深部雙煤柱巷道沖擊地壓發(fā)生機制

張振金，杜濤濤

（1.內蒙古伊泰集團有限公司，內蒙古 鄂爾多斯017000；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京100013；3.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京100013）

我國沖擊地壓發(fā)生類型、發(fā)生條件復雜多變，沖擊地壓礦井數量達到歷史新高，沖擊地壓研究[1-9]也取得了大量成果。隨著開采深度的增加，我國沖擊地壓礦井逐步進入深部開采，但深部礦井沖擊地壓研究主要集中在深部大采高工作面支承壓力[10]、區(qū)段煤柱留設[11]、開采技術等方面研究，沖擊地壓防治研究比較少，針對深部厚煤層大采高工作面沖擊地壓的典型條件，具有一定的研究意義。

紅慶河煤礦開采深度大，普遍超過700 m，煤層厚度大，開采強度高，尤其是煤層上方大都存在1 層或多層厚度達數十米的厚層完整巖層。開采過程中高位厚層堅硬頂板懸頂面積大，容易造成局部應力集中，其突然斷裂更是瞬間釋放強烈動載，極易造成災害性沖擊地壓事故，甚至波及地表，引起地表強烈震動，危害極大。同時，區(qū)段寬煤柱對采空區(qū)起到了支承作用，進一步影響了頂板的充分垮落，導致沖擊地壓發(fā)生頻次更高、強度更大，給礦井生產帶來了嚴重的沖擊致災隱患，為此，針對這種情況開展研究。

1 工程背景

1.1 工作面概況

紅慶河井田位于東勝煤田的南緣東部，其構造形態(tài)與區(qū)域含煤地層構造形態(tài)一致，總體為一向西傾斜的單斜構造，傾角一般1°～3°，煤層平均厚度6.53 m，采用綜合機械化采煤工藝。

紅慶河煤礦3-1103 綜采工作面位于紅慶河井田3-1煤南翼，走向長度2 479 m，傾向長度為210 m。3-1103 工作面一側為3-1101 采空區(qū)一側為實體煤，兩工作面之間區(qū)段煤柱為64 m，3-1103 輔運1 位于煤柱中，工作面相對位置關系如圖1。

圖1 3-1103 工作面布置示意圖Fig.1 3-1103 working face layout

紅慶河煤礦3-1煤屬于Ⅲ類，為具有強沖擊傾向性的煤層。頂板巖層屬于Ⅱ類，為弱沖擊傾向性的頂板巖層，底板巖層屬于Ⅱ類，為弱沖擊傾向性的底板巖層。地形呈西北高、東南低的斜坡狀，最高點位于蘭家圪卜四隊東北處，海拔標高為1 516.8 m；最低點位于勘探區(qū)東南部邊緣喇嘛廟河東渠內，海拔標高為1 298.9 m，煤層平均埋深700 m 以上。

1.2 沖擊地壓顯現特征

2018 年11 月30 日，工作面機尾至超前工作面345.3 m 的3-1103 新輔運巷發(fā)生不同程度的顯現，7#～13#號垛架兩側均有輕微底鼓現象，底鼓量在100～300 mm，14#垛架靠回采側底鼓嚴重；超前工作面102～343.3 m 巷道中間偏回采幫底板鼓起，鼓起高度在0.3～3 m。沖擊顯現發(fā)生時，伴隨著能量為4.5×106J 震動，沖擊顯現發(fā)生位置如圖2。綜上，紅慶河煤礦沖擊地壓顯現具有以下特征：1）沖擊顯現強烈。沖擊發(fā)生時，伴隨強烈聲響，有時震感強烈，現場有強烈氣流，造成的破壞更嚴重。

