傾斜煤層綜放回采工作面沖擊危險(xiǎn)性研究

徐仁桂

(內(nèi)蒙古煤炭科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

我國(guó)煤炭資源的聚集和賦存規(guī)律千差萬(wàn)別，從各類地質(zhì)條件中煤層可采儲(chǔ)量所占比重可知，傾斜煤層所占比重為10.16%，急傾斜煤層所占比重為3.88%[1-4]。可見(jiàn)，雖然傾斜煤層所占比重較小，但礦井?dāng)?shù)量眾多，煤質(zhì)較好，具有重要的經(jīng)濟(jì)開(kāi)采價(jià)值。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在全國(guó)20多處重點(diǎn)礦區(qū)內(nèi)，存在傾斜煤層開(kāi)采條件的礦井?dāng)?shù)量高達(dá)100多個(gè)，約占全國(guó)重點(diǎn)礦井?dāng)?shù)的1/6左右[5，6]。鑒于此，針對(duì)傾斜煤層工作面開(kāi)采誘發(fā)沖擊地壓機(jī)理的研究[7，8]，對(duì)于沖擊地壓準(zhǔn)確判識(shí)預(yù)警與針對(duì)性防治具有重要指導(dǎo)意義。

1 工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

以17#煤層三四區(qū)二段工作面為研究對(duì)象，該工作面推進(jìn)方向長(zhǎng)1106m，傾斜方向長(zhǎng)178m，煤層傾角28°～36°，平均傾角31.9°。采用綜合機(jī)械化放頂煤工藝進(jìn)行回采，采高3m，放頂煤高度8.93m，工作面采深686m。17#煤層及巖層頂板沖擊傾向性測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 17#煤層沖擊傾向性測(cè)定結(jié)果

注：DT為動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間；WET為彈性能指數(shù)；KE為沖擊能指數(shù)；Rc為單軸抗壓強(qiáng)度。

表2 頂板巖層沖擊傾向性測(cè)定結(jié)果

根據(jù)采掘工作面周?chē)刭|(zhì)條件影響沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的因素及指數(shù)，確定沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定的指數(shù)Wt1=0.81；根據(jù)采掘工作面周?chē)拈_(kāi)采技術(shù)因素對(duì)沖擊地壓的影響程度及指數(shù)，確定沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定的指數(shù)Wt2=0.39。三水平北17#煤層三四二段沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)整體定性評(píng)估綜合指數(shù)Wt取最大值為0.81，評(píng)定為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)工作面。

2 “11.14”沖擊地壓事故原因分析

17#煤層三四區(qū)二段工作面回采初期，根據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，于2018年11月14日3時(shí)22分，在三水平北17#煤層三四區(qū)二段工作面接收到一個(gè)1.17×104J的微震事件，位于工作面前方20m、回風(fēng)巷下幫40.9m處，距煤層頂板40.49m，距工作面頂板54.25m，該大能量事件剖面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 11月14日大能量事件剖面圖

“11.14”沖擊地壓事故發(fā)生后，技術(shù)人員立即對(duì)井下進(jìn)行了核實(shí)，情況如下：

1)二段工作面回風(fēng)巷超前段42m范圍內(nèi)碹皮大面積脫落，U型棚下幫側(cè)卡子錯(cuò)口位移0.4m，巷幫最大移進(jìn)量0.5m，U型棚向上幫側(cè)擠壓變形較大，單體中心柱向上幫傾倒位移1m。工作面超前替棚(7架)、木梁受巷幫移進(jìn)擠壓全部折斷，上出口一根單體支柱受沖擊破壞折斷，超前段內(nèi)三處開(kāi)關(guān)位移傾倒。

2)工作面75—85組支架煤壁拋出煤塊至支架前腳處，震動(dòng)發(fā)生后煤壁片幫大塊下滑至運(yùn)輸機(jī)頭阻塞下出口通風(fēng)，二段回風(fēng)巷下幫側(cè)采煤機(jī)截盤(pán)處瓦斯?jié)舛葹?.6%，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葹?.6%，第97組支架四柱安全閥全部卸載損壞。

3)地面值班人員均感到輕微震感。

3 工作面沖擊地壓的微震多參量時(shí)空監(jiān)測(cè)預(yù)警

3.1 時(shí)間上定量描述目前的沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)

根據(jù)17#煤層三四區(qū)二段工作面回采初期微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2018年11月1日—2018年11月21日)，統(tǒng)計(jì)得到在該段時(shí)間內(nèi)日總能量、日平均能量以及日最大能量的變化規(guī)律，如圖2所示，沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)變的能量觸發(fā)條件如圖3所示。由圖2中微震數(shù)據(jù)變化規(guī)律，并結(jié)合圖3中關(guān)于沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)變的能量觸發(fā)條件[9，10]，可對(duì)“11.14”強(qiáng)礦震產(chǎn)生的時(shí)間歷程進(jìn)行分析總結(jié)，具體分析如下：

