峻德煤礦傾斜煤層開(kāi)采沿空側(cè)巷道誘沖機(jī)理研究

江麗麗，李常浩，楊增強(qiáng)，翟春佳

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260；2.潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046103；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

近些年，隨著煤礦開(kāi)采深度的不斷增加，以及綜采液壓支架在工作面的普遍應(yīng)用，85%的沖擊地壓顯現(xiàn)均發(fā)生于巷道中，尤其是發(fā)生在沿空側(cè)回采巷道的超前段區(qū)域[1-3]。

我國(guó)煤炭資源賦存規(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，傾斜煤層占比為10.16%，急傾斜煤層占比為3.88%[4-6]。雖然傾斜煤層所占比重較小，但礦井?dāng)?shù)量眾多，煤質(zhì)一般較好，具有重要的開(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[7-8]。鑒于此，開(kāi)展針對(duì)傾斜煤層工作面開(kāi)采誘發(fā)沖擊地壓機(jī)理的研究，對(duì)沖擊地壓準(zhǔn)確判識(shí)預(yù)警與防治具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程地質(zhì)概況

鶴崗礦區(qū)內(nèi)的峻德井田褶曲簡(jiǎn)單，煤系地層為走向呈北—北東、向東傾斜的單斜構(gòu)造，煤層傾角為 25°～35°，平均傾角30°。井田內(nèi)三水平北17層三四區(qū)二段工作面傾斜長(zhǎng)度178 m，推進(jìn)長(zhǎng)度1 106 m，煤層傾角為28°～36°，平均傾角32°，屬于中傾斜煤層。該工作面主采17#煤層，其平均厚度9.8 m，采用放頂煤開(kāi)采工藝。工作面回采期間，沿空側(cè)回風(fēng)平巷多次發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)，對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。如回采初期的“11.14”沖擊地壓事故，造成了回風(fēng)平巷超前段嚴(yán)重破壞。

現(xiàn)場(chǎng)采集的煤巖樣沖擊傾向性測(cè)試結(jié)果表明：17#煤層單軸抗壓強(qiáng)度為19.353 MPa，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間為2 077 ms，沖擊能量指數(shù)為2.893，彈性能量指數(shù)為6.417，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 25217.2—2010可以綜合判定17#煤層具有Ⅲ類強(qiáng)沖擊傾向性；頂板復(fù)合彎曲能量指數(shù)為469.39 kJ，可以判定17#煤層頂板具有 Ⅲ類強(qiáng)沖擊傾向性。

2 傾斜煤層覆巖破斷特征

2.1 微震事件定位結(jié)果

通過(guò)礦方安裝的SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該次沖擊地壓事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，定位結(jié)果如圖1所示。

(a)平面圖

(b)剖面圖

由圖1可知，在三四區(qū)二段工作面內(nèi)監(jiān)測(cè)到1個(gè)1.17×104J的大能量微震事件，該事件位于工作面前方20 m、二段回風(fēng)巷下幫40.90 m位置，且距煤層頂板40.43 m、距工作面頂板54.25 m。說(shuō)明在傾斜煤層開(kāi)采期間，工作面上側(cè)堅(jiān)硬頂板較下側(cè)頂板更容易發(fā)生破斷而釋放較大的能量，進(jìn)而形成強(qiáng)烈的動(dòng)載荷。

2.2 覆巖運(yùn)移規(guī)律物理相似模擬

根據(jù)三四區(qū)二段工作面現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，采用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)回采工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行模擬研究，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，沿著工作面走向推進(jìn)方向覆巖“三帶”呈等腰梯形破斷，垮落角α大小與巖層力學(xué)性質(zhì)有關(guān)；沿著工作面傾向方向，由于受煤層傾角θ的影響(θ=30°)，覆巖“三帶”呈現(xiàn)出非對(duì)稱破斷特征，并沿傾向方向形成“空頂區(qū)→部分充填區(qū)→完全充填區(qū)→壓實(shí)區(qū)”的過(guò)渡結(jié)構(gòu)特征[9-10]?？梢?jiàn)，在傾斜煤層回采期間，工作面上部覆巖較下部的運(yùn)移更為劇烈，從而更容易在工作面上部覆巖中形成劇烈的動(dòng)力載荷。

