強沖擊煤層綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及動靜載特征研究

賈建華

（山西煤炭進(jìn)出口集團蒲縣萬家莊煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

0 引言

隨著煤層開采深度[1-2]逐漸增加，開采條件更加惡劣，沖擊礦壓事故的頻繁發(fā)生對礦井生產(chǎn)以及工人安全帶來嚴(yán)重危害。因此發(fā)生沖擊礦壓的誘因便是亟待解決的問題了，找到因果關(guān)系，就等于從源頭上找到了預(yù)防沖擊礦壓方法。王金安[3]等依據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)理論，證實老頂斷裂時礦壓顯現(xiàn)和煤巖層應(yīng)力場具有非對稱和時序性特征；劉金海[4]等根據(jù)新巨龍?zhí)睾衩簩庸ぷ髅嬷С袎毫崪y分析，巷幫煤體側(cè)向支承壓力峰值出現(xiàn)在工作面后方，低應(yīng)力區(qū)范圍約為采高的2倍；孔令海[5-6]等利用微震監(jiān)測等手段得到?jīng)_擊載荷源頭源自老頂?shù)臄嗔?，段王拴[7]采用現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬分析的方法，工作面存在較明顯的周期來壓現(xiàn)象，并具有一定的瞬時沖擊性載荷特征；李通達(dá)[8]等通過數(shù)值模擬得出動靜載荷疊加作用下巷道圍巖全部損傷危險指數(shù)均較靜載荷作用下大；根據(jù)北京煤炭科學(xué)研究院沖擊地壓傾向性分析報告:張雙樓礦9煤層屬3類，是具有強沖擊傾向性的煤層[9]。為深入研究張雙樓礦94101工作面礦壓規(guī)律，本文從現(xiàn)場實測出發(fā)，運用支架工作阻力監(jiān)測、微震監(jiān)測[10]、煤體應(yīng)力監(jiān)測以及離層監(jiān)測等多種手段進(jìn)行礦壓監(jiān)測，通過分析上述監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定支架工作阻力、巖體破裂運動以及超前支承壓力等變化規(guī)律，進(jìn)而得到工作面圍巖運動及動靜載[11]變化特征，確定沖擊礦壓誘因，為我國其他地質(zhì)條件相似礦井開采提供技術(shù)支持。

1 礦井概況

94101工作面位于工業(yè)廣場保護(hù)煤柱東部，-1 000 m水平延伸采區(qū)，走向長度1 120 m，傾斜長度185.7 m，上覆74101、7123工作面采空區(qū)，南鄰9121工作面采空區(qū)，西鄰工業(yè)廣場保護(hù)煤柱，東部以及北部區(qū)域都是未采區(qū)。煤層平均厚度3.1 m，傾角22°，工作面內(nèi)煤層發(fā)育穩(wěn)定，平均煤厚約3.1 m。西部發(fā)育1～2層泥巖夾矸，夾矸厚度0.1～0.4m，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，影響工作面走向長度約300 m。工作面頂板巖層自下而上依次是泥巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖。相對位置簡圖見圖1，采場頂板巖層分布見表1。

圖1 94101工作面巷道位置示意圖

表1 采場頂板巖層分布

2 沖擊礦壓誘因與頂板結(jié)構(gòu)分析

2.1 動靜載作用下沖擊礦壓發(fā)生機理

沖擊礦壓發(fā)生的力源主要為煤巖體的靜載應(yīng)力和采動誘發(fā)的動載應(yīng)力，在回采工作面附近圍巖靜載應(yīng)力較大，當(dāng)采動誘發(fā)的動載應(yīng)力疊加到靠近工作面范圍，且符合煤巖體發(fā)生動力災(zāi)害的臨界載荷時，就會誘發(fā)沖擊礦壓災(zāi)害。

