受斷層影響的采場沖擊地壓危險區(qū)域劃分研究

王 磊 張永久

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京市海淀區(qū)，100083；2.淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司朱集東礦，安徽省淮南市，232001；3.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，北京市東城區(qū)，100713)

★ 煤礦安全 ★

受斷層影響的采場沖擊地壓危險區(qū)域劃分研究

王 磊1,3張永久2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京市海淀區(qū)，100083；2.淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司朱集東礦，安徽省淮南市，232001；3.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，北京市東城區(qū)，100713)

對安徽省朱集東礦首采面沖擊地壓傾向進(jìn)行了鑒定，測試的煤樣動態(tài)破壞時間、沖擊能量指數(shù)、彈性能量指數(shù)平均值顯示無沖擊傾向，但個別試樣具有沖擊地壓傾向，說明在開采條件具備時具有沖擊危險。根據(jù)工程實際，重點分析工作面構(gòu)造、頂板運(yùn)動、煤柱留設(shè)等對沖擊地壓的影響，為合理劃分沖擊危險區(qū)域提供了依據(jù)。

首采面 沖擊地壓 動態(tài)破壞時間 沖擊能量指數(shù) 彈性能量指數(shù) 斷層 頂板運(yùn)動 煤柱留設(shè) 危險區(qū)域

1 煤礦概況

安徽省朱集東礦首采面1111(1)工作面主采11-2#煤層，煤層平均厚1.26 m，傾角1°～5°，平均傾角3°，工作面標(biāo)高-880～-910 m，地面標(biāo)高為+24 m，工作面長220 m，工作面底抽巷埋深超過950 m，過斷層掘進(jìn)時，突出巖石3～5 m3，發(fā)生明顯的動力沖擊現(xiàn)象，由于正值掘進(jìn)頭無工作人員，未造成人員傷亡。事故說明該礦已經(jīng)到了有沖擊危險的開采區(qū)域。因此，有必要進(jìn)行沖擊傾向鑒定并分析沖擊危險性程度以便防范沖擊地壓的發(fā)生。

2 沖擊傾向性鑒定

為了防范沖擊地壓的發(fā)生，需要對開采區(qū)域發(fā)生沖擊地壓的可能性進(jìn)行分析，包括對煤巖層物理力學(xué)性質(zhì)、動態(tài)破壞時間、彈性能指數(shù)、沖擊能指數(shù)等沖擊傾向性指標(biāo)等進(jìn)行測試，得到?jīng)_擊鑒定的結(jié)果。

2.1 采樣及測試

煤樣可在工作面(見煤點)直接取出，所取煤塊要完整，沒有明顯裂隙，煤樣規(guī)格要大于300 mm×300 mm×200 mm(長×寬×高)；在工作面兩巷道合適地點鉆取巖石試件，試件尺寸為?50 mm×100 mm和?50 mm×50 mm。本次試驗采用MTS815.03電液伺服巖石試驗系統(tǒng)測定煤的動態(tài)破壞時間、彈性能量指數(shù)、沖擊能力指數(shù)和頂板巖石的彈性模量。

從直接頂(試樣序號Zx)、老頂(試樣序號Lx)、煤層(試樣序號Mx)、直接底(試樣序號ZDx)及老底(試樣序號LDx)取芯，加工試樣測得的基本力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果

2.1.1 煤層沖擊傾向性測試

對煤樣的沖擊能量指數(shù)(KE)、動態(tài)破壞時間(Dt)、彈性能量指數(shù)(Wet)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2～4所示。表中為有效試樣測試結(jié)果，按順序未展現(xiàn)的試樣為不可采用的結(jié)果。

表2 煤樣沖擊能量指數(shù)

表3 動態(tài)破壞時間試驗結(jié)果

表4 煤樣彈性能量指數(shù)

將測得各項指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。根據(jù)我國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法MT/T174-2000》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，判定煤層無沖擊傾向。

2.1.2 頂板巖石沖擊傾向性測試

對頂板巖石沖擊傾向性進(jìn)行測試，得到了復(fù)合頂板(包括直接頂和老頂)彎曲能量指數(shù)為8.561158，根據(jù)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法MT/T174-2000》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，彎曲能量指數(shù)以10為界限，小于10可以判定無沖擊性傾向，因此判定頂板巖石無沖擊傾向性。