圖2 沖擊顯現發(fā)生位置Fig.2 Location of occurrence of rock burst

2）沖擊破壞范圍大。礦井沖擊顯現破壞最大范圍達300 m，較常見沖擊地壓礦井破壞范圍更大。

3）發(fā)生在鄰空巷道。礦井沖擊顯現位置、震動頻繁發(fā)生的區(qū)域主要集中在鄰空巷道，具有典型的沖擊危險位置特征。

2 深部雙煤柱巷道沖擊地壓發(fā)生機制

2.1 沖擊地壓發(fā)生的靜載荷演化過程

2.1.1 基礎靜載荷

研究表明[1]，影響沖擊地壓發(fā)生的因素包括地質因素和開采技術因素，重點分析其特殊條件。

根據一采區(qū)鉆孔鉆孔資料，埋深為675～749 m，平均埋深為712 m。垂直應力計算公式為：

式中：σv為最大水平應力，MPa；ρ 為上覆巖層密度，取2.5 t/m3；H 為埋深，m。

計算煤層的垂直應力為17.8 MPa。

根據實測擬合曲線，礦井最大水平主應力與埋深的關系為：

式中：σH為最大水平應力，MPa；H 為埋深，m。

經計算最大水平應力為21.1 MPa。

綜上，紅慶河煤層埋深大，具有較高的靜載荷基礎水平，沖擊地壓發(fā)生的應力條件更易滿足。

2.1.2 演化過程

采取深淺2 個鉆孔應力計進行監(jiān)測，研究工作面應力演化規(guī)律，布置深度分別為7、14 m。典型煤體應力演化曲線如圖3。

圖3 典型煤體應力演化曲線Fig.3 Stress evolution curves of typical coal body

通過監(jiān)測表明，3-1103 工作面監(jiān)測表明超前影響范圍55.5～407.3 m，峰值位置超前工作面19.9～184.6 m，應力集中系數1.1～4.52，受采動與側向采空區(qū)影響和疊加作用，影響范圍廣，應力集中程度高。

2.1.3 雙寬煤柱留設的影響

3-1101 工作面與3-1103 工作面之間布置有2 個30 m 寬的煤柱，3-1103 工作面區(qū)段煤柱留設情況如圖4。煤柱對沖擊地壓的影響主要體現煤柱形成的高應力集中及煤柱形成的空間結構失穩(wěn)影響。

圖4 3-1103 工作面區(qū)段煤柱留設情況Fig.4 3-1103 working face section coal pillar reservation

根據3-1103 工作面實際尺寸和煤巖材料參數建立了數值模型，雙煤柱應力演化曲線如圖5。由圖5可知，3-1103 工作面?zhèn)认蛎褐鶇^(qū)煤層的垂直受力演化規(guī)律具有顯著差異性。

圖5 雙煤柱應力演化曲線Fig.5 Stress evolution curves of double coal pillar

隨著3-1103 工作面開挖步數增加，外側煤柱垂直應力先后呈現出“內高外底-內外同高-內低外高”的演化規(guī)律，并最終維持在30～45 MPa。

內側煤柱則呈現為不斷增高的趨勢，最終穩(wěn)定值約為24～30 MPa；新輔運內側實體煤在原巷道側向支承壓力的基礎上疊加了采空區(qū)側向支承壓力，最終穩(wěn)定峰值應力約為23 MPa。

綜上分析可知，深部雙煤柱引起3-1103 新輔運靜載荷的組成包括基礎載荷ρgH、采動應力（1.1～4.5）ρgH 及煤柱的側向應力（1.4～1.8）ρgH，疊加后的靜載荷達到垂直應力的1.4～4.5 倍，靜載荷達到24.9～80.1 MPa，煤體的單軸抗壓強度為29.56 MPa，超過煤體破壞強度，接近或超過煤體發(fā)生沖擊地壓的臨界載荷。

2.2 沖擊地壓發(fā)生的動載荷演化過程

2.2.1 厚層頂板巖層結構

通過對一采區(qū)的鉆孔進行分析，煤層上方賦存厚度較大的復合砂巖層，由砂粒膠結而成，結構穩(wěn)定。工作面回采過程，煤層上方數十米厚的復合砂巖層不會及時垮落充填采空區(qū)，對上方巖層起到支撐作用。頂板不能及時垮落，但頂板會發(fā)生彎曲變形，這個過程中巖體中儲存了大量的彈性能，彈性能一旦釋放，容易造成工作面沖擊。18-13 鉆孔頂板巖層分布見表1。

2.2.2 鄰近采空區(qū)巖層滯后破斷

3-1101 采空區(qū)不充分垮冒下沉曲線如圖6?，F場實測表明，相鄰采空區(qū)3-1101 未實現充分垮冒。

實踐表明，3-1103 工作面沖擊地壓危險受鄰近采空區(qū)的空間結構影響顯著，不僅引起煤體應力高應力集中，而且由于巖層不充分垮冒，滯后垮冒過程，巖層空間結構失穩(wěn)-再次平衡過程將以動載形式作用到煤體，加劇煤體應力集中，沖擊危險性升高。

表1 18-13 鉆孔頂板巖層分布Table 1 Distribution of roof strata in borehole 18-13

圖6 3-1101 采空區(qū)不充分垮冒下沉曲線Fig.6 3-1101 goaf insufficient caving subsidence curve

能級＞104J 微震事件分布統(tǒng)計如圖7。微震監(jiān)測表明，3-1101 采空區(qū)尚未充分垮冒，采動影響擾動下，誘發(fā)采空區(qū)及煤柱區(qū)域大量微震事件產生，大能量事件占比大，進一步揭示圍巖破斷不充分，存在滯后性。

圖7 能級＞104 J 微震事件分布統(tǒng)計Fig.7 Distribution statistics of micro-seismic events（＞104 J）

