急傾斜特厚煤層層間巖柱動力學(xué)失穩(wěn)誘災(zāi)傾向預(yù)測*

來興平，劉彪，陳建強，張新戰(zhàn)，孫秉成，王建

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西西安710054;2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西西安710054; 3.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊830027)

急傾斜特厚煤層層間巖柱動力學(xué)失穩(wěn)誘災(zāi)傾向預(yù)測*

來興平1，2，劉彪1，2，陳建強3，張新戰(zhàn)3，孫秉成3，王建3

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西西安710054;2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西西安710054; 3.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊830027)

∶烏魯木齊礦區(qū)烏東煤礦開采條件復(fù)雜，急傾斜煤層群間賦存均厚60m傾斜巖柱，近年來已發(fā)生十余次動力災(zāi)害。針對急傾斜巖柱動力學(xué)失穩(wěn)誘災(zāi)傾向預(yù)報，采用開采條件調(diào)查、理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測等方法，綜合預(yù)測了深層巖柱動力學(xué)失穩(wěn)誘災(zāi)傾向區(qū)域。首先，基于現(xiàn)場調(diào)查成果，構(gòu)建了急傾斜巖柱失穩(wěn)應(yīng)力撬轉(zhuǎn)效應(yīng)(stress leverage rotation effect，SLRE)力學(xué)模型，揭示了巖柱動力學(xué)失穩(wěn)誘發(fā)動力學(xué)災(zāi)害的力學(xué)機制。再次，通過現(xiàn)場微震監(jiān)測，分析了巖柱破斷失穩(wěn)微震—能量—空間演化規(guī)律∶急傾斜巖柱動態(tài)失穩(wěn)經(jīng)歷擾動破裂、應(yīng)力擠壓、斷裂失穩(wěn)和應(yīng)力重構(gòu)階段。最后，綜合分析并圈定了深層巖柱動力失穩(wěn)誘災(zāi)傾向區(qū)域，其分別位于B1-2煤層+500～+510 m區(qū)域開采煤體、B3-6煤層+475～+485 m區(qū)域巖柱側(cè)煤體，這為現(xiàn)場災(zāi)害防控設(shè)計和安全開采提供了科學(xué)依據(jù)。

∶急傾斜特厚煤層;層間巖柱;動力學(xué)失穩(wěn);應(yīng)力撬轉(zhuǎn)效應(yīng);誘災(zāi)傾向預(yù)測

0 引言

地下礦山動力學(xué)災(zāi)害(沖擊地壓、礦震和巖爆等)嚴重制約安全生產(chǎn)［1-2］。50多年來，我國東部礦區(qū)有關(guān)沖擊地壓、礦震和巖爆發(fā)生機理與調(diào)控機制的探索研究積極有效［3-5］。蔡美峰等提出建立了沖擊地壓預(yù)測的“開采擾動勢”模型，揭示了沖擊地壓事件在時間、能量、空間方面不同物理與幾何特征的相關(guān)性和統(tǒng)一性［6-8］。姜耀東等將動力學(xué)災(zāi)害分為滑移錯動型、材料和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型［9-11］。但是我國西部礦區(qū)煤層賦存環(huán)境、構(gòu)造分布以及地應(yīng)力水平與東部礦區(qū)迥異，烏魯木齊礦區(qū)急傾斜特厚煤層水平分段綜放開采誘發(fā)動力學(xué)災(zāi)害機制相對復(fù)雜。石平五等［12-13］認為，急傾斜特厚煤層水平分段綜放(Sublevel top coal caving，STCC)與緩斜煤層走向長壁開采(longwall top coal caving，LTCC)工作面力學(xué)結(jié)構(gòu)迥異。STCC工作面沿煤層厚度的水平線布置，其上方形成“跨層拱”(Arch of Spanning Strata，ASS)結(jié)構(gòu)，其滑落和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)具有隨機性。急傾斜特厚煤層群層間巖柱體內(nèi)蘊藉的彈性勢能與重力勢能動態(tài)釋放是煤層失穩(wěn)的主要力源，具備動力失穩(wěn)致災(zāi)條件［14-15］。開采擾動作用下堅硬煤巖體靜態(tài)破裂和動態(tài)宏觀力學(xué)耦合失穩(wěn)過程中釋放巨大能量產(chǎn)生微震與破壞，是典型人工開采誘發(fā)礦震(mining-induced seismicity，MS)現(xiàn)象且具有動力學(xué)本質(zhì)特征［16］。微震與應(yīng)力場變量存在密切的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)微震時空分布規(guī)律可對高應(yīng)力區(qū)域與遷移重構(gòu)進行刻畫［17-18］。針對烏東煤礦急傾斜特厚煤層群層間巖柱動力學(xué)失穩(wěn)致災(zāi)預(yù)報，通過開采條件現(xiàn)場調(diào)查、層間巖柱失穩(wěn)致災(zāi)機制分析，現(xiàn)場微震監(jiān)測與煤巖體空間結(jié)構(gòu)的演化特征及彈性能量釋放規(guī)律辨識，預(yù)測了誘發(fā)動力災(zāi)害傾向區(qū)域，為現(xiàn)場安全開采提供了科學(xué)依據(jù)。