2.2 煤層及頂板沖擊性鑒定結(jié)果

(1)根據(jù)煤樣測定的數(shù)據(jù)，判定煤層屬于3類，為不具有沖擊傾向性的煤層。

(2)根據(jù)巖樣測定的數(shù)據(jù)，判定頂板屬于3類，為不具有沖擊傾向性的巖層。

(3)雖然由以上測試得到煤層無沖擊傾向，但是由于coal-1-dt試件動態(tài)破壞時間為424 ms、coal-8-ke試件沖擊能量指數(shù)為2.117、coal-4-wet試件彈性能量指數(shù)為2.394，均具有弱沖擊傾向，說明在生產(chǎn)地質(zhì)條件變化地段，要預(yù)先采取防范沖擊地壓發(fā)生的措施。

3 首采區(qū)深部開采沖擊地壓危險分析

本文采用FLAC數(shù)值模擬軟件對1111(1)工作面過Fx斷層進(jìn)行模擬，模擬工作面超前支承壓力分布受斷層影響的情況。本次數(shù)值模擬巖層屬性參照位于1111(1)工作面Fx斷層附近的11-4鉆孔資料，巖層厚度及巖石力學(xué)屬性如表5所示。

表5 模型巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.1 斷層對工作面支承壓力的影響

3.1.1 模型的建立

模型尺寸400 m×91 m，模型底邊界固定，左右邊界水平方向位移固定。橫向取1 m一格，最中間一格作為斷層結(jié)構(gòu)面，橫向共401格。縱向也取1 m一格，共有16層，每層結(jié)構(gòu)面平均分配。模型共39298個單元格。Fx斷層傾角70°，平均落差1.5 m，本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖模型。模型上邊界上覆巖層厚度為880 m。

3.1.2 模擬結(jié)果分析

為優(yōu)化工作面設(shè)計布置，工作面開采是從上盤到下盤。首先模擬工作面在過正斷層推進(jìn)情況下，從斷層上盤向斷層推進(jìn)，距離斷層60 m、40 m、30 m、20 m、10 m時支承壓力的分布規(guī)律；其次模擬工作面從斷層下盤向斷層推進(jìn)時，距離斷層60 m、40 m、30 m、20 m、10 m時支承壓力的分布規(guī)律。

因為沖擊地壓的發(fā)生主要受垂直應(yīng)力的影響，所以本次模擬主要從垂直應(yīng)力的角度進(jìn)行重點分析。工作面超前支承壓力的取法是從工作面煤壁開始，在煤體中垂直應(yīng)力最大的一條線(y=20.09 m)上取40 m長的一段線段作為提取數(shù)值的基線，在此40 m線段上取80個數(shù)據(jù)，也就是在此線段上提取80個點的垂直應(yīng)力值來描述此段范圍內(nèi)垂直應(yīng)力的分布情況，如圖1所示。

從圖1可知，工作面距斷層30 m時，垂直應(yīng)力峰值上升到59.25 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)到達(dá)2.54，應(yīng)力峰值位置距煤壁8 m；工作面距斷層20 m時，垂直應(yīng)力峰值上升到61.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)2.63，垂直應(yīng)力峰值位置距煤壁仍為8 m；當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層10 m時，由于在斷層與煤壁之間只有10 m的小煤柱，在煤柱中形成了很高的應(yīng)力集中，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到65.05 MPa，斷層的存在不僅影響到應(yīng)力峰值，而且還影響到支承壓力分布形式和分布范圍，使得應(yīng)力峰值向煤壁轉(zhuǎn)移，距煤壁7 m，應(yīng)力分布范圍減小，在煤壁與斷層之間的煤柱中，形成了很高的應(yīng)力梯度，具有很高的沖擊危險性；而在斷層以外的煤體中，垂直應(yīng)力峰值迅速降為40 MPa。