2.2.3 覆巖活動不均衡影響

紅慶河煤礦沖擊地壓發(fā)生所需的動載，主要是圍巖活動過程產生，通過微震監(jiān)測揭示動載產生的區(qū)域發(fā)生規(guī)律。傾向區(qū)域劃分如圖8。沿傾向將3-1101和3-1103 工作面進行分區(qū)，3-1101 采空區(qū)劃分了區(qū)域I和區(qū)域II，每個區(qū)域范圍60 m；區(qū)域III 為煤柱區(qū)域，區(qū)域IV～區(qū)域VII 按60 m 間距把3-1103 進行分區(qū)。

圖8 傾向區(qū)域劃分Fig.8 Regional division of tendency

傾向分區(qū)圍巖活動變化曲線如圖9。沿傾向分區(qū)，微震事件統(tǒng)計表明，3-1103 工作面回采期間圍巖活動主要集中在煤柱區(qū)域（區(qū)域III）和新輔運回采側60 m 范圍（區(qū)域IV），揭示了圍巖活動受臨空影響在傾向方向具有顯著的分區(qū)特征。

圖9 傾向分區(qū)圍巖活動變化曲線Fig.9 Activity curves of surrounding rock in tendency zone

2.3 深部雙煤柱巷道沖擊地壓發(fā)生機制

根據上述分析，3-1103 新輔運巷道煤巖體形成了高應力集中，接近沖擊地壓發(fā)生的臨界應力條件，隨著工作面推進，巖層厚度劇烈變化的區(qū)域，巖層滯后破斷，巖層則發(fā)生彎曲下沉，使煤體應力集中達到沖擊地壓發(fā)生的臨界應力條件，則沖擊地壓發(fā)生，或者滯后破斷的巖層結構突然破斷，以強動載的形式作用至煤巖體，誘發(fā)沖擊地壓顯現。沖擊地壓發(fā)生機制示意圖如圖10。

圖10 沖擊地壓發(fā)生機制示意圖Fig.10 Schematic diagram of mechanism of rock burst

而根據覆巖活動不均衡性，以及巖層滯后垮冒觀測、微震監(jiān)測等綜合表明，3-1101 采空區(qū)上覆的巖層滯后破斷，破斷過程產生大量的高能微震事件在區(qū)域II，該過程則揭示了3-1101 采空區(qū)滯后破斷的巖層的失穩(wěn)，但距離3-1103 新輔運距離較遠，能量衰減快，未造成3-1103 新輔運發(fā)生沖擊地壓顯現，但隨著煤柱上方的三角結構向煤柱內部破壞失穩(wěn)，釋放彎曲下沉過程積聚的彈性能，引起煤柱的煤體應力升高，巖層的應力向深部轉移，由于破壞產生的位置距離3-1103 工作面更近，能量釋放對3-1103 工作面影響明顯增強，造成現場強烈顯現的高能量事件離新輔運巷更近，從而誘發(fā)具有高應力集中的煤巖體失穩(wěn)，引起沖擊地壓顯現發(fā)生。

沖擊地壓發(fā)生前煤體應力演化過程如圖11。動載誘發(fā)煤體應力突然升高過程如圖12。

圖11 沖擊地壓發(fā)生前煤體應力演化過程Fig.11 Stress evolution process of coal before rock burst

圖12 動載誘發(fā)煤體應力突然升高過程Fig.12 Sudden increase process of coal stress induced by dynamic load

2018 年11 月30 日沖擊地壓發(fā)生前約1 個月，煤體應力不斷升高，至沖擊地壓顯現發(fā)生時，最大應力集中程度達到近5 倍，表明煤巖體應力集中程度接近沖擊地壓發(fā)生的臨界應力。

通過微震及煤體應力監(jiān)測表明，2018 年11 月30 日沖擊地壓發(fā)生是由于煤體頂板突然失穩(wěn)破斷釋放的高能量作用下煤巖體應力突然升高超過發(fā)生沖擊地壓臨界應力，引發(fā)的沖擊顯現的過程。

3 結 論

1）紅慶河煤礦沖擊地壓發(fā)生具有沖擊顯現強烈、沖擊破壞范圍大、發(fā)生在臨空巷道、沖擊致災因素復雜。

2）分析了影響靜載荷的埋深、雙寬煤柱留設和采動影響，以及影響動載的厚層頂板巖層結構和垮冒不充分的相鄰采空區(qū)。

3）深部雙煤柱的基礎載荷、采動應力及煤柱的側向應力，疊加后的靜載荷達到垂直應力的1.4～4.5倍，靜載荷達到24.9～80.1 MPa，接近或超過煤體發(fā)生沖擊地壓的臨界載荷。

4）煤柱上方的三角結構向煤柱深部破壞失穩(wěn)，釋放彎曲下沉過程積聚的彈性能，引起煤柱的煤體應力升高，巖層的應力向深部轉移，破壞位置距離3-1103 工作面越來越近，從而誘發(fā)具有高應力集中的煤巖體失穩(wěn)，引起沖擊地壓顯現發(fā)生。