地質(zhì)條件對主采煤層沖擊地壓的影響研究

劉 威

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030206)

0 引言

沖擊地壓是煤巖層中積聚的彈性變形能在一定條件下突發(fā)猛烈釋放，致使煤巖層爆射的現(xiàn)象。近些年隨著我國淺部煤炭資源的枯竭，煤礦開采深度逐年加深，沖擊地壓災(zāi)害頻發(fā)，是深部井工礦山面臨的最具有威脅的安全隱患之一[1]。因此，對煤巖層沖擊地壓有效的評價是采取針對性防沖措施的重要環(huán)節(jié)，但影響各礦井沖擊地壓危險性的因素具有差異性。傳統(tǒng)采用非線性、模糊性以及不確定性等指標(biāo)多層次模糊分析法的評價過程，有很多不確定信息，難以統(tǒng)籌考慮[2]，造成評價方法不具備普及性，如何能夠形成“一礦一評策”的評價思路，是當(dāng)前面臨的難題。然而屯蘭煤礦經(jīng)鑒定主采2、8號煤層均具有弱沖擊傾向性，需對其進(jìn)行合理有效的沖擊危險性評價，從理論層面上分析影響煤層沖擊地壓的因素有地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件等，但地質(zhì)條件是誘發(fā)沖擊地壓的客觀存在條件，人為因素難以改變[3-5]。深入系統(tǒng)的研究礦井各種地質(zhì)條件，對沖擊地壓評價具有重要的理論和實(shí)踐意義，更是屯蘭煤礦當(dāng)前判定及防治沖擊地壓必須克服的問題之一。

1 沖擊危險性評價方法

1.1 礦井地質(zhì)概況

礦井位于太原西山煤田的西北部、馬蘭向斜的東翼，從井田整體構(gòu)造形態(tài)看，呈一走向北北東—北北西，傾向南西—南東的緩波波浪狀單斜構(gòu)造，地層傾角2°～15°，次一級小型波狀褶曲發(fā)育，斷層較多且成組出現(xiàn)，井田內(nèi)的主要構(gòu)造為斷層，其次為褶皺。主采二疊系下統(tǒng)山西組2號煤和石炭系上統(tǒng)太原組8號煤，主要煤系地層為碎屑巖及碳酸鹽巖沉積，地質(zhì)類型為極復(fù)雜，礦井自生產(chǎn)以來未曾發(fā)生過沖擊地壓。

1.2 綜合權(quán)重占比法

綜合權(quán)重占比法分析各種地質(zhì)條件對沖擊地壓發(fā)生的影響，評估各種條件的影響，然后將其綜合起來，建立對沖擊地壓危險性評價的綜合權(quán)重占比法[6]。利用地質(zhì)條件對應(yīng)的沖擊地壓危險指數(shù)評估表，見表1，綜合評估區(qū)域的沖擊地壓危險程度，宏觀的角度上認(rèn)識沖擊地壓威脅狀況，見式(1)。

表1 地質(zhì)條件影響的沖擊地壓危險指數(shù)評估Table 1 Evaluation of rock burst risk index influenced by geological conditions

(1)

式中，Wt為地質(zhì)條件對沖擊地壓的影響程度，綜合考慮覆巖、構(gòu)造應(yīng)變、力學(xué)性質(zhì)等7項(xiàng)指標(biāo)綜合評估指標(biāo)[11]，可將影響沖擊地壓的危險程度定量劃分等級，分別為無沖擊危險、弱沖擊危險、中等沖擊危險、強(qiáng)沖擊危險4個等級。