圖1 斷層對工作面支承壓力影響

分析可知，工作面距斷層越近，越易形成應(yīng)力集中，梯度很高，發(fā)生沖擊危險的可能性越大。

3.2 斷層導(dǎo)致的頂板型沖擊地壓危險分析

為研究斷層對頂板運(yùn)動規(guī)律及沖擊地壓的影響，在頂板布置觀測點C，隨工作面推進(jìn)C點垂直位移被記錄下來，由數(shù)據(jù)可推測頂板的下沉量。由工作面從斷層上盤向斷層推進(jìn)處于不同位置時的頂板下沉量可得到工作面距斷層不同距離與頂板下沉量的時空關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 斷層對頂板運(yùn)動影響

由圖2可知，隨著工作面向斷層不斷推進(jìn)，當(dāng)距斷層30 m時，頂板下沉226.7 mm；當(dāng)距斷層10 m時，頂板下沉量急劇增加到285.3 mm，頂板運(yùn)動急劇增加，有可能導(dǎo)致頂板型沖擊地壓。

3.3 護(hù)巷煤柱合理寬度分析

區(qū)段煤柱寬度影響支承壓力對巷道影響程度、煤柱的穩(wěn)定性和巷道的圍巖變形。因此留設(shè)煤柱寬度與應(yīng)力場分布、沖擊地壓危險性密切相關(guān)。合理煤柱尺寸有利于避免沖擊地壓發(fā)生。因此，進(jìn)一步模擬了煤柱寬度對巷道穩(wěn)定性的影響。

圖3為回采巷道開挖后支承壓力顯現(xiàn)特征，由圖3可知，回采巷道開挖后，應(yīng)力降低區(qū)在巷道頂?shù)装逯行纬桑鴳?yīng)力集中區(qū)在巷道兩側(cè)形成。

圖3 巷道開挖后支承壓力分布

圖4為回采后礦壓顯現(xiàn)特征。由圖4可知，支承壓力分布與距巷幫的距離有關(guān)，距巷幫0～2 m段內(nèi)，出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)；距巷幫10～20 m內(nèi)，出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)。

圖4 采空區(qū)兩側(cè)礦壓顯現(xiàn)特征

采空區(qū)運(yùn)動穩(wěn)定后，開掘相鄰工作面回采巷道，分別模擬煤柱寬度為3 m、4 m、6 m、10 m、15 m、20 m、25 m時煤柱穩(wěn)定性。不同寬度煤柱支承壓力分布如圖5所示。

當(dāng)采用10 m以下的小煤柱時，煤柱發(fā)生完全剪切破壞，易發(fā)生危險；采用15 m煤柱時，僅在煤柱兩側(cè)產(chǎn)生剪切破壞塑性區(qū)，在煤柱中央出現(xiàn)彈性核，但仍有可能發(fā)生危險。當(dāng)煤柱寬度為20 m時，在煤柱兩側(cè)各形成了約4 m的剪切破壞塑性區(qū)，在煤柱中央出現(xiàn)大范圍的彈性區(qū)，這時，可以認(rèn)為護(hù)巷煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)煤柱寬度大于20 m時，實體煤中形成的應(yīng)力集中程度較低，沖擊危險性較小，煤柱中雖然形成較高的應(yīng)力峰值，但是煤柱中存在一定寬度的彈性核，煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 采場沖擊地壓危險區(qū)域確定及防治預(yù)案

4.1 采場沖擊地壓危險區(qū)域確定

由于斷層是發(fā)生沖擊地壓的重要影響因素，1111(1)工作面兩巷道在掘進(jìn)過程中揭露大量的斷層，在斷層前后100 m范圍內(nèi)應(yīng)為防沖重點區(qū)，見圖6。

圖5 不同寬度煤柱支承壓力分布

運(yùn)輸巷道防沖重點區(qū)為：自開切眼開始起的310～510 m區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域在運(yùn)輸巷道掘進(jìn)過程中已揭露DF101斷層，沖擊地壓受斷層地質(zhì)構(gòu)造的影響較大，且由斷層下盤向斷層推進(jìn)，有沖擊危險；自開切眼開始起的700～900 m區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域在運(yùn)輸巷道掘進(jìn)過程中已揭露DF100斷層，且工作面是由斷層下盤向斷層推進(jìn)，有沖擊危險；自開切眼開始起的1540 m到停采線區(qū)域內(nèi)，主要受Fx斷層尖滅帶影響，運(yùn)輸巷掘進(jìn)時在Fx斷層尖滅帶曾發(fā)生過沖擊地壓現(xiàn)象，有沖擊危險。

