。

煤巖；動(dòng)力源；辨識；危害度；劃分

引言

煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性煤層，一般需要高瓦斯含量、高瓦斯壓力，低煤堅(jiān)固性系數(shù)、高煤破壞類型等因素的有機(jī)組合。實(shí)測2#煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、煤質(zhì)、瓦斯放散初速度等單項(xiàng)指標(biāo)均在突出界限以下。2#煤層最大采深超過600m，在2#煤層深部，2-228工作面屬于孤島工作面，局部應(yīng)力高，煤層硬。沖擊地壓危險(xiǎn)性煤層，一般是高強(qiáng)度硬質(zhì)煤，需要沖擊能指數(shù)、彈性能指數(shù)、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間幾項(xiàng)指標(biāo)的有機(jī)組合。

1.工作面概況

礦井2#煤層228工作面質(zhì)煤相對較硬，經(jīng)測定礦井2#煤層228工作面煤層具有中等沖擊傾向性，228工作面頂?shù)装鍘r層無沖擊傾向性，但在深度高應(yīng)力條件下，煤體和圍巖能量積聚到一定程度，仍會存在沖擊危險(xiǎn)。在應(yīng)力集中區(qū)、斷層附近、褶皺軸部和其他地質(zhì)構(gòu)造附近，一定程度上具備了發(fā)生煤巖動(dòng)力災(zāi)害的煤層物質(zhì)條件。通過對其動(dòng)力源辨識及危害度劃分，掌握機(jī)理，做到超前防范，是指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)的重要方法。

2.煤巖動(dòng)力現(xiàn)象形成的基本條件

2.1 動(dòng)力條件

煤層的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性和沖擊傾向性只是發(fā)生災(zāi)害的一個(gè)必要條件，還需要環(huán)境應(yīng)力強(qiáng)度和觸發(fā)動(dòng)力條件。

具有沖擊傾向性的煤層需要達(dá)到一定的應(yīng)力強(qiáng)度才能發(fā)生沖擊地壓，無或弱沖擊傾向性的煤層，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到一定水平后也會發(fā)生沖擊地壓。但具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)煤層的突出危險(xiǎn)性并不是處處相同，在高應(yīng)力區(qū)發(fā)生煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性較高。因此，這兩種災(zāi)害的發(fā)生尚需達(dá)到一定的環(huán)境應(yīng)力強(qiáng)度水平，才能儲備充足的能量。

2.2 開采擾動(dòng)條件

地下煤層不開采，上述兩個(gè)條件無論如何充分，也不會發(fā)生煤與瓦斯突出和沖擊地壓。由于開采，一方面擾動(dòng)形成附加應(yīng)力和觸發(fā)動(dòng)力；另一方面地下開采形成自由空間，給賦存于含瓦斯煤及共生巖體中的瓦斯提供了解吸溢出的空間；開采擾動(dòng)及其應(yīng)力重分布產(chǎn)生的附加應(yīng)力，在與開挖同軸方向卸荷產(chǎn)生拉張應(yīng)力，在與開挖異軸方向造成加荷產(chǎn)生壓應(yīng)力，其開挖加-卸載的結(jié)果使煤壁產(chǎn)生豎向張裂隙，造成頂、底板離層，導(dǎo)致煤及共生巖體產(chǎn)生微破裂，創(chuàng)造了瓦斯解吸涌出的通道和構(gòu)造條件；而活動(dòng)地質(zhì)構(gòu)造是外部動(dòng)力傳遞的通道。因此，煤與瓦斯突出和沖擊地壓相互作用，還需要開采擾動(dòng)與巖體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造條件。

3.礦井開采擾動(dòng)及瓦斯作用數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

綜采工作面上覆巖層活動(dòng)過程的復(fù)雜性和不可見性給采場覆巖運(yùn)動(dòng)和斷裂以及壓力分布的研究帶來了困難，為了較全面的了解2#煤層228工作面的壓力分布及瓦斯作用，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對228工作面建立模型，進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1 FLAC3D模擬軟件介紹