(a)工作面走向

(b)工作面傾向

2.3 覆巖運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬

采用FLAC3D數(shù)值軟件對(duì)三四區(qū)二段工作面進(jìn)行模擬，模型尺寸沿煤層走向長(zhǎng)240 m，傾向長(zhǎng)230 m，模型高度在煤層傾角為0°、15°、30°、45°時(shí)分別對(duì)應(yīng)為80、130、186、235 m。所建立的三維模型采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則作為煤巖體材料屈服判據(jù)，其煤巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

對(duì)于數(shù)值模擬結(jié)果，引入應(yīng)力拱殼判別系數(shù)來(lái)進(jìn)行分析[11]。關(guān)于應(yīng)力拱殼判別系數(shù)，可由下式表示：

(1)

式中：η為應(yīng)力拱殼判別系數(shù)；σ0、σ1分別為煤層開(kāi)采前后同一位置處的應(yīng)力值。

由公式(1)可知，當(dāng)η<0時(shí)，表明煤層開(kāi)采后應(yīng)力降低，屬于應(yīng)力降低區(qū)；當(dāng)η>0時(shí)，表明煤層開(kāi)采后應(yīng)力增高，屬于應(yīng)力增高區(qū)；當(dāng)η=0時(shí)，表明煤層開(kāi)采后應(yīng)力不變，屬于臨界點(diǎn)，即應(yīng)力拱殼的邊界值。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，并基于應(yīng)力拱殼判別系數(shù)，可以得到三四區(qū)二段工作面開(kāi)采后覆巖中應(yīng)力拱殼的演化特征，如圖3所示。

(a)沿走向方向

(b)沿傾向方向

由圖3可知，沿工作面走向推進(jìn)方向，覆巖中應(yīng)力拱殼縱半軸高度隨著工作面的推進(jìn)而不斷增大，當(dāng)工作面推進(jìn)至一定距離后，應(yīng)力拱殼的縱半軸高度趨于穩(wěn)定，此時(shí)形似一等腰梯形狀態(tài)；沿著工作面傾向方向，覆巖中應(yīng)力拱殼形態(tài)受煤層傾角影響而呈非對(duì)稱分布特征，應(yīng)力拱殼縱半軸最大高度位置偏向于回風(fēng)巷一側(cè)，且隨著工作面的推進(jìn)，呈現(xiàn)出的非對(duì)稱特征愈發(fā)明顯。

綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)、物理相似模擬，以及FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的一致性，說(shuō)明傾斜煤層開(kāi)采期間覆巖沿煤層傾向方向呈非對(duì)稱破斷特征，靠近回風(fēng)巷的上側(cè)覆巖高位厚硬關(guān)鍵層更容易發(fā)生破斷，從而產(chǎn)生劇烈的動(dòng)載擾動(dòng)。

3 傾斜煤層煤體內(nèi)應(yīng)力演化特征

3.1 煤層內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律數(shù)值模擬

基于FLAC3D數(shù)值軟件[12]對(duì)三四區(qū)二段工作面回采期間的模擬結(jié)果，可以得到不同煤層傾角下煤層內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律，如圖4和5所示。