圖6 沖擊地壓危險區(qū)域

軌道巷道防沖重點區(qū)：自開切眼開始起的627 m區(qū)域內(nèi)，因該區(qū)域存在DF104、DF106、DF99 3條斷層，受斷層等地質(zhì)構(gòu)造的影響較大，而且工作面處于初放階段，所以確定該區(qū)域為重點防沖區(qū)域；自開切眼開始起的1527 m到停采線區(qū)域內(nèi)，主要受Fx斷層尖滅帶影響，確定為重點防沖區(qū)。

4.2 采場沖擊危險區(qū)的監(jiān)測及防治預(yù)案

開展當(dāng)量鉆屑量監(jiān)測預(yù)報沖擊地壓危險性建設(shè)，可有效實現(xiàn)動力災(zāi)害的預(yù)警；同時可確定采空區(qū)實體煤一側(cè)的應(yīng)力分布，為研究合理煤柱提供可靠依據(jù)，防止因出現(xiàn)高應(yīng)力而導(dǎo)致動力災(zāi)害的發(fā)生。

根據(jù)基于采動破裂場在線監(jiān)測沖擊地壓防治機(jī)制，構(gòu)建沖擊地壓基礎(chǔ)理論研究的微地震監(jiān)測平臺，監(jiān)測巖體破裂場分布的時、空范圍，定量描述采動巖體運(yùn)移規(guī)律及構(gòu)造活化規(guī)律，并超前進(jìn)行區(qū)域性預(yù)警,保障開采安全；通過微地震實時監(jiān)測解放層采動覆巖破裂場，研究工作面沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，為制定解危方案提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)對工作面沖擊傾向進(jìn)行鑒定，煤樣動態(tài)破壞時間、沖擊能量指數(shù)、彈性能量指數(shù)平均值顯示無沖擊傾向，但個別試樣具有沖擊傾向，說明是否發(fā)生沖擊與開采條件等密切有關(guān)。

(2)采用數(shù)值模擬工作面過Fx斷層，得到不同位置的應(yīng)力場及應(yīng)力梯度變化，推進(jìn)至斷層較近時，應(yīng)力達(dá)峰值，應(yīng)力梯度也很高，有沖擊危險。

(3)分析煤柱留設(shè)寬度對首采面待采區(qū)域沖擊地壓的影響，提出合理的煤柱尺寸設(shè)計方案。

(4)合理劃分沖擊危險區(qū)域，提出相應(yīng)監(jiān)測及防治預(yù)案，有利于安全開采。

(5)在開采過程中，煤、巖層是否發(fā)生沖擊還同其開采深度、構(gòu)造、地應(yīng)力狀況、周圍開采情況、含水率等有關(guān)，應(yīng)具體問題具體分析。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Study on danger area categorization of rock outburst of mining stope affected by faults

Wang Lei1,3, Zhang Yongjiu2

(1. China University of Mining & Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;2. Zhuji East Mine, Huainan Mining Industry (Group) Co., Ltd., Huainan, Anhui 232001, China;3. State Administration of Work Safety, Dongcheng, Beijing 100713, China)

The first mining face of Zhuji East Mine was investigated for rock outburst tendency. Average value of dynamic failure time of coal sample, impact energy index, and elastic energy index indicated that there was no outburst tendency, however, some samples indicated there was outburst tendency, which means outburst danger could be attained under mining condition. According to engineering facts, focusing on the influence of working face structure, roof movement and coal pillar layout on outburst, providing reasonable evidence for outburst danger area categorization.

first working face, rock outburst, dynamic failure time, impact energy index, elastic energy index, faults, roof movement, pillar layout, danger area

王磊,張永久.受斷層影響的采場沖擊地壓危險區(qū)域劃分研究[J].中國煤炭,2016,43(2),108-113. Wang Lei,Zhang Yongjiu. Study on danger area categorization of rock outburst of mining stope affected by faults[J]. China Coal,2017,43(2):108-113.

TD324

A

王磊(1976-)，山東省棗莊市人，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)在讀博士研究生，現(xiàn)任國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局培訓(xùn)教育處處長。