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）三維快速拉格朗日元法由美國Itasca公司開發(fā)的是三維的有限差分程序，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析。通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實(shí)際的結(jié)構(gòu)。單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動(dòng)后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)變形和移動(dòng)（大變形模式）。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問題。

3.2 礦井228工作面數(shù)值模型建立

數(shù)值模擬是深入認(rèn)識、揭示頂板活動(dòng)規(guī)律的主要研究方法之一與理論研究和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合可以較全面的認(rèn)識和掌握覆巖的變形移動(dòng)和垮落規(guī)律。本數(shù)值模擬是結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和理論分析的基礎(chǔ)上，對228工作面覆巖壓力和瓦斯作用進(jìn)行的模擬。

2-2 2 8 工作面位于二采區(qū)下部前進(jìn)方向的左翼，屬于二采區(qū)左翼工作面,工作面前進(jìn)方向右翼為2-224采空區(qū)，左翼為2-220采空區(qū)。北與六采區(qū)相鄰。地面標(biāo)高+775m～+906m，井下標(biāo)高+200m～+270m，埋藏深度+590m～+650m。工作面走向長度為630m，傾向長130m；本工作面2號煤層厚度為2.82m～3.45m，平均總厚度為3.16m，煤層傾角4°～10°，平均煤層傾角6°，煤層硬度f=1.5。瓦斯壓力0.57MPa～0.61MPa。

本次模擬的范圍為沿228走向600m，傾向到從220采空區(qū)至224采空區(qū)，開挖形成工作面推進(jìn)，模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 模擬煤層應(yīng)力三維圖

圖2 X橫截面上應(yīng)力圖

圖3 y橫截面上應(yīng)力圖

通過圖2三維圖可以看出在228工作面兩側(cè)的采空區(qū)已經(jīng)卸壓，而228工作面及煤柱應(yīng)力集中，尤其是工作面兩側(cè)煤柱及工作面上下端頭附近通過圖2看到其應(yīng)力集中接近24MPa，工作面內(nèi)部應(yīng)力也就是垂直原巖應(yīng)力14MPa；工作面前方的支承壓力區(qū)應(yīng)力達(dá)到20MPa以上。由此可以看出工作面開采引起的集中應(yīng)力將近達(dá)到原始垂直應(yīng)力的兩倍，在煤柱上集中應(yīng)力更大，228工作面作為一個(gè)孤島工作面受到的集中應(yīng)力較大，在煤柱或者斷層附近集中應(yīng)力更大的地方其發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的門限值降低，易發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害。

4.礦井動(dòng)力現(xiàn)象危險(xiǎn)源預(yù)測

李雅莊煤礦從建礦至今，在以往的采、掘生產(chǎn)及井筒、石門揭煤過程中，在未采取任何防突措施的情況下，從未發(fā)生過瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象;煤礦位于霍州市境內(nèi)，該礦鄰近礦井都為低瓦斯礦井。同時(shí)，礦井2#煤層228為孤島工作面，工作面質(zhì)煤相對較硬，經(jīng)測定礦井2#煤層228工作面煤層具有中等沖擊傾向性，228工作面頂?shù)装鍘r層無沖擊傾向性，但在深度高應(yīng)力條件下，煤體和圍巖能量積聚到一定程度，仍會存在沖擊危險(xiǎn)。在應(yīng)力集中區(qū)、斷層附近、褶皺軸部和其他地質(zhì)構(gòu)造附近一定程度上具備了發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的煤層物質(zhì)條件。

4.1 動(dòng)力現(xiàn)象在226工作面推進(jìn)時(shí)分布特征

隨著工作面的推進(jìn)工作面的前方存在卸壓區(qū)、支承壓力區(qū)，和原巖應(yīng)力區(qū)，由于微震高發(fā)區(qū)是在高應(yīng)力差區(qū)域或者是煤巖的極限應(yīng)力區(qū)，所以隨著工作面向前推進(jìn)微震震源分布也應(yīng)該表現(xiàn)出來一些特征。通過5天震源分布圖我們可以看到在工作面推進(jìn)的這5天的過程中在工作面切巷前后都有震動(dòng)，而且震動(dòng)在一個(gè)區(qū)域比較集中。對5月份6月份每五天的震源集中分布區(qū)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