1 現(xiàn)場調(diào)查與災(zāi)害事故描述

烏魯木齊礦區(qū)烏東礦有兩組主采煤層(群)，傾角87°～89°，B1-2煤層總厚平均37.0 m，B3-6煤層總厚平均48.0 m，均為急傾斜特厚煤層。兩組煤層間賦存均厚60 m巖柱，隨開采深度的增加(地面標高+825 m，目前已采至+475 m水平，開采深度達350 m)，開采時間與開采次序不均衡，層間巖柱先后失去兩側(cè)煤體非同步約束，在開采擾動與重力作用下產(chǎn)生下滑及傾斜，失穩(wěn)巖柱對開采煤層產(chǎn)生耦合動力學(xué)效應(yīng)，極易誘發(fā)動力災(zāi)害事故。2010—2014年，烏東煤礦累計發(fā)生十余起危害程度不同的動力災(zāi)害事故。其中，危害程度較大的有∶2013年2月27日，B3-6煤層綜放工作面發(fā)生動力災(zāi)害，影響范圍達200 m，B3巷串車掉道側(cè)翻，其上部防護棚撕裂，工作面端頭頂板最大下沉30 cm，底臌10 cm，巷道收縮率60%;B6巷道20 m段皮帶掀翻。2013年7月2日，南采區(qū)B3-6綜放面發(fā)生強烈動壓事故(圖1)。B3巷沖擊破壞范圍約400 m(1 070～1 450 m)，其中1 265～1 365 m范圍破壞嚴重，巷道南幫底角側(cè)向臌脹20～45 cm，北幫電纜震落，錨桿托盤崩脫，“U”型鋼棚收縮量40 cm，巷道幫臌量達50 cm;B6巷震顫范圍1 066～1 272 m，其中1 066～1 100 m震顫嚴重，幫臌50～90 cm，底角側(cè)向臌脹20～50 cm，+475 m水平B6巷沖擊影響范圍1 080～1 203 m，巷道南幫最大橫向臌脹變形達30 cm，南幫最大變形量30 cm.2013年9月18日，+500 m水平綜放工作面與巷道發(fā)生礦震(ML=3.2)，造成人員傷亡與設(shè)備損毀，隨開采深度的延展，動力破壞致災(zāi)問題更加嚴重。

2 急傾斜巖柱動力學(xué)失穩(wěn)致災(zāi)機制

地下開采擾動導(dǎo)致煤巖體結(jié)構(gòu)與應(yīng)力重構(gòu)，淺部轉(zhuǎn)深部開采易引發(fā)動力災(zāi)害。深層位煤巖體動力學(xué)失穩(wěn)是時間-空間-強度綜合作用下的動力學(xué)演化過程。根據(jù)烏東煤礦煤巖賦存特點、開采時間和開采工藝次序情況，巖柱動力失穩(wěn)引發(fā)應(yīng)力撬轉(zhuǎn)作用(圖2)，圖2(a)簡單描述了急傾斜煤層群層間巖柱受力情況。傾斜巖柱在巖層自重和開采擾動作用下有回轉(zhuǎn)傾向，概化的力學(xué)模型如圖2(b)所示。巖柱下部受到實體煤層接觸面的約束載荷(q0)，形成了巖柱撬轉(zhuǎn)(力矩M0)傾向。

圖1 7.2事故破壞現(xiàn)象描述Fig.1 Description of destroy phenomena of the 7.2 accident

式中M0為回轉(zhuǎn)力矩，N·m;h為受約束段高度，m;q0為接觸面約束載荷，N.

