高應(yīng)力煤柱多關(guān)鍵層斷裂誘沖機(jī)理及防治

夏方遷，曲效成，魏全德，王顏亮，孔 賀

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京100083；3.北京安科興業(yè)礦山安全技術(shù)研究院有限公司，北京102299）

回采工作面與采空區(qū)之間留設(shè)大煤柱，能夠避免生產(chǎn)過程中氧氣進(jìn)入采空區(qū)誘發(fā)火災(zāi)或瓦斯溢出采空區(qū)，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保證煤柱具有彈性核區(qū)，具有一定的承載能力[1]，成為巷道支護(hù)的一種重要解決方案。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)大煤柱的應(yīng)力分布規(guī)律[2-3]、煤柱穩(wěn)定性[4]、煤柱合理尺寸的確定[5]等進(jìn)行了大量的研究，并提出了一些列煤柱穩(wěn)定性控制措施。由于大煤柱留設(shè)不可避免的會(huì)在煤柱上形成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中程度較高、受到震動(dòng)或開采擾動(dòng)影響時(shí)易造成煤柱的失穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)誘發(fā)沖擊地壓，亭南煤礦、余吾煤業(yè)等多個(gè)礦井都曾發(fā)生過大煤柱礦壓顯現(xiàn)問題。在該型類沖擊地壓研究方面，竇林明等提出了動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的原理[6-7]，潘俊峰等建立了采空區(qū)頂板斷裂誘發(fā)時(shí)滯性沖擊啟動(dòng)力學(xué)模型[8]，姜福興等對(duì)震動(dòng)誘發(fā)型沖擊地壓的預(yù)警機(jī)制和應(yīng)用進(jìn)行了研究[9-10]。在沖擊地壓防治研究方面，齊慶新提出了以應(yīng)力控制為中心以單位應(yīng)力梯度為表征的的沖擊地壓控制理論，將超前深孔頂板預(yù)裂爆破應(yīng)用于防沖實(shí)踐中[11-12]。劉金海對(duì)采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了強(qiáng)排粉防治沖擊地壓的機(jī)制，并提出了防沖鉆孔間距的計(jì)算方法[13]。姜福興等總結(jié)大量沖擊地壓的防沖經(jīng)驗(yàn)，提出了“強(qiáng)卸壓、強(qiáng)監(jiān)測(cè)、強(qiáng)支護(hù)”的三強(qiáng)防沖技術(shù)[14-15]。潘一山等提出了提高支護(hù)剛度和快速吸能讓位支護(hù)的沖擊地壓巷道支護(hù)思路，并研發(fā)了一種新型防沖吸能巷道液壓支架[16-17]。盡管國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究，但多關(guān)鍵層控制條件下大煤柱沖擊地壓發(fā)生機(jī)理及防控方法，尚無(wú)系統(tǒng)的研究成果可應(yīng)用。

1 工程概況

某礦31102 工作面開采煤層為3-1 煤層，平均厚度5.5 m，為近水平煤層，平均采深約563 m，工作面傾斜長(zhǎng)度247 m，走向長(zhǎng)度約3 000 m，北側(cè)為31101 工作面采空區(qū)，區(qū)段保護(hù)煤柱20 m，南側(cè)為未開采實(shí)體煤區(qū)域，西側(cè)為盤區(qū)運(yùn)輸大巷，工作面位置示意圖如圖1。

圖1 工作面位置示意圖Fig.1 Working face position diagram

依據(jù)副立井檢查孔資料，煤層頂板覆巖以砂巖為主，巖層的完整性較好，存在多層厚硬砂巖層，這些巖層隨著覆巖破壞的向上發(fā)展逐漸成為控制覆巖運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵層，根據(jù)關(guān)鍵層相關(guān)理論[18-20]，確定的31102 工作面覆巖關(guān)鍵層分布見表1。從表1 中可以看出，這些巖層分布在煤層頂板上方11.1～475.2 m范圍內(nèi)，巖層厚度大部分超過30 m，其中主關(guān)鍵層厚度可達(dá)123.76 m。

表1 煤層頂板厚硬巖層分布Table 1 Key stratum distribution

工作面開采過程中多次出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為動(dòng)力性冒頂、片幫、單體支柱沖斷、單元支架壓彎等現(xiàn)象。沖擊主要發(fā)生在回風(fēng)巷煤柱側(cè)，沖擊時(shí)往往伴隨大能量震動(dòng)事件。

2 沖擊機(jī)理

2.1 煤柱應(yīng)力

采用FLAC3D對(duì)31101 工作面區(qū)段煤柱應(yīng)力分布進(jìn)行了數(shù)值模擬?；诠ぷ髅娴刭|(zhì)及開采條件建立了數(shù)值計(jì)算模型，沿x 軸（回采方向）、y 軸（煤層傾向）、z 軸（垂直方向）尺寸分別為64、360、62 m，模型共574 560 個(gè)單元、536 315 個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型上部為應(yīng)力邊界，初始設(shè)置為13.5 MPa（模擬上覆巖層自重），模型下部固定x、y 位移，模型左、右分別固定x位移，模型前、后分別固定y 位移，三維模型如圖2。

