淺部煤層工作面沖擊地壓與采動應(yīng)力場關(guān)系研究

張書敬

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013；3.煤炭資源開采與環(huán)境保護國家重點實驗室，北京 100013)

我國發(fā)生沖擊地壓的煤層大部分位于礦井中深部或者深部，近年來在我國西部一些淺部礦井也開始發(fā)生沖擊地壓。神華新疆能源有限責(zé)任公司礦區(qū)目前開采淺部煤層，開采過程中已有多礦煤層發(fā)生過沖擊地壓。最為典型的一次淺部煤層工作面沖擊地壓事故是發(fā)生在寬溝煤礦W1143工作面，工作面埋深317m。2010年10月8日9時在工作面中下部和下巷道處發(fā)生沖擊地壓，煤層和底板巖石突出容積約247m3，造成了人員傷亡和設(shè)備損壞的嚴(yán)重后果。

目前學(xué)術(shù)界重點關(guān)注于深部煤層條件下沖擊地壓研究，在理論上對淺部煤層條件下沖擊地壓的發(fā)生機理還缺乏深入研究，沖擊地壓的防治效果還不理想。本文以寬溝煤礦W1143工作面為實驗點，采用UDEC數(shù)值模擬軟件模擬和PASAT-M便攜式微震檢測系統(tǒng)，研究淺部煤層工作面采動應(yīng)力與沖擊地壓的關(guān)系。

1 工作面概況

W1143綜采工作面煤層為B4-1，埋深317m、走向長1495m，斜長162m，傾角10°～16°,煤厚平均3m，采高3m;直接頂為粉砂巖，厚度12m;直接頂上方為B4-2煤層，平均厚2.5m;其上為直達地表的砂巖互層。直接底為層狀中砂巖，厚度5.2m;基本底為粗砂巖，厚度12.99m。

2 采動應(yīng)力場數(shù)值模擬研究

根據(jù)W1143工作面回采期間經(jīng)歷的不同空間位置，有2種空間位置結(jié)構(gòu)，開采初期W1143工作面受相鄰W1141采空區(qū)影響，開采中后期W1143工作面受相鄰W1141采空區(qū)和上覆W114(2)3，W114(2)1采空區(qū)影響。回采不同時期工作面空間位置見圖1。傾向剖面模擬方案選擇圖1中圈定的2個位置進行模擬。走向剖面模擬選擇如圖2中圈定范圍。根據(jù)Zk303鉆孔資料建立UDEC數(shù)值模型，模型走向長度470m，垂直高度240m，模型未模擬到地表，240m以上等效載荷處理。模型左右邊界限制水平位移，下邊界限制垂直位移。根據(jù)W1143工作面煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果進行參數(shù)賦值。

圖1 回采不同時期工作面空間位置

2.1 傾向Ⅰ剖面采動應(yīng)力分布特征

當(dāng)工作面開采受相鄰一采空區(qū)影響時，回采過程產(chǎn)生二次采動影響，2次采動產(chǎn)生的應(yīng)力相疊加，造成2個工作面之間的區(qū)段煤柱采動應(yīng)力集中，應(yīng)力集中程度較上區(qū)段工作面明顯上升，如圖3和圖4所示。

圖3 W1141開挖后圍巖應(yīng)力分布情況

圖4 W1143開挖后圍巖應(yīng)力分布情況

圖5所示煤柱采動應(yīng)力分布曲線表明，煤柱側(cè)向支承壓力形成應(yīng)力集中；一次采動影響下，煤柱形成較低的應(yīng)力集中，受相鄰工作面的二次采動影響，煤柱側(cè)向支承壓力產(chǎn)生疊加，應(yīng)力集中程度成倍增加。