重力G作用于受擾動巖柱的重心C處，受力還包括作用于B點的支撐力FB，A點的壓力FA(B點和A點分別為撬動點和支撐點)。

式中FAy為FA垂向分力，N;α為巖柱傾角。

采空區(qū)內(nèi)部側(cè)向約束解除或消弱，為巖柱發(fā)生側(cè)向變形提供了變形空間。巖柱結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)-撬動-回轉(zhuǎn)力學(xué)機制可概化為

式中L1為撬動點A到支點B之間距離，m; L2為支點B到巖柱重心C之間距離，m.

巖柱動力學(xué)失穩(wěn)不僅是煤巖體空間結(jié)構(gòu)演化的結(jié)果，也是煤巖體釋放積聚能量的動力學(xué)過程。

圖2 巖柱受力及力學(xué)模型Fig.2 Mechanicalmodel and stress of rock pillar

3 現(xiàn)場微震監(jiān)測設(shè)計

3.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)簡介

烏東礦微震監(jiān)測采用ESG產(chǎn)Paladin-TM型24位微震系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)實時連續(xù)采集現(xiàn)場產(chǎn)生觸發(fā)信息，自動記錄微震波形，實現(xiàn)事件類型自動識別、濾波處理、閾值設(shè)定和帶寬檢波等，并實時動態(tài)顯示微震時空位置、震級與震源等。監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)見表1.

表1 微震監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Param eters of MSmonitoring system

3.2 現(xiàn)場微震監(jiān)測布局

現(xiàn)場布置了從地表+825 m到井下+400 m，覆蓋多個水平的微震監(jiān)測系統(tǒng)。微震傳感器布置如圖3所示，其中1#與2#傳感器分別布置于地表，3#傳感器置于+660 m水平，4#～10#傳感器布置于+500 m水平，11#～15#傳感器布置于+475 m水平，16#傳感器布置于+400 m水平。傳感器空間位置見表2.

圖3 現(xiàn)場微震監(jiān)測布置Fig.3 Monitoring arrangement of MS in field

表2 現(xiàn)場微震傳感器位置的三維坐標Tab.2 3D－coordinates ofmonitoring m

4 監(jiān)測結(jié)果

4.1 微震能量與頻率特征規(guī)律

文中重點考察38 d(2013.08.16—2013.09. 24)日累積能量和微震事件數(shù)特征。以天為統(tǒng)計時間序列，按照日累積能量的波動規(guī)律，將巖柱失穩(wěn)致災(zāi)過程分為4個階段。日累積能量與微震事件數(shù)波動特征如圖4所示。

圖4 巖柱失穩(wěn)破壞微震數(shù)與能量演化規(guī)律Fig.4 Mechanism on MS-energy and count in pillar’s instability failure

1)擾動破裂階段(1～14 d)∶隨工作面推進，巖柱原有平衡被破壞，有運動趨勢及產(chǎn)生局部破裂，此階段能量較活躍，偶有大能量事件發(fā)生，如第5天B1巷底板發(fā)生沖擊地壓。

2)應(yīng)力擠壓階段(14～33 d)∶巖柱局部運動，支撐能力下降，整體處于塑性變形階段，局部破裂被擠壓閉合，能量活動等級較小。

3)失穩(wěn)階段(33～34 d)∶傾斜巖柱應(yīng)力持續(xù)增高，破裂加速擴展，最終達到巖柱支撐的強度極限時巖柱失穩(wěn)，積聚彈性能釋放，發(fā)生強破壞性動力災(zāi)害。

4)應(yīng)力重構(gòu)階段(34～38 d)∶巖柱應(yīng)力與結(jié)構(gòu)重構(gòu)，達到新的應(yīng)力平衡，一段時間內(nèi)煤巖體沒有較大能量波動。