圖2 三維模型網(wǎng)格圖Fig.2 Mesh generation of three-dimensional model

采用庫(kù)倫-摩爾本構(gòu)模型，得到的模型平衡后的彈塑性區(qū)分布如圖3。

圖3 煤柱彈塑性區(qū)分布Fig.3 Distribution of elastoplastic zone of coal pillar

從圖3 可以看出，31101 工作面開采后頂?shù)装寰霈F(xiàn)塑性破壞，且塑性區(qū)向?qū)嶓w煤側(cè)擴(kuò)展，表現(xiàn)為實(shí)體煤側(cè)頂板出現(xiàn)裂隙。煤柱靠近采空區(qū)一側(cè)塑性區(qū)范圍約4.7 m，靠近回風(fēng)巷一側(cè)塑性區(qū)范圍約3.5 m，煤柱內(nèi)仍有寬度11.8 m 的彈性核區(qū)支撐頂板，但由于煤柱兩側(cè)塑性破壞，造成煤體應(yīng)力向煤柱中間轉(zhuǎn)移形成應(yīng)力集中。

煤柱的垂向應(yīng)力分布云圖和曲線如圖4、圖5。

圖4 煤體應(yīng)力分布云圖Fig.4 Nephogram of coal stress distribution

圖5 側(cè)向支承壓力分布圖Fig.5 Distribution of lateral abutment pressure

從圖4、圖5 中可以看出，31101 工作面開采及31102 回風(fēng)巷掘進(jìn)后，在采掘空間頂?shù)装逍纬擅黠@的應(yīng)力降低區(qū)，而在煤柱及31102 工作面實(shí)體煤側(cè)形成應(yīng)力升高區(qū)。應(yīng)力峰值出現(xiàn)在煤柱距離采空區(qū)7.5 m位置處，最大應(yīng)力值為42.6 MPa，按照采深563 m 計(jì)算，垂直方向原巖應(yīng)力估算為14.08 MPa，煤柱應(yīng)力集中系數(shù)K=3.02。由此可見，煤柱應(yīng)力集中程度較高，集聚了較高的彈性變形能，存在較高的靜應(yīng)力。

2.2 關(guān)鍵層斷裂引起煤柱附加動(dòng)應(yīng)力

隨著開采尺寸的增加，工作面上覆巖層的斷裂由下而上發(fā)展，覆巖破裂高度不斷增大，直至充分采動(dòng)，而在工作面推進(jìn)方向，各關(guān)鍵層也以不同的步距依次斷裂，可通過現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證。31102 工作面推進(jìn)至“雙見方”期間監(jiān)測(cè)到的頂板微震事件分布圖如圖6。

圖6 微震監(jiān)測(cè)的巖層斷裂位置分布Fig.6 Distribution of rock fracture monitored by microseism

由圖6 可知：在頂板上方至350 m 范圍內(nèi)有大量的震動(dòng)事件產(chǎn)生，事件的能量主要集中在103～105J，且在關(guān)鍵層位置大能量事件分布較多。這些震動(dòng)以應(yīng)力波形式不斷作用于煤柱上，造成煤柱損傷，當(dāng)震動(dòng)事件能量較大、距離煤柱較近時(shí)，鍵層斷裂產(chǎn)生的應(yīng)力波非常復(fù)雜，通過理論分析計(jì)算得到震動(dòng)傳遞到巷道表面差生的附加應(yīng)力及其困難，可通過儀器監(jiān)測(cè)巷道表面的質(zhì)點(diǎn)振速來進(jìn)行計(jì)算：動(dòng)形成的動(dòng)應(yīng)力與煤柱靜應(yīng)力疊加超過煤柱沖擊的臨界應(yīng)力σb時(shí)，將發(fā)生煤柱沖擊，即σd＋σj＞σb，關(guān)鍵層斷裂誘發(fā)沖擊力學(xué)模型如圖7。

式中：σnd、σsd分別為震動(dòng)動(dòng)載施加給煤體的法向和切向應(yīng)力降，MPa；ρ 為煤體密度，t/m3；vp、vs分別為P 波、S 波的傳播速度；（vpp）n、（vpp）s分別為煤體質(zhì)點(diǎn)的法向和切向峰值振動(dòng)速度，（vpp）n和（vpp）s與震動(dòng)能量正相關(guān)，m/s。