2.1.1 靜載分析

工作面附近圍巖體中的靜載荷包含地壓和支承壓力，即：σs=σs1+σs2=（k+λ）γH

式中：γ為上覆巖層的容重；H為上覆巖層的厚度；λ為側(cè)壓系數(shù)；k為支承應(yīng)力集中系數(shù)。其中，地壓包括自重應(yīng)力以及構(gòu)造應(yīng)力σs1=γH+λγH=（1+k）γH;σs2=（k-1）γH。在高靜載荷應(yīng)力影響下，并疊加采動動載后的應(yīng)力水平大于極限承載強度，就能誘發(fā)回采空間圍巖體的沖擊破壞。

2.1.2 動載分析

根據(jù)彈性波理論，震動波在煤巖體中產(chǎn)生的動載公式（1）：

式中：σdp、σds分別為P波、S波產(chǎn)生的動載；為煤巖介質(zhì)的密度；νpp、νps分別為質(zhì)點處P波、S波通過時的峰值振動速度。在動載沖擊礦壓的影響下，沖擊礦壓會導(dǎo)致巖層頂板大范圍的斷裂以及垮落，該現(xiàn)象表現(xiàn)為動載應(yīng)力起主導(dǎo)作用的沖擊礦壓的頂板活動。

2.2 基本頂厚度確定

按照實測礦壓數(shù)據(jù)計算基本頂厚度ME，將參數(shù)代入式（2）：

式中：PT為來壓階段頂板壓力，0.85 MPa；A為直接頂巖重，A=25 k N/m3×4.8 m=0.12 MPa；ME為基本頂厚度，m；γK為基本頂容重，25 k N/m3；C為周壓步距，14.9 m；KT基本頂巖重分配系數(shù)，取KT=2；LK控頂距，4.8 m。進(jìn)一步計算得到94101工作面基本頂厚度為ME=18.8 m，對比頂板巖層分布確定其由一層17.4 m的砂質(zhì)泥巖組成,為厚硬頂板。

2.3 基本頂特征及能量變化分析

根據(jù)工作面頂?shù)装鍡l件，基本頂之上為7煤采空區(qū)，且頂板賦存較薄，采動后彈性能釋放，9煤開采時不會導(dǎo)致采空區(qū)破斷頂板彈性能再次快速大量釋放，所以基本頂是本工作面動態(tài)擾動來源。

工作面回采時，發(fā)生頂板裂斷和垮落時要消耗應(yīng)力和能量，故在此過程中應(yīng)力和能量都要得到釋放。頂板結(jié)構(gòu)已確定基本頂厚硬，破斷前積累大量的彈性能，破斷時短時間內(nèi)快速釋放，誘發(fā)震動，而震動傳遞到巷道周邊圍巖導(dǎo)致圍巖總應(yīng)力迅速升高，超過沖擊臨界值誘發(fā)沖擊礦壓。因此通過對工作面主要動載來源（支架工作阻力、微震）以及靜載（錨桿應(yīng)力、頂板離層）的實時監(jiān)測并分析得到基本頂初次來壓步距、采場圍巖能量釋放規(guī)律、判斷巷道頂板巖體應(yīng)力狀、捕捉頂板運動狀態(tài)顯得尤為重要，也對預(yù)防沖擊礦壓起著舉足輕重的作用。

3 工作面礦壓實測及動靜載特征分析

3.1 礦壓監(jiān)測設(shè)備布置及分析

3.1.1 工作面頂板壓力監(jiān)測及分析

94101工作面共安裝20臺頂板壓力監(jiān)測分站，分 別 安 裝 在7、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、117號支架。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)并分析工作面7個監(jiān)測部位處頂板的初次來壓步距為24.8～46.3 m，平均為32.5 m；7條測線部位處老頂?shù)闹芷趤韷翰骄酁閏=5.3～27.6m，平均14.9 m。圖2為30號支架初撐力和循環(huán)末阻力變化曲線。