(a)θ=45°

(b)θ=30°

(c)θ=15°

(d)θ=0°

(a)θ=45°

(b)θ=30°

(c)θ=15°

(d)θ=0°

由圖4和5可知，隨著煤層傾角從45°向0°遞減，二段回風(fēng)巷煤柱幫內(nèi)應(yīng)力峰值從86.18 MPa向57.53 MPa遞減，而二段回風(fēng)巷實(shí)體煤幫內(nèi)應(yīng)力峰值從43.67 MPa向136.59 MPa 遞增?？梢?jiàn)，隨著煤層傾角的減小，沿空側(cè)回風(fēng)巷煤柱幫內(nèi)應(yīng)力集中程度減小，而實(shí)體煤幫內(nèi)應(yīng)力集中程度增大，說(shuō)明當(dāng)煤層傾角較大時(shí)，煤柱幫內(nèi)存在較高的集中靜載荷，而在煤層傾角較小時(shí)，煤柱幫內(nèi)的應(yīng)力向?qū)嶓w煤幫轉(zhuǎn)移，此時(shí)實(shí)體煤幫內(nèi)存在較高的集中靜載荷。工作面下側(cè)機(jī)巷實(shí)體煤幫應(yīng)力集中程度較低，這說(shuō)明鄰近采空區(qū)的殘余側(cè)向支承應(yīng)力對(duì)下側(cè)機(jī)巷圍巖影響較小，而主要對(duì)沿空側(cè)回風(fēng)巷造成影響。

3.2 回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律理論計(jì)算

針對(duì)沿空側(cè)回風(fēng)巷兩幫煤體內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律，基于Winkler彈性地基假定[13]建立力學(xué)模型，如圖6所示。

圖6 回風(fēng)巷兩幫煤體沿傾向方向力學(xué)模型

由圖6可知，假定支承基本頂?shù)拿褐蛯?shí)體煤符合Winkler彈性地基梁理論，則煤體對(duì)基本頂?shù)拇怪敝С袘?yīng)力滿足下式：

p=-ky

(2)

式中：p為煤體對(duì)基本頂?shù)拇怪敝С袘?yīng)力；k為墊層系數(shù)；y為煤體的垂直變形量。

將基本頂視為半無(wú)限長(zhǎng)梁，取鄰近采空區(qū)邊緣位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，基本頂懸臂末端橫坐標(biāo)為-L，基本頂受到豎直方向載荷q作用在基本頂上的垂直分量載荷qy，梁端面彎矩M0、剪切力Q0及軸向力N作用。參照Timoshenko解，可得基本頂彎曲變形微分方程：

煤柱上方(0≤x

EIy″″+Ny″=qy-ky

(3)

沿空巷道上方(W≤x

EIy″″+Ny″=qy

(4)

實(shí)體煤上方(W+W1≤x<∞)：

EIy″″+Ny″=qy-ky

(5)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和測(cè)試可知，q=γ(h1+h2)為豎向分布載荷，基本頂厚度h1=3.44 m，軟弱加載層厚度h2=1.56 m，體積力γ=25 kN/m3，EI為基本頂抗彎剛度，基本頂彈性模量E=30 GPa，基本頂慣性矩I=3.39 m4，根據(jù)基本頂抗拉強(qiáng)度Rt=3.46 MPa可求得懸臂梁A的最大懸臂長(zhǎng)度L=5.58 m。因而M0=9.77 MN·m，Q0=1.37 MN，N=0.81 MN，N/EI=0.000 007 9 m2，墊層系數(shù)取k=100 MPa。根據(jù)三四區(qū)二段工作面實(shí)際煤柱留設(shè)寬度取W=12 m，巷道寬度取Wt=4 m，求解微分方程可以得到不同傾角條件下基本頂內(nèi)位移變化曲線，如圖7所示。

圖7 基本頂內(nèi)位移變化曲線

根據(jù)公式(2)可知,基本頂位移和煤體對(duì)基本頂?shù)拇怪敝С袘?yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，因此煤層傾角變化導(dǎo)致的位移變化規(guī)律也能很好地反映出煤層中的應(yīng)力變化情況。由圖7可知，隨著煤層傾角減小，回風(fēng)巷煤柱幫內(nèi)應(yīng)力集中程度減小，實(shí)體煤幫內(nèi)應(yīng)力集中程度增大，應(yīng)力集中由煤柱幫內(nèi)向?qū)嶓w煤幫內(nèi)轉(zhuǎn)移，這與前述數(shù)值模擬結(jié)果相一致。