圖5 相鄰一采空區(qū)煤柱應(yīng)力分布曲線

2.2 傾向Ⅱ剖面采動應(yīng)力分布特征

開挖W114(2)1后，采動應(yīng)力分布如圖6，其采動應(yīng)力主要集中在W114(2)1兩側(cè)的煤體上；開挖W114(2)3后，采動應(yīng)力分布如圖7，W114(2)1，W114(2)3之間煤柱應(yīng)力疊加，應(yīng)力集中系數(shù)增大；開挖W1141后，采動應(yīng)力分布如圖8。W114(2)1，W1141的上覆巖層充分運動，使得W1141煤體的采動應(yīng)力和W1141，W1143區(qū)段煤柱的采動應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力集中系數(shù)降低；當(dāng)開挖W1143后，采動應(yīng)力分布如圖9，受W1143，W1141，W114(2)1和W114(2)3覆巖結(jié)構(gòu)影響，覆巖運動的范圍加大，導(dǎo)致應(yīng)力集中程度上升，采動應(yīng)力很大程度上集中到W1141工作面、W1143工作面之間的區(qū)段煤柱上。

圖6 W114(2)1開挖后圍巖應(yīng)力分布

圖7 W114(2)3開挖后圍巖應(yīng)力分布

圖9 W1143開挖后圍巖應(yīng)力分布

煤柱采動應(yīng)力分布曲線如圖10，反應(yīng)了工作面受采掘布置影響的關(guān)系。B4-1煤層受上層B4-2煤層回采的影響，采動應(yīng)力隨上層煤的回采空間增加，采動應(yīng)力呈上升趨勢，而B4-1煤層采動應(yīng)力集中程度隨本煤層工作面采動影響而顯著增加。

圖10 相鄰三采空區(qū)煤柱應(yīng)力分布曲線

采動應(yīng)力分布變化過程揭示了礦區(qū)采掘布置對工作面沖擊地壓的影響關(guān)系。工作面回采過程中，采動應(yīng)力集中程度大小影響沖擊地壓的發(fā)生與否。當(dāng)采動應(yīng)力集中程度高時，工作面沖擊地壓發(fā)生的危險性就越高；而采動應(yīng)力與工作面布置有關(guān)，根據(jù)采動應(yīng)力變化曲線，工作面回采受到相鄰采掘工作面影響越大，工作面采動應(yīng)力集中程度越高。

2.3 走向Ⅲ剖面采動應(yīng)力分布特征

2.3.1 頂板初次來壓期間采動應(yīng)力分布

如圖11所示，基本頂初次來壓步距為50m，初次來壓期間，造成煤體的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)為2，采動應(yīng)力主要集中在工作面前方40m范圍內(nèi)。

圖11 工作面初次來壓期間采動應(yīng)力分布

2.3.2 工作面“單面見方”采動應(yīng)力分布

工作面“單面見方”時，工作面推進長度為160～170m，覆巖運動的高度達到了B4-2煤層上部堅硬頂板，堅硬頂板積聚了大量彈性能，當(dāng)堅硬頂板突然運動時，造成了工作面前方的圍巖應(yīng)力集中，采動應(yīng)力分布如圖12所示。

圖12 工作面“單面見方”期間采動應(yīng)力分布

2.3.3 工作面“雙面見方”采動應(yīng)力分布

工作面“雙面見方”時，工作面推進長度為330～340m，覆巖運動高度達到了B4-2煤層高位巖層，高位巖層積聚的能量以彎曲變形能釋放，或者以動能的形式釋放，并且覆巖在橫向方向影響范圍大，此時圍巖的應(yīng)力水平高，集中程度更大，采動應(yīng)力分布如圖13所示。

圖13 工作面“雙面見方”期間采動應(yīng)力分布

2.3.4 工作面受上覆煤層回采影響應(yīng)力分布

W1143工作面推進期間將經(jīng)歷由上方煤體實體煤下回采到進入上方煤體采空區(qū)下回采過程，該過程采動應(yīng)力將經(jīng)歷采動應(yīng)力升高再到降低的過程。采動應(yīng)力的變化過程如圖14～18所示。