圖2 “11.14”強(qiáng)礦震前后礦震能量變化規(guī)律

1)11月8日在該工作面接監(jiān)測(cè)到2次103J的微震事件，因此在圖2(a)中可以看到11月8日的日總能量值較高，達(dá)1.69×104J。而11月14日發(fā)生強(qiáng)礦震時(shí)的日總能量值較11月8日要小，為1.30×104J。

培養(yǎng)基：PDA培養(yǎng)基：馬鈴薯200 g、葡萄糖20 g、瓊脂20 g、馬鈴薯去皮，切成塊煮沸30 min，然后紗布過(guò)濾，再加糖及瓊脂，融化后補(bǔ)足水至 1000 mL，121 ℃滅菌30 min，液體培養(yǎng)基不加瓊脂。

2)由圖2 (b)中可以看出11月8日的日平均能量值為3.68×102J，而11月14日的日平均能量值為6.52×102J，較11月8日的日平均能量值幾乎大一倍，而總能量卻較11月8日要小。這說(shuō)明11月8日的微震活動(dòng)較11月14日要頻繁，小能量事件居多(壓制能力RE>RE0，擾動(dòng)強(qiáng)度DIRE0，擾動(dòng)強(qiáng)度DI>DI0，不能定能量E>E0)，誘發(fā)了此次“11.14”強(qiáng)礦震顯現(xiàn)。

3)由圖2(c)中可以看出11月8日的日最大能量為8.90×103J，而11月14日的日最大能量為1.17×104J。11月14日產(chǎn)生的大能量事件更容易誘使煤巖體積累了超過(guò)發(fā)生突發(fā)性災(zāi)害所需要的不穩(wěn)定能量E0，同時(shí)又產(chǎn)生了強(qiáng)度大于DI0的初始啟動(dòng)擾動(dòng)，進(jìn)而瞬間失穩(wěn)破壞并誘發(fā)了此次強(qiáng)礦震。

4)在“11.14”強(qiáng)礦震事件顯現(xiàn)前，在11月12日出現(xiàn)了一次小的礦震能量升高期，日最大能量為2.86×103J，此后緊接著于11月14日在工作面及回風(fēng)巷超前段發(fā)生了強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)事故?？梢?jiàn)在“11.14”強(qiáng)礦震事故發(fā)生前3d，存在礦震能量小幅度“升—降”的波動(dòng)變化過(guò)程。

圖3 沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)變的能量觸發(fā)條件

3.2 空間上精準(zhǔn)識(shí)別沖擊危險(xiǎn)區(qū)域及等級(jí)

傾斜煤層水平投影位置偏差示意圖如圖4所示，由圖4可知，傾斜煤層工作面開(kāi)采期間，當(dāng)其上覆巖層中存在一微震信號(hào)源A時(shí)，其在工作面上的垂直投影位置A1位于工作面的上側(cè)，而其在工作面(水平投影)上的垂直投影位置A2基本位于工作面(水平投影)的中間位置處，兩者水平間距偏差為S。因此，在對(duì)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行空間上精準(zhǔn)識(shí)別時(shí)，要考慮煤層傾角引起的在工作面(水平投影)上垂直投影位置的偏差影響。

圖4 傾斜煤層水平投影位置偏差示意圖

“11.14”強(qiáng)礦震前后微震能量云圖演變規(guī)律如圖5所示，由圖5(a)可知，11月8日能量密度云核心區(qū)已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)，且核心區(qū)顯現(xiàn)位置坐落于工作面上側(cè)；由圖5(b)可知，11月14日能量密度云以核心區(qū)為中心加速擴(kuò)展，并在工作面前方形成了高強(qiáng)度能量密度云。圍巖應(yīng)力和能量在發(fā)生轉(zhuǎn)移和釋放的同時(shí)，裂紋也在不斷擴(kuò)展，最終在能量密度云的邊緣部位產(chǎn)生了1.17×104J的強(qiáng)礦震。大能量事件往往發(fā)生在成核區(qū)的邊緣，而不是成核區(qū)中心?；谑覂?nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果證實(shí)：巖爆、沖擊地壓(或大破裂)發(fā)生于微破裂集結(jié)區(qū)邊緣這一現(xiàn)象是客觀存在的，并非個(gè)別現(xiàn)象，是巖體破壞過(guò)程中固有現(xiàn)象。這是由于眾多微破裂活動(dòng)造成事件集結(jié)區(qū)能量耗散應(yīng)力松弛，出現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致事件集結(jié)區(qū)邊緣形成高應(yīng)力集中，儲(chǔ)存大量可釋放能量，使巖體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。原有和新生微破裂進(jìn)一步擴(kuò)展，事件集結(jié)區(qū)邊緣原有能量平衡系統(tǒng)被打破，從而導(dǎo)致圍巖儲(chǔ)存能量突然釋放。由圖5(c)和(d)可知，此次“11.14”沖擊地壓事故發(fā)生后，后續(xù)工作面回采期間，能量密度云以成核區(qū)繼續(xù)向前擴(kuò)展，在工作面上側(cè)前方煤體中形成了一定范圍的中等強(qiáng)度能量密度云。