4 傾斜煤層開(kāi)采誘發(fā)沖擊機(jī)理

三四區(qū)二段工作面回采期間沿空側(cè)回風(fēng)巷發(fā)生了多次嚴(yán)重的沖擊地壓事故，而掘進(jìn)期間巷道穩(wěn)定性卻相對(duì)較好，這說(shuō)明掘巷引起的應(yīng)力集中不足以誘發(fā)沖擊地壓。當(dāng)與工作面回采引起的超前支承壓力疊加形成高集中靜載，并受回采引起的頂板破斷等動(dòng)載擾動(dòng)影響，易導(dǎo)致巷道兩側(cè)煤體在動(dòng)靜組合擾動(dòng)影響下而失穩(wěn)發(fā)生沖擊。

根據(jù)沖擊地壓?jiǎn)?dòng)理論[14-15]可知，巷道沖擊地壓的發(fā)生要經(jīng)歷沖擊啟動(dòng)、沖擊能量傳遞和沖擊地壓顯現(xiàn)3個(gè)階段。沖擊啟動(dòng)階段煤體中過(guò)剩的能量Us可表示為：

(6)

式中：σj為巷道圍巖中的高靜載荷；σd為覆巖破斷形成的強(qiáng)動(dòng)載荷；σmin為巷道圍巖失穩(wěn)破壞的最小臨界載荷；E為巷道圍巖的彈性模量。

沖擊啟動(dòng)階段Us沿煤體介質(zhì)向巷道傳遞過(guò)程中所消耗的能量為UΩ1，沖擊顯現(xiàn)時(shí)支護(hù)系統(tǒng)具有的“柔性吸能功能”所消耗的能量為UΩ2，最終剩余能量ΔU以巷道淺部的煤體為載體向巷道自由空間沖出而釋放能量：

ΔU=Us-UΩ1-UΩ2

(7)

由公式(7)可知，巷道沖擊地壓發(fā)生的前提條件是Us>0，沖擊顯現(xiàn)的劇烈程度由ΔU的大小決定。因此，沖擊啟動(dòng)是由巷道兩側(cè)內(nèi)承受高集中靜載的煤體引起的，巷道淺部煤體、底板只是沖擊能釋放的載體，即沖擊地壓顯現(xiàn)位置。

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，且卸壓防沖重點(diǎn)區(qū)域要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際煤層傾角進(jìn)行分析選擇，從而確保降低沖擊地壓發(fā)生的可能性,減小沖擊顯現(xiàn)破壞程度。

5 結(jié)論

1)根據(jù)峻德煤礦“11.14”沖擊地壓微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，并結(jié)合物理相似模擬和數(shù)值模擬，得出傾斜煤層工作面開(kāi)采期間覆巖沿煤層傾向方向呈非對(duì)稱破斷特征，靠近回風(fēng)巷的上側(cè)覆巖高位堅(jiān)硬關(guān)鍵層更容易發(fā)生破斷而形成劇烈的動(dòng)載擾動(dòng)。

2)對(duì)三四區(qū)二段工作面開(kāi)采期間進(jìn)行數(shù)值模擬和理論分析計(jì)算，得出沿空側(cè)巷道兩幫煤體內(nèi)易積聚高集中靜載荷。且隨著煤層傾角遞減，回風(fēng)巷煤柱幫內(nèi)應(yīng)力集中程度減小，實(shí)體煤幫內(nèi)應(yīng)力集中程度增大，應(yīng)力集中由煤柱幫內(nèi)向?qū)嶓w煤幫內(nèi)轉(zhuǎn)移。

3)不同煤層傾角條件下高集中靜載荷在回風(fēng)巷兩幫煤體內(nèi)的積聚程度也不同，其與覆巖關(guān)鍵層破斷形成的劇烈動(dòng)載擾動(dòng)疊加，基于沖擊地壓?jiǎn)?dòng)理論而誘發(fā)沖擊地壓。