表1 226工作面5天震源分布分布集中區(qū)統(tǒng)計(jì)

通過5月份的統(tǒng)計(jì)震動(dòng)主要集中在工作面前方100m的范圍內(nèi)，其中距離工作面切巷50m左右的區(qū)域震動(dòng)更集中；這說明226工作面前方50m范圍內(nèi)為塑性區(qū)和彈塑性區(qū)，這個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)著卸壓區(qū)和支承壓力區(qū)，應(yīng)力差最大巖石容易破裂。通過現(xiàn)場觀測226工作面距離切巷50m內(nèi)的范圍壓力較大巷道變形速度較快，在工作面兩端頭50m范圍內(nèi)應(yīng)加端頭支護(hù)。

4.2 動(dòng)力現(xiàn)象在226工作面推進(jìn)時(shí)Z軸方向的分布

為了知道震動(dòng)震源距離煤層的距離，就要知道震動(dòng)在垂直方向的分布。對二采區(qū)監(jiān)測到的震源取226工作面切巷前后一定距離形成一個(gè)如圖4中藍(lán)色方框所示范圍為劃取226震源分布的范圍。

在這個(gè)范圍內(nèi)的震源向沿226推進(jìn)方向（轉(zhuǎn)換后的y坐標(biāo)軸如圖4和垂直226推進(jìn)方向（轉(zhuǎn)換后的x如圖4）投影。

圖4 轉(zhuǎn)換后的Oxy直角坐標(biāo)系

轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)系的原點(diǎn)O在原坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為X=37569800 Y=4057426，

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法為：設(shè)Oxy，O'x'y'是兩個(gè)坐標(biāo)系，O'在Oxy中的坐標(biāo)為(x0,y0),由x軸到x'軸的角度為t,用原坐標(biāo)系下的坐標(biāo)來表示新坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式如下：

x'=(x－x0)cost+(y－y0)sint

y'=(y－y0)cost－(x－x0)sint

在轉(zhuǎn)換過后的震源坐標(biāo)數(shù)據(jù)中查詢震源的（x，y，z）坐標(biāo)，然后向過x軸或者y軸的豎直平面內(nèi)投影作圖，這樣就可以看到震源在豎直平面內(nèi)的分布，可以清晰的看到在震源在上覆巖層的分布。

圖5 4、5、6三個(gè)月震源在轉(zhuǎn)換過的x軸豎直面上的投影圖

圖5為4、5、6三個(gè)月震源在轉(zhuǎn)換過的x軸（如圖5所示）豎直面上的投影圖，在豎直方向取煤標(biāo)高150m至標(biāo)高450m這一豎直范圍，在平面上取如圖5所示范圍；圖中泡泡表示震源位置分布，紫色表示煤層上下±10m范圍，黃色泡泡表示在圍巖中的震動(dòng)。在這一范圍也是受到采動(dòng)影響大，震源分布集中的區(qū)域。圖5中黃色線表示226工作面，長度為工作面斜長。從圖中可以看出，工作面震動(dòng)主要發(fā)生在工作面上覆巖層中，在豎直方向上震源密集區(qū)有兩個(gè)如圖中橢圓包括的范圍，下邊橢圓包圍的震動(dòng)震源多為工作面直接定和老頂斷裂震動(dòng)所致，該處震動(dòng)時(shí)間上一般緊隨工作面的推進(jìn)，上方橢圓包括的震源集中區(qū)為覆巖上部的厚砂巖層，此處的震動(dòng)較工作面推進(jìn)時(shí)間滯后。

5.礦井動(dòng)力類型及危險(xiǎn)分析

根據(jù)現(xiàn)場測定的2#煤層瓦斯基本參數(shù)，煤層的實(shí)驗(yàn)室測定參數(shù)以及2#煤層采掘過程中的瓦斯涌出情況、打鉆過程中的動(dòng)力現(xiàn)象等資料進(jìn)行綜合分析，對礦井2#煤層的動(dòng)力危險(xiǎn)性作出評價(jià)。

5.1 沖擊指標(biāo)分析

表2 煤樣沖擊傾向性指標(biāo)平均測定結(jié)果

表3 煤層沖擊傾向性分類、名稱及指標(biāo)