圖2 30號支架初撐力和循環(huán)末阻力變化曲線

3.1.2 超前巷道頂板離層監(jiān)測及分析

頂板離層監(jiān)測分站設(shè)備2臺，共布置2個測點，測點位置分別位于材料道距切眼250 m和350 m處。一般距回采工作面50 m內(nèi)，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)并分析，距離工作面約100 m位置應(yīng)力增幅明顯，距離工作面30 m位置錨桿應(yīng)力急劇增加；靠近工作面煤壁時應(yīng)力突然降低然后又升高。如圖3所示。

圖3 頂板離層量變化曲線

3.1.3 錨桿應(yīng)力監(jiān)測及分析

錨桿（索）應(yīng)力監(jiān)測分站設(shè)備2臺，共布置2個測點，每個測點相距100m，測點位置分別位于材料道距切眼250m和350m處，每個監(jiān)測分站可同時測3根錨桿，分別位于3個不同的斷面，前后相距3 m。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)并分析，深基點離層從測點距離工作面108 m開始增大；淺基點離層從測點距離工作面92 m開始增大，距工作面35 m時離層量顯著增大，離層最大部位距工作面23 m。如圖4所示。

圖4 錨桿應(yīng)力變化曲線

3.2 SO S微震監(jiān)測系統(tǒng)布置及分析

工作面在材料道和溜子道共布置6個微震監(jiān)測傳感器，每個巷道各布置3個，布置間隔約200 m左右，其隨工作面回采需要不斷前移。日震動次數(shù)大約在19次左右，日釋放能量（圖6）在1.5×104 J左右；當(dāng)總能量數(shù)值變大時，微震次數(shù)（圖5）也相應(yīng)變多；微震在工作面推進(jìn)過程中有明顯的周期變化，較大能量震動之前通常會有較小能量和次數(shù)的微震發(fā)生；預(yù)測微震與基本頂來壓之間存在一定的聯(lián)系。

圖5 微震事件數(shù)24小時分布圖

圖6 日釋放總能量和次數(shù)

3.3 動靜載特征分析

3.3.1 動載監(jiān)測及分析

通過挑選支架循環(huán)末工作阻力并進(jìn)行分析，得到基本頂初次來壓步距32.5 m，平均周期來壓步距為14.9 m；根據(jù)SO S微震監(jiān)測系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)，分析微震活動規(guī)律得到基本頂初次來壓步距36.8 m，平均周期來壓步距14.8 m，與前者通過分析液壓支架循環(huán)末工作阻力得到的來壓步距基本相同。見圖7。

圖7 液壓支架及微震監(jiān)測來壓步距統(tǒng)計

微震監(jiān)測分析得到采場圍巖能量釋放的周期性與液壓支架測得基本頂來壓步距基本一致，表明由頂板破斷產(chǎn)生的動載應(yīng)力來自于基本頂?shù)臄嗔?。故可以采用消除動載源的方式，比如提前對基本頂采取斷頂爆破手段減少動載誘發(fā)沖擊礦壓的可能性。

3.3.2 靜載監(jiān)測及分析

通過統(tǒng)計分析錨桿應(yīng)力、頂板離層量監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出應(yīng)力、離層變化明顯區(qū)主要發(fā)生在距工作面100m左右位置，即工作面圍巖靜載在該位置變化明顯；應(yīng)力、離層變化劇烈區(qū)主要發(fā)生在工作面前方30m范圍內(nèi)，即工作面圍巖靜載在該位置變化劇烈。

4 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬研究

4.1 開采模型建

模型沿工作面走向方向長度為170 m，工作面長度185 m，高度130 m；煤層厚度3 m，平均埋深1 000 m。模型側(cè)面邊界施加水平位移約束，底部邊界施加豎向方向位移約束，模型頂部加載的垂直應(yīng)力為23 MPa。

4.2 垂直應(yīng)力分布特征

工作面回采20 m時，采空區(qū)頂板由于損傷破壞產(chǎn)生應(yīng)力降低區(qū)，煤壁前方應(yīng)力峰值48.88 MPa；回采35 m時，頂板應(yīng)力降低區(qū)變化明顯，范圍增幅較大，從高度與長度2項看均明顯大于回采20 m時的應(yīng)力狀態(tài)，注意此位置可能發(fā)生初次來壓，煤壁前方應(yīng)力峰值64.65 MPa；回采50 m時，煤壁前方應(yīng)力峰值77.81 MPa，應(yīng)力降低區(qū)范圍繼續(xù)擴大，見圖8。

