二次采動下臨空留巷沖擊地壓機理

魯喜輝，武少國，丁國利，繆小冬，王書文

(1.中天合創(chuàng)能源有限責任公司 葫蘆素煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017300；2.中天合創(chuàng)能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017300； 3.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；4.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

沖擊地壓指煤礦井巷或工作面周圍煤巖體，由于彈性變形能的瞬時釋放而產生突然劇烈破壞的動力現(xiàn)象，常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等，具有很強的破壞性，是煤礦重大災害之一[1]。我國煤礦開采條件復雜多樣，沖擊地壓發(fā)生條件千差萬別，但從發(fā)生巷道的空間位置看，回采工作面沖擊地壓主要發(fā)生在臨空巷道內，并以工作面超前區(qū)域為主[2-5]。臨空巷道可分為臨空掘巷和留巷，其中臨空掘巷是指上一工作面已經回采完畢，在采空區(qū)側向開掘新的巷道。臨空留巷是指上工作面一側或兩側采用了雙巷或多巷布置，外側巷道留用為下一工作面服務。臨空留巷將先后受兩次回采擾動影響，沖擊地壓發(fā)生機理更為復雜。我國雙巷或多巷布置工作面數(shù)量總體占比較小，多分布在淮南、晉城、潞安、彬長、神東、呼吉爾特等礦區(qū)，主要用于解決運輸、通風、瓦斯及采掘接續(xù)等問題[6-7]。2013年以來，彬長、潞安及呼吉爾特礦區(qū)部分礦井的臨空留巷出現(xiàn)了沖擊地壓災害[7-9]。本文針對葫蘆素煤礦21103回風巷臨空留巷沖擊地壓，從沖擊啟動的載荷源入手分析沖擊地壓發(fā)生機理，以期為二次采動下臨空留巷沖擊地壓防治提供依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工作面概況

葫蘆素煤礦21103工作面為首采區(qū)第二個回采工作面，西鄰21102工作面采空區(qū)，區(qū)段煤柱30m，東臨21104準備工作面，南臨礦井實體煤邊界，工作面巷道布置如圖1所示。工作面傾向長度320m，走向長度4150m，采用一面三巷的布置方式，其中回風巷為鄰近21102工作面回采后的留巷。工作面開采2-1煤層，煤層傾角為-3°～+3°，煤厚1.8～2.97m，平均2.54m。鑒定結果表明，葫蘆素煤礦2-1煤具有強沖擊傾向性。煤層頂板巖性多以粉砂巖、砂質泥巖為主，底板巖性多為砂質泥巖及粉砂巖。工作面主運巷、輔運巷、回風巷斷面寬×高均為5.4m×2.7m，沿頂、沿底布置，采用錨網索支護。

圖1 21103工作面巷道布置

1.2 沖擊地壓發(fā)生情況

工作面回采初期未發(fā)生明顯的動力顯現(xiàn)。截至2017年11月18日7:40，工作面累計推進548m，生產過程中，回風巷超前0～60m范圍發(fā)生沖擊顯現(xiàn)，瞬間造成煤柱側幫鼓，最大0.7m，位于超前0～10m范圍內，導致機尾無安全出口，電纜落地，底鼓0.3m，共破壞錨桿30根，錨索15根，損壞單體10根。

分析發(fā)現(xiàn)，本次具有明顯的方向性，以煤柱側沖擊為主，底鼓次之，實體煤、頂板基本沒有破壞，這表明沖擊地壓的能量釋放主體為30m寬度的臨空煤柱。

2 沖擊地壓載荷源分析

2.1 沖擊地壓啟動機理

根據(jù)沖擊啟動理論[10]，沖擊地壓發(fā)生依次經歷沖擊啟動—沖擊能量傳遞—沖擊地壓顯現(xiàn)等3個階段，采動圍巖近場系統(tǒng)內靜載荷的集聚是沖擊啟動的內因，采動圍巖遠場系統(tǒng)外動載荷對靜載荷的疊加、擾動是沖擊啟動的外因。沖擊地壓啟動的載荷源主要分為兩類：采動圍巖近場系統(tǒng)內靜載荷和遠場系統(tǒng)外動載荷。系統(tǒng)內靜載荷以采掘空間圍巖內的采動應力為主；系統(tǒng)外動載荷以采空區(qū)及周邊頂板活動、采掘爆破等產生的動態(tài)應力波為主。沖擊啟動區(qū)為近場圍巖應力峰值最大區(qū)，沖擊啟動的能量判據(jù)為：

