臨近斷層工作面采動(dòng)誘沖規(guī)律研究*

王志強(qiáng)，黃 鑫，蘇澤華，田 野

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 共伴生能源精準(zhǔn)開采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭安全開采與地質(zhì)保障國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京 100083)

0 引言

煤炭資源在我國能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，在能源、化工等領(lǐng)域起著基礎(chǔ)性作用，具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。目前，我國淺部煤炭資源已接近枯竭，逐漸進(jìn)入深部開采階段，預(yù)計(jì)未來20 a很多煤礦的開采深度將達(dá)到1 000～1 500 m；同時(shí)，在未來10～20 a，我國金屬礦山的開采深度將達(dá)到1 000～2 000 m[2-3]。在煤礦開采深度不斷增加的同時(shí)，由于礦井機(jī)械化水平的不斷提高，開采強(qiáng)度顯著增加，導(dǎo)致沖擊地壓的頻率不斷增加，以前沒有發(fā)生過沖擊地壓的礦井，現(xiàn)在開始發(fā)生[4]，沖擊地壓往往發(fā)生于斷裂構(gòu)造區(qū)域，而其中絕大多數(shù)又發(fā)生在斷層控制區(qū)域[5-6]。

目前國內(nèi)外關(guān)于斷層型沖擊地壓的研究有一定進(jìn)展。如朱斯陶等[7-8]、姜福興等[9]采用微震監(jiān)測方法，研究構(gòu)造控制型沖擊地壓的分類和預(yù)警方法，提出將構(gòu)造控制型沖擊地壓分為增壓和減壓2種類型，通過分析微震事件的動(dòng)態(tài)特性、分布特性和能量耗散特性,確定預(yù)警危險(xiǎn)區(qū),采用鉆孔法確定危險(xiǎn)區(qū)的危險(xiǎn)程度，為制定對(duì)策提供依據(jù)；并在此基礎(chǔ)上確定工作面過斷層，可分為斷層活化型沖擊和斷層煤柱型沖擊；曾繁慧等[10]利用多層次數(shù)學(xué)模糊理論對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)性指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定危險(xiǎn)性指標(biāo)；白楊等[11]通過對(duì)現(xiàn)場案例進(jìn)行分析，得到采取注漿加固、卸壓以及可伸縮支架可以保證工作面過斷層的安全性；Sun等[12]用模量指數(shù)表示沖擊地壓擾動(dòng)響應(yīng)失穩(wěn)理論，得出反映煤巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的參數(shù)，用來計(jì)算煤巖體結(jié)構(gòu)的臨界軟化區(qū)深度、臨界阻力區(qū)深度及支護(hù)臨界載荷等沖擊危險(xiǎn)性指標(biāo)；毛德兵等[13]根據(jù)微震監(jiān)測結(jié)果分析采動(dòng)影響下斷層活化規(guī)律的影響,提出斷層構(gòu)造型沖擊地壓防治的基本原則；朱廣安等[14]對(duì)斷層滑移失穩(wěn)進(jìn)行數(shù)值反演分析，得到頂板卸壓是防治斷層沖擊地壓的重要舉措。

綜上所述，這些結(jié)論和方法均對(duì)斷層沖擊地壓的防治起到一定作用，但斷層的類別和性質(zhì)千差萬別，影響斷層的失穩(wěn)因素不盡相同，針對(duì)此問題，本文以理論分析、數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，采用正交實(shí)驗(yàn)和層次分析法對(duì)斷層沖擊地壓的影響因素進(jìn)行研究，分析各影響因素的權(quán)重，對(duì)保障斷層控制區(qū)域煤層的安全開采具有一定參考價(jià)值。

1 斷層與沖擊地壓影響分析

未受采掘擾動(dòng)影響的巖層處于原始平衡狀態(tài)，回采工作面形成的采掘“空區(qū)”對(duì)原始應(yīng)力場有強(qiáng)烈擾動(dòng)，使原始應(yīng)力場由原始平衡態(tài)向新的平衡態(tài)轉(zhuǎn)化，此轉(zhuǎn)化過程有穩(wěn)態(tài)的亦有非穩(wěn)態(tài)的，即為采掘擾動(dòng)效應(yīng)[15]。斷層沖擊地壓的直接原因即為采掘擾動(dòng)，采掘擾動(dòng)前，斷層帶介質(zhì)和上下盤巖層處于平衡狀態(tài)，采掘擾動(dòng)后，斷層帶附近產(chǎn)生附加剪應(yīng)力，在附加剪應(yīng)力作用下，斷層帶巖層發(fā)生變形，發(fā)生能量積聚的現(xiàn)象，這是沖擊地壓往往發(fā)生于斷裂構(gòu)造區(qū)域，而其中絕大多數(shù)又發(fā)生在斷層控制區(qū)域的直接原因。當(dāng)采煤工作面距離斷層帶較遠(yuǎn)時(shí)，工作面附近積聚的可釋放彈性應(yīng)變能較小，斷層帶和上下盤巖層均處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)采煤工作面距離斷層帶較近時(shí)，工作面附近積聚的可釋放彈性應(yīng)變能較大，斷層帶處于失穩(wěn)狀態(tài)，而上下盤巖層處于穩(wěn)定狀態(tài)；采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)至距斷層更近的位置時(shí)，工作面附近積聚的可釋放彈性應(yīng)變能急劇增大，整個(gè)系統(tǒng)將發(fā)生失穩(wěn)，而發(fā)生斷層沖擊地壓。開采對(duì)斷層應(yīng)力影響的分析模型如圖1所示。