圖8 不同推進(jìn)距離垂直應(yīng)力分布

4.3 位移演化特征

工作面回采時，上覆巖層受采動影響會逐步產(chǎn)生離層、垮落等巖層運動等現(xiàn)象。本次通過模擬可間接得到94101工作面推采過程中圍巖位移特征。

由圖9可知，工作面開采后頂?shù)装寮懊罕谇胺绞紫瘸霈F(xiàn)位移變形，采空區(qū)中部位移量最大，位移分布云圖大體成對稱分布。隨著工作面不斷推進(jìn)，頂板下沉量逐漸增加，位移變化范圍也在逐步擴大，當(dāng)推至35 m周圍時，頂板位移變化明顯，有較大范圍的垮落，可當(dāng)做老頂初次垮落。

圖9 不同推進(jìn)距離垂直位移分布

4.4 塑性區(qū)演化特征

由圖10可知，工作面回采20 m時，上覆巖層破壞范圍較小，頂板相對穩(wěn)定，以拉剪破壞為主；回采至35 m時，覆巖破壞范圍急速增加，老頂發(fā)生斷裂，以剪切破壞為主，煤壁和前方區(qū)域也產(chǎn)生破壞，此處發(fā)生老頂初次來壓；回采至50 m時，上覆巖層破壞范圍繼續(xù)增加，以剪切破壞為主，采空區(qū)頂板裂隙更加發(fā)育，頂板垮落形成周期來壓。

圖10 不同推進(jìn)距離塑性區(qū)分布

4.5 能量分布特征

數(shù)值模擬回采完畢后，利用fish編程語言計算各單元體的彈性能，并相應(yīng)繪制成云圖，如圖11所示。

圖11 不同推進(jìn)距離彈性能分布

由圖11可知，能量場演化特征與應(yīng)力分布特征大致相同，工作面前方能量峰值位置距煤壁距離大約保持在10 m左右，與應(yīng)力集中區(qū)位置基本一致。由模擬結(jié)果推斷頂板初次來壓步距35 m左右，周期來壓步距15 m左右。煤層開挖后，在工作面煤壁前方附近應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯。

4.6 小結(jié)

由模擬結(jié)果推斷頂板初次來壓步距35 m左右，周期來壓步距15 m左右；能量峰值位置距煤壁距離大約保持在10 m左右，與垂直應(yīng)力峰值位置大致相同；當(dāng)工作面推至35 m周圍時，頂板位移變化明顯；煤層開挖后，工作面煤壁前方附近應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯圍巖存在一個呈橢圓拱形態(tài)的垂直應(yīng)力顯著降低區(qū)域。

5 結(jié)論

1）通過對微震日釋放能量曲線推斷分析，頂板初次來壓步距36.8 m，周期來壓步距14.8 m，與支架實測來壓步距結(jié)果基本吻合；通過工作面圍巖靜載特征分析得出在工作面前方30 m范圍內(nèi)，應(yīng)力、離層變化劇烈；通過工作面動載特征分析表明由頂板破斷產(chǎn)生的動載應(yīng)力來自于基本頂?shù)臄嗔选?/p>

2）由數(shù)值模擬分析可知，在工作面煤壁前方10 m左右，能量和應(yīng)力都達(dá)到了峰值；工作面回采至35 m時，覆巖破壞范圍急速增加，基本頂發(fā)生斷裂，推斷此處發(fā)生老頂初次來壓。

3）工作面礦壓實測與動靜載特征分析結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)論基本一致，可以說明誘發(fā)沖擊礦壓的原因主要來自于基本頂斷裂。因此常規(guī)礦壓監(jiān)測可以為沖擊礦壓預(yù)示起到一定的指導(dǎo)性參考作用。