E靜+E動-EC>0

式中，E靜為極限平衡區(qū)集中靜載荷作用下積聚的能量；E動為遠場彈性能傳遞至極限平衡區(qū)的能量；EC為極限平衡區(qū)發(fā)生動力破壞所需要的最小能量[15]。

2.2 靜載荷源分析

2.2.1 二次擾動前臨空煤柱側向應力分布

21102工作面回采后，臨空巷道受到采空區(qū)頂板壓力傳遞影響，圍巖應力水平整體升高。為掌握臨空寬煤柱側向應力分布情況，在21103工作面回采之前，采用φ42mm直徑鉆屑法對臨空寬煤柱進行檢測，鉆屑量分布曲線如圖2所示。煤柱側4m以淺范圍鉆屑量小于3kg/m，煤柱幫5m以深煤粉量大幅增加，峰值區(qū)位于8m處，煤粉量達到55kg/m，9m以深范圍則逐漸減小?？梢?，二次采動影響之前，臨空寬煤柱應力集中程度已經處于高位，尤其煤柱里側6～10m區(qū)間集中程度最高。

圖2 30m寬煤柱鉆屑法記錄曲線

2.2.2 二次采動影響下臨空煤柱走向應力分布

采用KJ21沖擊地壓應力在線監(jiān)測系統(tǒng)對21103回風巷幫部進行應力監(jiān)測，選取5個典型應力曲線進行分析，結果如表1及圖3所示。統(tǒng)計可知，21103工作面超前支承壓力影響范圍為50～73m，平均58m；應力峰值超前工作面距離5～16m，平均7.7m，應力集中系數(shù)2.20～5.39，平均3.61。對比可知，回風巷沖擊破壞范圍為超前工作面0～60m，與監(jiān)測獲取的超前支承壓力影響范圍(58m)基本一致。另外，破壞最為嚴重的區(qū)域為0～10m范圍，也是超前應力峰值分布的區(qū)間。可見，沖擊顯現(xiàn)的地點及嚴重程度與超前支承壓力分布較為吻合，總體為支承壓力越大，沖擊破壞越嚴重。

2.2.3 煤柱硐室附近應力分布規(guī)律

圖4為2017年11月26日，21103回風巷兩幫應力監(jiān)測數(shù)據(jù)?？梢?，壓力最大值分布在工作面附近，隨著遠離工作面，回風巷幫部壓力逐漸下降，直至穩(wěn)定在4～5MPa。同時發(fā)現(xiàn)，煤柱內硐室或聯(lián)巷周圍應力是正常煤柱區(qū)應力的1.5～4.2倍，這表明煤柱硐室對應力的影響極為顯著，容易發(fā)展成為沖擊危險源。

表1 21103回風巷采動應力監(jiān)測結果

圖3 21103回風巷采動應力實測曲線

圖4 21103回風巷幫部應力

2.3 動載荷源分析

采用波蘭ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)對21103工作面微震活動進行監(jiān)測，分析其平面、剖面分布規(guī)律。

2.3.1 微震事件平面分布規(guī)律

圖5為不同能級微震事件的平面分布情況，可見，不同能級的微震事件分布區(qū)域差別較大，主要規(guī)律：高能級的104J以上事件全部集中在開掘了聯(lián)巷的臨空煤柱附近；斷層可引起103J事件頻發(fā)，但尚不足以誘發(fā)104J事件；102J事件在兩巷附近大量分布，但在采空區(qū)中部較少；101J事件在工作面范圍廣泛分布。誘發(fā)因素的類型決定了微震事件的能級，該規(guī)律可用于預判強礦震及沖擊地壓危險性，具體表現(xiàn)為：

圖5 不同能級微震事件平面分布

(1)臨空煤柱內開掘了聯(lián)絡巷可導致高能事件頻發(fā)，誘發(fā)沖擊地壓概率較高，應加強超前卸壓。

(2)斷層附近煤巖層活動異常，微震能量釋放相對活躍，但引起的微震事件最大能量限定在103J級別，一般條件下尚不足以誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)，但應采取防范措施。