圖5 “11.14”強(qiáng)礦震前后微震能量云圖演變規(guī)律

4 傾斜煤層開(kāi)采動(dòng)靜載疊加誘沖分析

4.1 靜載荷作用

由于17#煤層三四區(qū)二段工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間頂煤完整，兩幫無(wú)明顯變形，且未接收到大能量震動(dòng)，而在回采初期，還未開(kāi)采至初次來(lái)壓及一次見(jiàn)方位置時(shí)，就發(fā)生了“11.14”沖擊地壓事故，且沖擊顯現(xiàn)位置主要位于二段回風(fēng)巷超前段(42m范圍)以及工作面上端頭處(75—85組支架處，第97組支架處)，這是由于二段工作面回采期間，受鄰近采空區(qū)側(cè)向殘余支承壓力和本工作面超前支承壓力疊加的影響，易在工作面上端頭L形區(qū)范圍內(nèi)形成較高的集中靜載荷。

通過(guò)對(duì)煤層傾角為30°時(shí)工作面開(kāi)采期間工作面內(nèi)的應(yīng)力演化特征進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠很好地對(duì)工作面內(nèi)超前支承應(yīng)力分布情況及演化特征進(jìn)行分析。采用FLAC3D軟件[11，12]建立三維計(jì)算模型，模型長(zhǎng)×寬×高=450m×200m×180m；模型邊界條件為左右兩側(cè)邊界施加水平約束，底部邊界施加垂直約束；計(jì)算時(shí)模型采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則作為煤巖體材料屈服判據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，并考慮礦山巖體的尺寸效應(yīng)，數(shù)值模型計(jì)算中所用的巖性參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 模型巖性力學(xué)特性參數(shù)

模型計(jì)算步驟為：①計(jì)算原巖應(yīng)力→②開(kāi)采鄰近工作面形成采空區(qū)→③本工作面兩側(cè)巷道掘進(jìn)→④本工作面回采，數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示，從圖6中可以看出，傾斜煤層開(kāi)采情況下，工作面上側(cè)超前段范圍內(nèi)易形成小范圍的高應(yīng)力集中，這為動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊地壓創(chuàng)造了先決條件。

圖6 煤層傾角30°時(shí)工作面回采期間垂向應(yīng)力分布云圖

4.2 動(dòng)、靜載荷疊加作用

當(dāng)工作面后續(xù)回采期間，隨著采空區(qū)低位頂板巖層的垮冒，其上方的高位巖層在工作面推進(jìn)至達(dá)到其懸頂極限破斷步距時(shí)，如初次來(lái)壓、周期來(lái)壓、一次見(jiàn)方、二次見(jiàn)方、三次見(jiàn)方等期間，也會(huì)發(fā)生破斷而形成強(qiáng)烈的遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力擾動(dòng)。遠(yuǎn)、近場(chǎng)應(yīng)力擾動(dòng)與工作面采掘空間周?chē)簬r體中的高應(yīng)力集中疊加，在動(dòng)靜載疊加作用下極有可能誘發(fā)沖擊地壓[13-15]，如圖7所示。

圖7 傾斜煤層條件下動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊示意圖

17#煤層三四區(qū)二段工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間未出現(xiàn)明顯的礦壓動(dòng)力顯現(xiàn)，而回采初期卻發(fā)生了嚴(yán)重的沖擊地壓事故，且破壞位置主要在工作面上端頭超前工作面一定范圍的巷道內(nèi)。說(shuō)明巷道掘進(jìn)期間引起的應(yīng)力集中與相鄰工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力疊加不足以誘發(fā)沖擊地壓，而當(dāng)與二段工作面回采引起的超前應(yīng)力疊加時(shí)形成了高集中的靜載荷，并受回采引起的頂板運(yùn)動(dòng)、斷層滑移等動(dòng)載荷擾動(dòng)影響，導(dǎo)致了“11.14”沖擊地壓事故的發(fā)生。因此，該傾斜煤層工作面后續(xù)回采階段，要做好工作面回風(fēng)巷超前段的卸壓防沖工作，進(jìn)而對(duì)沖擊地壓的防治起到預(yù)警的效果。

5 結(jié) 論

1)峻德礦多煤層開(kāi)采期間均有沖擊地壓顯現(xiàn)的發(fā)生，且以17#煤層沖擊發(fā)生次數(shù)最多。因此三水平北17#煤層三四區(qū)二段工作面綜合評(píng)價(jià)為具有嚴(yán)重沖擊危險(xiǎn)的工作面。

2)以“11.14”沖擊地壓事故為例，結(jié)合微震監(jiān)測(cè)結(jié)果從時(shí)間上和空間上對(duì)目前的沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行了分析研究，得知工作面回風(fēng)巷超前段為沖擊顯現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域。

3)通過(guò)數(shù)值模擬和理論分析的研究方法驗(yàn)證了工作面回風(fēng)巷超前段因應(yīng)力疊加容易形成高集中靜載荷，在回采引起的動(dòng)載擾動(dòng)作用下，最終發(fā)生了沖擊地壓事故。