除失穩(wěn)階段B6巷頂板發(fā)生的最為明顯的動力災(zāi)害事故外，其他階段也有大能量事件發(fā)生，并伴隨不同等級的動力災(zāi)害，分析發(fā)生時間和位置有助于辨識巖柱動力學(xué)失穩(wěn)誘發(fā)的動力災(zāi)害區(qū)域。

4.2 微震事件的層位分布規(guī)律

開采過程中，采場結(jié)構(gòu)處于不斷加載和卸載的循環(huán)過程，應(yīng)力活躍區(qū)也隨回采推進而變化，重點考察能量活躍區(qū)域的空間分布很有必要。

統(tǒng)計2013.09.08—09.22監(jiān)測數(shù)據(jù)，此階段B3-6煤層事件數(shù)22次，B1-2煤層事件數(shù)40起，事件數(shù)相差近一倍，表明B1-2煤層能量活動更活躍。在開采位置關(guān)系上，B1-2煤層回采滯后B3-6煤層300 m左右，B3-6煤層回采后，巖柱受到一定程度的破壞，B1-2煤層事件數(shù)和能量等級也相對較大。

微震事件水平分布集中在工作面前方巖柱側(cè)煤體，B1-2煤層滯后開采范圍內(nèi)的煤體中微震事件也較為集中。從豎直方向上的分布狀況來看，監(jiān)測各等級能量事件均分布在+475～+510 m水平層位之間，高位巖層(＞+550 m)在此時間段內(nèi)并未監(jiān)測到大能量事件。從圖5可看出，微震在垂向上分布集中在+500～+510 m與+475～+485 m層位之間。

圖5 微震事件層位分布(2013.09.08—09.22)Fig.5 Layers distribution of MS-events(2013.09.08—09.22)

5 動力災(zāi)害傾向性區(qū)域預(yù)測

開采擾動下巖柱動態(tài)斷裂與動力學(xué)失穩(wěn)引起應(yīng)力撬動效應(yīng)對B1-2煤層及B3-6煤層巷道底板和側(cè)幫施壓，這種作用力是引發(fā)動力災(zāi)害事故的力源。綜合分析巖柱斷裂、應(yīng)力異常和工作面開采擾動情況，定量預(yù)測具有動災(zāi)傾向性的危險區(qū)域。

5.1 巖性條件

烏東煤礦B1-2和B3-6急傾斜特厚煤層的層間巖柱的巖性主要為粉砂巖(f=3.5～4.0)，塑性變形較小，φst很小，φsp很大，彈性能指數(shù)F=φsp/φst趨于比較大的數(shù)值，開采擾動下巖柱在深部發(fā)生斷裂失穩(wěn)時具有沖擊傾向，進而觸發(fā)動力學(xué)破壞并造成事故。

5.2 力源條件

+500 m水平B3巷和B6巷均處于煤柱影響范圍內(nèi)，形成了煤體應(yīng)力集中條件，B3-6煤層與B1-2煤層之間存在50～110 m，均厚60 m，高350 m巖柱，巖性較堅硬。巖柱大范圍懸頂加劇了B3-6煤層底煤的煤體應(yīng)力集中程度。

5.3 采掘次序

1)+475 m水平B6巷掘至1 200 m，B6巷迎頭前方超前支承壓力和南幫側(cè)向支承壓力與上方+500 m水平B3-6煤層底煤內(nèi)已經(jīng)集中的應(yīng)力疊加，誘發(fā)了動力學(xué)斷裂與失穩(wěn)破壞。

2)前期在+500 m水平實施B2，B3巷煤層間巖柱體爆破工程，B2巷施工至1 480 m，B3巷施工至1 580 m，施工進度不均衡導(dǎo)致巖柱突然向B2側(cè)傾斜回轉(zhuǎn)，誘發(fā)了動力破壞。