2.3 煤柱沖擊機(jī)理

煤柱在側(cè)向支承壓力和采動(dòng)影響下會(huì)產(chǎn)生較高的靜應(yīng)力σj，在多關(guān)鍵層斷裂時(shí)，又會(huì)受到附加的動(dòng)應(yīng)力σd影響，煤柱初期仍有一定的彈性核區(qū)支撐頂板，但隨著工作面推進(jìn)和動(dòng)應(yīng)力頻繁作用不斷損傷破壞，承載能力不斷降低。當(dāng)厚硬關(guān)鍵巖層斷裂擾

圖7 關(guān)鍵層斷裂誘發(fā)沖擊力學(xué)模型Fig.7 Mechanics model of fracture-induced impact

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

3.1 監(jiān)測(cè)方法

采用KJ550 煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和KJ551 煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別對(duì)工作面開采期間的煤體應(yīng)力變化和覆巖斷裂進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置如圖8。

圖8 測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.8 Schematic layout of measuring points

其中，工作面2 條巷道各布置4 個(gè)拾震傳感器，間距為200～300 m；巷道正幫間隔25 m 布置1 組應(yīng)力測(cè)點(diǎn)、測(cè)點(diǎn)深度分別為8、14 m，區(qū)段煤柱上間隔50 m 布置1 個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)、測(cè)點(diǎn)深度為10 m。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

選取了2017-08-01—2017-12-30 期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，期間共監(jiān)測(cè)到微震事件4 532 個(gè)，工作面內(nèi)出現(xiàn)3 次明顯的礦壓顯現(xiàn)，礦壓顯現(xiàn)情況見表2。由表2 可以看出，31102 工作面礦壓顯現(xiàn)主要發(fā)生在回風(fēng)巷煤柱側(cè)，在超前支承壓力影響范圍內(nèi)的聯(lián)絡(luò)巷口附近。

對(duì)3 次礦壓顯現(xiàn)發(fā)生前后應(yīng)力變化情況、微震事件層位及能量等進(jìn)行分析，應(yīng)力及微震監(jiān)測(cè)結(jié)果見表3。

表2 礦壓顯現(xiàn)描述Table 2 Description of the strata behaviors

表3 應(yīng)力及微震監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 3 Stress and MS monitoring results

從表3 中可以看出，礦壓顯現(xiàn)發(fā)生前，煤體應(yīng)力持續(xù)升高，個(gè)別測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)黃色或紅色預(yù)警狀態(tài)，應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明煤柱處于高應(yīng)力狀態(tài)，礦壓顯現(xiàn)發(fā)生時(shí)都監(jiān)測(cè)到了大能量震動(dòng)事件，震動(dòng)事件的能量均大于104J，通過定位分析，事件都發(fā)生在煤層頂板79～131 m 范圍內(nèi)，即第2～第4 關(guān)鍵層位置，可以判斷事件是由于關(guān)鍵層斷裂引起，關(guān)鍵層斷裂引起的動(dòng)應(yīng)力作用于高應(yīng)力煤柱上造成了造成了礦壓顯現(xiàn)。

以2017-08-19 的礦壓顯現(xiàn)為例，事故發(fā)生位置圖如圖9，事故發(fā)生于ZF36 聯(lián)絡(luò)巷附近，在同側(cè)的煤柱上安裝有21#、23#煤體應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，在回風(fēng)巷正幫安裝有3#～8#煤體應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。礦壓事故發(fā)生前后煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線如圖10。

圖9 2017-08-19 礦壓顯現(xiàn)位置示意圖Fig.9 Position of strata behavior

從圖10 可以看出，礦壓顯現(xiàn)前，煤柱上的應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)21#、23#應(yīng)力值持續(xù)上升，其中里事故點(diǎn)最近的21#測(cè)點(diǎn)壓力值達(dá)到12.3 MPa,出現(xiàn)紅色預(yù)警，實(shí)體煤一側(cè)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線相對(duì)平緩。之后在距離煤層頂板79 m 的第三關(guān)鍵層發(fā)生巖層斷裂，誘發(fā)了此次沖擊地壓事故，事故發(fā)生后，21#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值出現(xiàn)突降，說明測(cè)點(diǎn)深度處煤體已經(jīng)出現(xiàn)塑性破壞，失去承載力，而煤柱側(cè)距離事故點(diǎn)較遠(yuǎn)的23#測(cè)點(diǎn)及實(shí)體煤一側(cè)的3#～8#測(cè)點(diǎn)煤體應(yīng)力值均有不同幅度的增長(zhǎng)，說明沖擊后支承壓力向遠(yuǎn)處煤柱及實(shí)體煤一側(cè)轉(zhuǎn)移。

圖10 煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)圖Fig.10 Chart of coal stress