圖1 開采對(duì)斷層應(yīng)力影響的分析模型

受到采掘擾動(dòng)的影響，采煤工作面超前支承應(yīng)力會(huì)發(fā)生一定的變化，回采工作面超前支承應(yīng)力及演化形態(tài)分布如圖2所示。由圖2可知，工作面超前支承應(yīng)力在煤壁前方一定距離內(nèi)逐漸上升，直到峰值應(yīng)力點(diǎn)，而后逐漸減小，整體呈現(xiàn)先增大后減小的曲線趨勢。

圖2 回采工作面超前支承應(yīng)力及演化形態(tài)分布

當(dāng)回采工作面前方一定距離內(nèi)存在斷層構(gòu)造時(shí)，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，斷層構(gòu)造會(huì)受到超前支承應(yīng)力的影響，其主要受到a，b，c 3個(gè)階段的影響，當(dāng)斷層距離超前支承應(yīng)力影響范圍較遠(yuǎn)時(shí)，斷層構(gòu)造基本不受影響，斷層帶和上下盤巖層處于穩(wěn)定狀態(tài)；隨著工作面不斷向前推進(jìn)，斷層構(gòu)造相應(yīng)地進(jìn)入超前支承應(yīng)力影響范圍(a階段)，但此時(shí)斷層構(gòu)造距離峰值應(yīng)力相對(duì)較遠(yuǎn)，僅對(duì)斷層活化造成較小的影響；當(dāng)工作面進(jìn)一步推進(jìn)，斷層距工作面的距離進(jìn)一步減小(b階段)，此時(shí)，上下盤因受到支承應(yīng)力的影響發(fā)生摩擦滑動(dòng)的趨勢進(jìn)而導(dǎo)致斷層活化，工作面附近積聚的可釋放彈性能應(yīng)繼續(xù)增加；而當(dāng)斷層不斷靠近峰值應(yīng)力時(shí)，斷層面因支承應(yīng)力的作用瞬間發(fā)生摩擦滑動(dòng)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力瞬間降低，可釋放彈性能突然釋放的現(xiàn)象，形成礦震擾動(dòng)源，其通過煤巖介質(zhì)傳遞，加之靜載應(yīng)力的作用，發(fā)生沖擊地壓。

垂直應(yīng)力的大小主要與開采深度有關(guān)，斷層所處位置由工作面與斷層之間的距離決定，鑒于此，應(yīng)對(duì)包括斷層傾角、斷層落差、斷層黏聚力、斷層內(nèi)摩擦角、工作面與斷層距離以及開采深度6個(gè)影響斷層活化的因素進(jìn)行分析。

2 正交實(shí)驗(yàn)研究

斷層是影響煤礦開采的重要地質(zhì)因素，極易誘發(fā)沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。斷層影響因素眾多，不利于進(jìn)行全面實(shí)驗(yàn)，利用正交實(shí)驗(yàn)不僅可以大大減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，而且能夠快速鎖定主要因素。因此決定采用正交實(shí)驗(yàn)代替全面實(shí)驗(yàn)對(duì)斷層區(qū)域工作面附近能量積聚的影響因素進(jìn)行研究。

2.1 影響因素及水平確定

為避免人為因素導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，對(duì)斷層區(qū)域工作面附近能量積聚影響因素的水平確定采用“隨機(jī)化”的處理方法，所選取的影響因素與水平見表1。全文A表示斷層傾角(°)，B表示斷層落差(m)，C表示斷層黏聚力(MPa)，D表示斷層內(nèi)摩擦角(°)，E表示工作面與斷層距離(m)，F(xiàn)表示開采深度(m)。

表1 影響因素與水平

2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)選定的實(shí)驗(yàn)因素與水平，選用6因素5水平的正交表L25(56)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，該正交表最多可容納6個(gè)因素，共25組實(shí)驗(yàn)。并利用數(shù)值模擬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的幾何形狀和初始條件

基本假設(shè)：1)斷層周圍巖體均為各向同性材料；2)斷層不受古構(gòu)造應(yīng)力的影響；3)邊界應(yīng)力為區(qū)域應(yīng)力，作用方向垂直于邊界；4)斷層為均勻的彈性體材料。