圖14 距W114(2)3采空區(qū)50m時采動應(yīng)力分布

圖15 距W114(2)3采空區(qū)30m時采動應(yīng)力分布

圖16 距W114(2)3采空區(qū)0m時采動應(yīng)力分布

圖17 進入W114(2)3采空區(qū)40m時采動應(yīng)力分布

圖18 進入W114(2)3采空區(qū)80m時采動應(yīng)力分布

工作面推進距離W114(2)3切眼50m時，工作面超前支承壓力影響不受上覆煤層開采遺留煤體的影響，當(dāng)推進至距W114(2)3切眼30m時，W1143工作面采動應(yīng)力為自身超前支承壓力和上方煤體壓力疊加作用而成，進入W114(2)3采空區(qū)后，采動體應(yīng)力逐漸降低。

當(dāng)工作面接近上方B4-2煤層采空區(qū)時，采動應(yīng)力集中程度開始增加，沖擊危險性開始升高。工作面受上覆煤層回采影響采動應(yīng)力變化過程如圖19所示。

當(dāng)W1143工作面距離上方B4-2煤層采空區(qū)20m時，工作面前方應(yīng)力集中程度達到最大，主要原因為工作面超前支承壓力和上方覆巖對下方煤體作用力疊加的結(jié)果。工作面沖擊危險性經(jīng)歷由進入上方采空區(qū)前逐漸增大到進入上方采空區(qū)后逐漸減弱的變化過程。

圖19 工作面受上覆煤層回采影響期間采動應(yīng)力分布曲線

3 工作面前方應(yīng)力異常探測

采用波蘭PASAT-M便攜式微震檢測系統(tǒng)，在W1143工作面距離上覆采空區(qū)水平距離48m時，工作面處在“三面孤島”時期，工作面前方144m煤體內(nèi)進行波速異常區(qū)實測，確定工作面前方是否存在應(yīng)力異常區(qū)域，以驗證采動應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果。

圖20為W1143工作面PASAT-M探測系統(tǒng)布置圖。方案將在工作面和運輸巷均設(shè)置震源。采集端位于軌道巷，共布置11個探頭，間距13m，1號探頭距離巷道交叉口6.3m。激發(fā)孔共設(shè)計41個，其中運輸巷激發(fā)孔25個，炮間距6m，工作面激發(fā)孔16個，炮間距10m，本次探測走向范圍平均144m，滿足研究需要。

圖20 W1143工作面PASAT-M探測系統(tǒng)布置圖

3.1 應(yīng)力異常現(xiàn)場探測

當(dāng)W1143工作面距離上覆采空區(qū)水平距離48m時，工作面處在“三面孤島”時期，采用了PASAT便攜式微震儀對W1143工作面前方144m煤體內(nèi)進行了波速異常區(qū)實測，探測結(jié)果如圖21所示。結(jié)果顯示W(wǎng)1143工作面下巷與W114(2)3工作面上巷下方之間的實體煤為波速異常即應(yīng)力集中區(qū)域，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

圖21 W1143工作面前方應(yīng)力異常區(qū)

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬分析、地震波CT探測的方法，分析了淺部煤層工作面回采過程中采動應(yīng)力分布規(guī)律，主要得到如下結(jié)論：

(1)W1143工作面受相鄰采空區(qū)影響，無論是在工作面傾向方向還是在走向方向產(chǎn)生采動應(yīng)力疊加，在相鄰采空區(qū)煤柱和工作面前方圍巖中造成應(yīng)力集中。特別是W1143工作面在相鄰三采空區(qū)回采時，應(yīng)力集中程度更高，當(dāng)工作面距離上層煤W114(2)3采空區(qū)水平面的投影20m時，工作面前方應(yīng)力集中程度達到最大。受采動影響形成高應(yīng)力和高能量場是寬溝煤礦淺部煤層工作面發(fā)生沖擊地壓的主要原因。

(2)當(dāng)W1143工作面距離上覆W114(2)3采空區(qū)水平距離48m時，采用了PASAT便攜式微震儀對W1143工作面前方144m煤體內(nèi)進行了波速異常區(qū)實測，結(jié)果顯示W(wǎng)1143工作面下巷與W114(2)3工作面上巷下方之間的實體煤為波速異常即應(yīng)力集中區(qū)域，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。