2 地質(zhì)條件對沖擊危險性的影響

2.1 開采深度的影響

隨著淺部資源減少，后續(xù)銜接向深部開采接替，煤體中的負(fù)載地應(yīng)力隨之增加，長期負(fù)載高地應(yīng)力，在采掘活動反復(fù)強(qiáng)烈擾動下，原有煤體—圍巖系統(tǒng)的平衡應(yīng)力狀態(tài)被打破，煤體中聚積的沖擊能量也隨之釋放[7]。統(tǒng)計歷年全國煤礦發(fā)生沖擊地壓數(shù)據(jù)表明，開采深度越大，沖擊地壓發(fā)生的可能性也越大。采深與沖擊地壓危害的關(guān)系，如圖1所示?？梢婇_采深度與沖擊危險指數(shù)成正相關(guān)關(guān)系，考慮到安全界限，可以確定開采深度H≤400 m時，Wt很低，開采深度400 m600 m開始，隨著開采深度的增加，Wt急劇增加，當(dāng)采深非常大時，比如采深超過1 000 m，沖擊指數(shù)增長梯度將會減小，但其值會非常高。若開采深度從600 m增加到850 m，則沖擊危險指數(shù)Wt可從0.12增加到0.62，是開采深度400 m(Wt=0.03)時的5.12倍和20.7倍。

圖1 采深與沖擊地壓危害的關(guān)系Fig.1 Relationship between mining depth and rock burst hazard

通過數(shù)值模擬開采深度與煤層最大承受壓力的關(guān)系。結(jié)果分析，煤層最大承受壓力近似與開采深度成正比例的線性關(guān)系，采深越大煤層附近承受壓力越大，更有助于沖擊地壓的發(fā)生，如圖2所示。根據(jù)統(tǒng)計屯蘭煤礦現(xiàn)采區(qū)域2、8號煤層采深分析，采深對2號煤層南五采區(qū)、南六采區(qū)和 8號煤層南三下組煤采區(qū)具有重要影響，對2號煤層北三采區(qū)和 8號煤層南翼下組煤采區(qū)具有一定影響，見表2。

圖2 采深與煤層承受壓力Fig.2 Relationship between mining depth and coal seam pressure

表2 現(xiàn)采區(qū)域2、8號煤層開采深度Table 2 Mining depth of No.2 and No.8 coal seams in existing mining area

2.2 煤層上覆巖層厚度的影響

屯蘭礦區(qū)自1957年以來歷經(jīng)普勘、精勘、重勘和補(bǔ)勘施工煤田勘探孔以及生產(chǎn)過程中石門揭露，現(xiàn)采區(qū)域2、8號主采煤層上覆100 m范圍內(nèi)未見10 m以上的堅硬巖層。煤層內(nèi)的彈性能量由體變彈性能Uv、形變彈性能Uf和頂板彎曲彈性能Uw組成。厚度大的堅硬巖層不易冒落，形成的跨距(懸頂)L值就越大，積聚的能量也越多[8]。所以厚度大的堅硬巖層頂板發(fā)生沖擊地壓的可能性大。根據(jù)研究，影響沖擊地壓發(fā)生的巖層為煤層上方100 m范圍內(nèi)巖層，其中巖體強(qiáng)度大、厚度大的砂巖層起主要作用，砂巖頂板容易積聚大量的彈性能，在破碎或滑移過程中，可能會突然釋放大量能量，以砂巖為標(biāo)準(zhǔn)的頂板巖層厚度特征參數(shù)為

Lst=∑hiri

(2)

式中，hi為頂板100 m范圍內(nèi)第i種巖層的厚度，m；ri為所給巖層的弱面遞減系數(shù)，見表3。由表4知，頂板巖性厚度特征對2、8號煤層均有一定影響。

表3 屯蘭煤系地層巖層的強(qiáng)度比和弱面遞減系數(shù)Table 3 Strength ratio and decline coefficient of weak plane of coal measure strata

表4 現(xiàn)采區(qū)域2、8號煤層頂板巖性厚度特征參數(shù)Table 4 Roof lithologic characteristics of No.2 and No.8 coal seam in existing mining area 單位：m