3.3 開采強(qiáng)度對(duì)沖擊地壓的影響

沖擊地壓事故與工作面推進(jìn)速度和微震能量水平之間的關(guān)系如圖11。從圖11 可以看出，工作面進(jìn)尺與當(dāng)日微震事件能量和呈正相關(guān)趨勢(shì)，日進(jìn)尺越大當(dāng)日的微震能量和越大，即工作面開采強(qiáng)度越大圍巖破壞釋放的能量越大。3 次沖擊地壓事故發(fā)生前的日進(jìn)尺都在8.5 刀（6.8 m）以上，相應(yīng)的日微震總能量也都在40 kJ 以上，3 起沖擊地壓事故均發(fā)生在開采強(qiáng)度突增或突降的時(shí)間，即高強(qiáng)度開采水平下不平穩(wěn)的開采速度易誘發(fā)沖擊地壓。

圖11 沖擊事故與工作面推進(jìn)度關(guān)系Fig.11 Relationship between impact accident and progress of working face

4 防治措施

1）大直徑鉆孔預(yù)卸壓.針對(duì)31102 工作面回采期間的礦壓顯現(xiàn)情況，于31102 回風(fēng)巷進(jìn)行大直徑預(yù)卸壓工作。大直徑卸壓工作超前回采工作面200～300 m。其中，高度危險(xiǎn)區(qū)卸壓孔間距為1 m；中度危險(xiǎn)區(qū)卸壓孔施工間距為2 m?；仫L(fēng)巷煤柱側(cè)鉆孔深度為10 m，孔徑為150 mm，回風(fēng)巷正幫卸壓孔深度為20 m，孔經(jīng)為150 mm。

2）斜交鉆孔大直徑二次卸壓解危。結(jié)合煤層應(yīng)力監(jiān)測(cè)及鉆屑檢驗(yàn)方法確臨場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)范圍，解危時(shí)采用二次大直徑鉆孔卸壓，將卸壓孔與煤壁水平交角20°～30°之間的布置方式，間距1 m 1 個(gè)，在原卸壓孔之間施工，垂直深度不小于10 m，斜交鉆孔二次卸壓示意圖如圖12。

圖12 斜交鉆孔二次卸壓示意圖Fig.12 Schematic diagram of the secondary pressure relief

通過采用“大直徑鉆孔預(yù)卸壓＋斜交鉆孔二次臨場(chǎng)解危卸壓”的措施，降低了應(yīng)力集中程度和增速，將靜應(yīng)力控制在“較安全”的水平。測(cè)點(diǎn)53 出現(xiàn)預(yù)警并進(jìn)行二次卸壓過程的應(yīng)力曲線如圖13。雖然對(duì)煤柱提前采區(qū)了預(yù)卸壓處理，但隨著開采，53 測(cè)點(diǎn)附近煤柱應(yīng)力仍增長(zhǎng)明顯，并出現(xiàn)黃色、紅色預(yù)警，煤炮頻發(fā)，2017-12-09—12-14 開始對(duì)測(cè)點(diǎn)前后50 m 區(qū)域進(jìn)行二次卸壓處理，卸壓后應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩，在部分二次卸壓孔塌孔后，應(yīng)力明顯下降，證明了卸壓方案的有效性。

3）控制開采速度。盡量保證工作面低速均勻推進(jìn)，客觀原因?qū)е鹿ぷ髅嫱２珊螅瑧?yīng)以較低的初始速度開始推進(jìn)，并保持該初始速度2～3 d，根據(jù)應(yīng)力-微震監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整推進(jìn)速度。若微震能量釋放平穩(wěn)、無(wú)應(yīng)力預(yù)警情況，可適當(dāng)增大推進(jìn)速度；若出現(xiàn)應(yīng)力預(yù)警現(xiàn)象，則需先對(duì)預(yù)警區(qū)域進(jìn)行處理。

5 結(jié) 論

1）31101 工作面煤層上方存在多層厚硬砂巖，成為控制覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵層及亞關(guān)鍵層。

2）區(qū)段煤柱受31101 工作面采空區(qū)側(cè)向支撐壓力影響，煤柱應(yīng)力較高，應(yīng)力集中系數(shù)為3.02。

圖13 卸壓前后應(yīng)力變化曲線Fig.13 Stress variation curve before and after pressure relief

3）工作面護(hù)巷煤柱受采動(dòng)影響具有較高的靜應(yīng)力集中，同時(shí)工作面覆巖存在多關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，隨著開采進(jìn)行，當(dāng)關(guān)鍵層斷裂產(chǎn)生的附加動(dòng)應(yīng)力與高靜應(yīng)力疊加之和大于煤柱強(qiáng)度時(shí)，煤柱將會(huì)發(fā)生沖擊，現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)力和微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)證明了這一機(jī)理。

4）工作面采用“大直徑鉆孔預(yù)卸壓+二次斜交鉆孔臨場(chǎng)解危卸壓”的卸壓措施，同時(shí)控制開采速度，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明該措施有效可靠。