模型和邊界條件設(shè)置：采用三維模型，將斷層做成1個(gè)弱面，用力學(xué)性質(zhì)相對(duì)于周圍巖體較低、可塑性較強(qiáng)的巖石代替。數(shù)值模擬模型如圖3所示，模型長300 m，高120 m，寬20 m。模型底部固定，四周施加區(qū)域水平主應(yīng)力，頂部施加區(qū)域垂直主應(yīng)力。圍巖及斷層結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 圍巖及斷層結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)取值

圖3 數(shù)值模擬模型

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，得到25組實(shí)驗(yàn)的斷層影響區(qū)域工作面煤壁前方積聚可釋放彈性能的最大值，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表3，各影響因素極差計(jì)算結(jié)果見表4。表3中A1B1C1D1E1F1表示A，B，C，D，E，F(xiàn)均選第1個(gè)水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其余24組實(shí)驗(yàn)方案同理。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

表4 各影響因素極差計(jì)算結(jié)果

4 層次分析法確定組合權(quán)重

美國匹茲堡大學(xué)教授薩蒂創(chuàng)新性地提出1種劃分層次從而確定影響因素權(quán)重值的分析決策方法，即層次分析法。這種方法可以較大程度上減少主觀作用對(duì)其結(jié)果的影響。

4.1 構(gòu)造判斷矩陣

層次分析法的重要特征是利用極差將各因素的重要程度做出比較，劃分為9個(gè)等級(jí)，并為每個(gè)等級(jí)賦值，各因素重要性等級(jí)評(píng)定及其賦值見表5，各因素重要性等級(jí)賦值依據(jù)見表6。

表5 重要性等級(jí)評(píng)定及其賦值

利用6個(gè)影響因素的極差值作比，參照表6進(jìn)行賦值，得到影響因素之間的判斷矩陣M如式(1)所示：

表6 重要性等級(jí)賦值依據(jù)

(1)

式中：M為各影響因素之間的判斷矩陣。

4.2 計(jì)算矩陣的特征向量和指標(biāo)權(quán)重

在求得判斷矩陣的最大特征值λmax所對(duì)應(yīng)的特征向量時(shí)，應(yīng)對(duì)特征向量進(jìn)行歸一化處理即使向量中各元素之和為1，記為w。w中的各個(gè)元素值就是該層次的因素對(duì)應(yīng)于上一層次因素所進(jìn)行的重要性等級(jí)的權(quán)重值。應(yīng)該注意到的是，是否能夠進(jìn)行該單層次的排序，需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性的檢驗(yàn)。也就是應(yīng)該對(duì)M的不一致的允許范圍進(jìn)行確定。對(duì)M各列進(jìn)行求和，結(jié)果見表7。

表7 矩陣M各列求和Table 7 Sum on each column of matrix M

對(duì)M利用歸一化公式進(jìn)行處理，如式(2)所示：

(2)

式中：Nij為歸一化處理后矩陣i行、j列數(shù)值；Mij為判斷矩陣i行、j列數(shù)值；∑Mj為判斷矩陣各列之和。

可以得到新的矩陣N，如式(3)所示：

(3)

式中：N為歸一化處理后矩陣。

通過對(duì)N各行進(jìn)行求和，得到矩陣Nj，如式(4)所示：

(4)

式中：Nj為矩陣N的特征向量。

對(duì)Nj進(jìn)行歸一化處理，得到各影響因素的權(quán)重，計(jì)算公式如式(5)所示：

(5)

式中：wj為各影響因素權(quán)重；∑Nj為Nj各列之和。

斷層傾角的影響權(quán)重為5%；斷層落差的影響權(quán)重為12.1%；斷層黏聚力的影響權(quán)重為2.9%；斷層內(nèi)摩擦角的影響權(quán)重為26.8%；工作面與斷層距離的影響權(quán)重為7.1%；開采深度的影響權(quán)重為46.1%。各影響因素權(quán)重比較如圖4所示。

圖4 各影響因素權(quán)重比較

5 結(jié)論

1)采掘擾動(dòng)為斷層沖擊地壓發(fā)生的直接原因，且各因素對(duì)斷層沖擊地壓影響的差異較為顯著。

2)開采深度引起的較大支承應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致斷層發(fā)生摩擦滑動(dòng)，而形成的礦震擾動(dòng)源則是發(fā)生沖擊地壓的根本原因。

3)利用層次分析法對(duì)各影響因素的權(quán)重進(jìn)行分析，開采深度對(duì)斷層沖擊地壓的影響最大，斷層內(nèi)摩擦角次之，斷層黏聚力影響最小。

4)在各影響因素中，斷層黏聚力和開采深度對(duì)斷層沖擊地壓影響的差異較大。