2.3 地質(zhì)構(gòu)造引起的開采區(qū)域內(nèi)應(yīng)力變化

褶皺構(gòu)造區(qū)域沖擊地壓危險分布規(guī)律分析，初始應(yīng)力分布不均勻，最大水平應(yīng)力是壓應(yīng)力，主要集中在向斜、背斜內(nèi)弧的波谷和波峰部位，從向斜外弧往背斜方向看，最大水平應(yīng)力值逐漸減小，即向斜軸部的最大水平應(yīng)力比翼部大，翼部的最大水平應(yīng)力比背斜處大。Ⅰ區(qū)，褶曲向斜，垂直為壓應(yīng)力，水平為拉應(yīng)力，最易出現(xiàn)冒頂和沖擊地壓；Ⅱ區(qū)褶曲翼部，垂直和水平均為壓應(yīng)力，最易出現(xiàn)沖擊地壓；Ⅲ區(qū)褶曲背斜，垂直拉力，水平壓應(yīng)力，最大礦山壓力區(qū)域[9-12]，如圖3所示。

圖3 褶皺區(qū)域沖擊地壓危險分布規(guī)律Fig.3 Distribution law of rock burst risk in fold area

斷裂構(gòu)造破壞了巖層的連續(xù)性，失去力的傳遞作用，加速頂板巖層下沉速度。當(dāng)工作面采動接近斷裂構(gòu)造時，會影響到工作面超前頂板壓力分布范圍、分布形式和應(yīng)力峰值，并且斷裂傾向與工作面推進(jìn)方向不同，對頂板壓力的影響程度不同。采動影響對工作面頂板壓力的數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)工作面從斷層下盤向斷層推進(jìn)時，會在工作面和斷層間的煤柱造成加壓，產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中，產(chǎn)生應(yīng)變從而積聚大量的彈性能，并且隨著工作面的推進(jìn)，積聚的能量不斷增加，沖擊地壓的危險性也就越大。根據(jù)構(gòu)造應(yīng)力分布情況，模擬工作面開采接近斷裂構(gòu)造時的頂板的應(yīng)變情況，開采區(qū)域內(nèi)構(gòu)造引起的應(yīng)力增量，如圖4所示，斷裂構(gòu)造應(yīng)變是影響煤層沖擊地壓的一個相對重要因素。

圖4 工作面開采接近構(gòu)造時煤巖層的應(yīng)變Fig.4 The strain of coal and rock strata when the mining face is close to the structure

2.4 煤層物理力學(xué)性質(zhì)及其特征的影響

本次試驗(yàn)2、8號煤層各采樣5塊,尺寸為49 cm×48 cm×90 cm(長×寬×高)，截面積23.33 cm2，試驗(yàn)結(jié)果彈性變性能為15.187 6，塑性變性能為7.355 2，彈性能量指數(shù)WET和單軸抗壓強(qiáng)度RC，見表5。2、8號煤的單軸抗壓強(qiáng)度均大于6 MPa，且8號煤層遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2號煤，礦井內(nèi)2、8煤層的物理力學(xué)性質(zhì)對其沖擊地壓危險均具有較大影響。

表5 2、8號煤層WET和RCTable 5 WET and RC of No.2 and No.8 coal seam

3 結(jié)論

(1)采用權(quán)重占比法對開采深度、地質(zhì)構(gòu)造引起的開采區(qū)域內(nèi)應(yīng)力變化、煤層上方100 m范圍頂板巖層厚度特征、煤層物理力學(xué)性質(zhì)等多種地質(zhì)條件耦合分析，進(jìn)行了現(xiàn)采區(qū)域主采煤層沖擊地壓危險性評估，地質(zhì)條件綜合Wt1小于0.25，為無沖擊危險等級，當(dāng)前開采區(qū)域地質(zhì)條件對主采2、8號煤層沖擊地壓危險性影響相對較小。

(2)結(jié)合2、8號煤層沖擊地壓危險性評價，雖受當(dāng)前區(qū)域地質(zhì)條件影響較小，但后期規(guī)劃設(shè)計區(qū)域及開采過程中開采深度、構(gòu)造、煤層及其頂?shù)装鍘r層等地質(zhì)條件發(fā)生明顯變化時，應(yīng)重新進(jìn)行綜合沖擊危險性評價，及時提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，獲得最新變化結(jié)果，為礦井安全高效生產(chǎn)提供正確指導(dǎo)。