(3)101J、102J微震事件分布范圍更廣，但采空區(qū)中部偏少，這可能是由于采空區(qū)內部微震事件向巷道內拾震器傳播過程中衰減過快，未被有效記錄。

2.3.2 微震事件垂向分布規(guī)律

圖6為21103工作面微震事件沿傾向垂直剖面的投影。從煤巖層破裂高度上來看，工作面回采后，微震活動分布在煤層上方160m范圍內，表明覆巖最大破裂高度約160m。但高能事件發(fā)生層位更低，其中103J級別微震事件發(fā)生在煤層上方80m范圍，104J級別微震事件發(fā)生在煤層上方30m范圍。低位堅硬頂板活動形成的高能量微震震源距離采掘巷道更近，應力波傳遞至巷道圍巖的極限平衡區(qū)時，衰減程度較小，誘發(fā)沖擊地壓風險概率更高。

圖6 不同能級微震事件垂直剖面投影

2.3.3 微震活動與班次的關系

圖7為不同能級微震事件在夜班(0時-8時)、早班(8時-16時)、中班(16時-24時)的分布比例?？傻靡韵乱?guī)律：

(1)從所有微震發(fā)生的頻次來看，夜班>中班>早班，表明夜班受開采擾動最強烈，中班次之，早班(檢修班)最小。

(2)62%的3次方事件、100%的4次方事件發(fā)生在夜班，可見，夜班高能量震級沖擊地壓風險最高。這主要是因為工作面經歷8～16h的連續(xù)生產，頂板懸露面積不斷增大，活動強度不斷增大，動載荷釋放強度也就增大。

(3)早班為檢修班，回風巷超前段作業(yè)人員較多，該時間段內雖未發(fā)生過4次方事件，但3次方事件達到20次，仍具有一定的誘沖風險。這主要是因為工作面已經經歷了連續(xù)16h的高強度生產，雖然早班停機，但頂板活動尚未完全停止。

圖7 不同班次里不同能級微震事件頻次的比例

3 臨空留巷沖擊地壓發(fā)生機理

基于沖擊地壓動、靜載荷源監(jiān)測分析結果，葫蘆素煤礦21103回風巷沖擊地壓發(fā)生機理可描述為：厚硬頂板、寬煤柱等關鍵因素影響下，采空區(qū)側向支承壓力引起臨空寬煤柱靜載荷整體高度集中，在本工作面回采引起的超前支承壓力以及煤柱硐室、聯(lián)巷周邊集中應力的共同作用下，超前區(qū)域煤柱局部區(qū)段的靜載荷水平急劇升高。回采擾動下動靜載荷發(fā)生疊加，達到煤柱沖擊啟動的載荷條件，進而發(fā)生沖擊地壓。

煤層的沖擊傾向性決定了煤柱具備發(fā)生瞬時動力破壞的基本屬性。集中靜載荷水平處于高位的臨空寬煤柱彈性區(qū)為沖擊啟動位置。沖擊能量向周圍傳播過程中，對留巷幫部沖擊作用最為強烈，但由于巷幫支護強度較高，整體性較好，因此只發(fā)生了整體變形。而巷道底板早已發(fā)生塑性破壞，抗沖擊能量差，成為能量釋放的主要通道。頂板為相對堅硬的巖石，且支護完好，基本無破壞。

4 結 論

(1)二次采動影響之前，臨空寬煤柱應力已高度集中，其中6～10m區(qū)間集中水平最高。二次采動作用下，工作面超前58m范圍應力再次升高，應力集中系數(shù)2.20～5.39。煤柱內開掘硐室或聯(lián)巷可導致周圍應力再次升高至1.5～4.2倍。

(2)微震監(jiān)測表明，高能級微震事件全部集中在開掘聯(lián)巷或硐室的臨空煤柱附近，且主要發(fā)生在距離煤層30m范圍內，誘發(fā)沖擊地壓風險概率更大。

(3)采空區(qū)側向支承壓力引起臨空寬煤柱靜載荷整體高度集中，在二次回采擾動引起的超前支承壓力和煤柱硐室周邊集中應力的共同作用下，煤柱局部區(qū)段靜載荷積聚至臨界水平，回采擾動下動靜載荷疊加后，達到煤柱沖擊啟動的載荷條件。