圖6 動力災(zāi)害傾向性區(qū)域判定Fig.6 Determination of dynamic hazard-prone region

總之，通過圈定+500 m開采水平微震頻率最高區(qū)域和大能量事件發(fā)生的位置，判斷應(yīng)力撬動效應(yīng)的支撐點與撬動點區(qū)域。B1-2煤層巖柱側(cè)滯后開采的煤體作為應(yīng)力撬動效應(yīng)的支撐點承受了巖柱傾倒產(chǎn)生的較大壓力(FB)，此外由于滯后B3-6煤層開采，回采時所受開采擾動更大，綜合作用下支撐點區(qū)域容易誘發(fā)動力災(zāi)害;在失穩(wěn)巖柱的應(yīng)力作用下B3-6煤層工作面前方及下部煤體受到撬轉(zhuǎn)作用，發(fā)生動力破壞，B3巷道穩(wěn)定性及底臌均與應(yīng)力撬轉(zhuǎn)有關(guān)。圈定的具有動力災(zāi)害傾向性的危險區(qū)域如圖6所示。通過對動災(zāi)傾向區(qū)域高壓注水軟化、卸壓爆破、加強支護和局部充填等措施［19］，實現(xiàn)了持續(xù)性安全開采。

6 結(jié)論

1)急傾斜煤層層間巖柱隨采深增加和開采擾動作用引發(fā)煤巖體斷裂，產(chǎn)生應(yīng)力撬動效應(yīng)和應(yīng)力集中，這為動力災(zāi)害事故誘發(fā)提供了力源;

2)巖柱斷裂與動力學(xué)失穩(wěn)過程的微震指標監(jiān)測表明∶急傾斜層間巖柱失穩(wěn)破壞經(jīng)歷擾動破裂、應(yīng)力擠壓、失穩(wěn)和應(yīng)力重構(gòu)4個階段。撬動效應(yīng)的支撐點區(qū)域位于B1-2煤層+500～+510 m水平之間滯后開采的煤體，撬動點區(qū)域位于B3-6煤層+475～+485 m水平之間工作面前方巖柱側(cè)的煤體;

3)現(xiàn)場實施高壓注水軟化、卸壓爆破、加強危險區(qū)域巷道支護等災(zāi)害防治措施，并現(xiàn)場實施驗證科學(xué)有效，為后續(xù)安全開采與災(zāi)害防控提供了借鑒依據(jù)。

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Induced hazard-prone prediction to the intermediate rock-pillar dynam ic instability in heavy steep-thick coal seam

LAIXing-ping1，2，LIU Biao1，2，CHEN Jian-qiang3，ZHANG Xin-zhan3，SUN Bing-cheng3，WANG Jian3

(1.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 2.Key Laboratory ofWestern Mine Exploration and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an 710054，China; 3.Shenhua-Xinjiang Energy Co.，Ltd.，Urumchi830027，China)

∶There existed 60 m thick and steep rock-pillar atWudongmine.More than ten dynamic accidents happened in recent years.For prediction on dynamic destabilization and induced hazard-prone to interlayer steep rock pillar，somemethods using in-situ mining condition investigation，theoretical analysis and fieldmonitoringwere achieved.The induced hazard-pronewas predicted of the deeper rock-mass damage and dynamic instability of heavy steep-thick rock pillar.Firstly，themechanicalmodel on stress leverage rotation-effect(SLRE)was built based on in-situmining condition investigation，and themechanism of induced hazard was analyzed.Then，according to the field monitoring and analysis，we indicated that the spatial distribution and its evolutionary law ofmicro-seismic energy releasing of rock pillar andhazard-prone zone.The steep pillar dynamic destabilization related to disturbance burst，stress squeezing，damage destabilization and stress redistribution.Finally，the induced hazard-prone region and ranging under SLRE have been determined，respectively，locating coal excavated from+500～+510 m of B1-2and coal neighboring rock pillar to+475～+485 m of B3-6.This provides a scientific proof for hazard control and safemining.

∶heavy steep-thick coal seam;interlayer rock pillar;dynamic instability;stress leverage rotation-effect(SLRE);induced hazard-prone prediction

∶TD 324

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0301

∶1672-9315(2015)03-0277-07

∶2015-02-20責(zé)任編輯∶劉潔

∶科技部973計劃前期專項(2014CB260404);國家自然科學(xué)基金(U1361206);新疆科技支撐計劃項目(201432102)

∶來興平(1971-)，男，寧夏平羅人，教授，博導(dǎo)，E-mail∶laixp@xust.edu.cn