根據(jù)綜合指數(shù)預(yù)測沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域?qū)?#煤層進(jìn)行了分析預(yù)測，對2#煤的沖擊傾向性層劃分為四個(gè)等級，如表1所示。綜合指數(shù)法預(yù)測228工作面沖擊危險(xiǎn)指數(shù)為0.15～0.49，六采區(qū)沖擊危險(xiǎn)指數(shù)為0.08～0.46。2#煤層部分區(qū)域具有弱沖擊危險(xiǎn)性。這些區(qū)域主要集中在高應(yīng)力區(qū)和地質(zhì)構(gòu)造分布區(qū)。

6.礦井危險(xiǎn)區(qū)域劃分

前述綜合指標(biāo)法確定了劃分沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的方法，對于具體的煤層，根據(jù)開采技術(shù)條件和地質(zhì)條件找出具有代表性的特征點(diǎn)i，如煤柱邊緣、斷層兩側(cè)、采空區(qū)周圍等，根據(jù)Wri計(jì)算公式計(jì)算這些特征點(diǎn)的沖擊危險(xiǎn)指數(shù)Wri，然后提取各特征點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)，用科學(xué)繪圖軟件SURFER4.0繪制等值線圖，然后再依據(jù)表2的分析指標(biāo)，劃分出開采煤層的沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)區(qū)域。

2-228 工作面回采過程中沒有出現(xiàn)沖擊地壓現(xiàn)象，但工作面二采區(qū)在深部，最大埋深超過600m。近距離內(nèi)頂板中有厚層砂巖層，煤層的平均抗壓強(qiáng)度為13.23MPa，具有中等沖擊傾向，直接頂、老頂為均為無沖擊傾向。根據(jù)這些條件，確定2-228工作面煤層特征點(diǎn)150個(gè)，結(jié)合開采條件和瓦斯條件對特征點(diǎn)賦值，然后繪制沖擊危險(xiǎn)指標(biāo)等值線，進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分，劃分結(jié)果如下圖6?？梢?，2-228工作面大部分區(qū)域無沖擊危險(xiǎn)性，在斷層附近及高位鉆場集中應(yīng)力高的地方有弱沖擊危險(xiǎn)性。

圖6 2-228危險(xiǎn)等級區(qū)域劃分圖

7.結(jié)語

結(jié)合李雅莊煤礦的具體情況闡述了煤巖動(dòng)力現(xiàn)象形成的基本條件為物質(zhì)條件、動(dòng)力條件和開采擾動(dòng)條件，通過FLCA3D數(shù)值方法模擬了2-228上覆巖層壓力，和推進(jìn)過程中支承應(yīng)力的大小，計(jì)算出了垂直應(yīng)力為14MPa～15MPa，得出了工作面支承壓力和煤柱集中應(yīng)力為垂直應(yīng)力的2～3倍，直觀地看出了工作面集中應(yīng)力分布和大小。根據(jù)微震監(jiān)測結(jié)果可以看出，在工作面煤柱附近有較多震動(dòng)，說明224和226之間的煤柱的不穩(wěn)定性，在2#煤層深部垂直原巖應(yīng)力本身大的情況下煤柱的應(yīng)力集中能夠接近或者達(dá)到垂直應(yīng)力的2倍，留設(shè)20m～30m寬的煤柱存在一定危險(xiǎn)性，建議嘗試沿空掘巷無煤柱工作面開采；動(dòng)態(tài)的圈定了工作面附近震動(dòng)頻發(fā)范圍，和工作面平巷端頭加強(qiáng)支護(hù)的距離；推測在228工作面中部可能存在構(gòu)造集中應(yīng)力區(qū)或者是高位鉆孔影響使震動(dòng)密集。以上方法值得相似條件的礦井加以采用借鑒，采用針對性措施，確保礦井安全生產(chǎn)，值得大力推廣。

[1]李化敏,袁瑞甫,解俊祥,顧喜鵬.霍州煤電集團(tuán)公司李雅莊煤礦掘進(jìn)工作面微震防突預(yù)警及治理科學(xué)研究

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.11.003