王正義,何 江
(1.常州工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院,江蘇 常州 213032;2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)
煤礦深部開采過程中,各種煤巖動(dòng)力災(zāi)害在采掘過程中頻繁發(fā)生。礦井微震的發(fā)生很有可能引發(fā)動(dòng)力災(zāi)害,如沖擊地壓、煤與瓦斯突出等[1-2]。近年來,隨著微震監(jiān)測水平的提高,我國涌現(xiàn)了大量關(guān)于煤巖動(dòng)力災(zāi)害微震監(jiān)測預(yù)警的研究工作。竇林名等[3]揭示了震源震動(dòng)機(jī)制及微震監(jiān)測實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、區(qū)域等特點(diǎn),并采用微震監(jiān)測技術(shù)研究了煤巖體變形破裂釋放的能量及主震低頻特征;姜福興等[4]基于微震監(jiān)測手段,分析了厚層礫巖活動(dòng)、斷層活化和關(guān)鍵層破裂是動(dòng)力災(zāi)害的主要原因,揭示了不同構(gòu)造類型條件下微震事件的分布特征,并將其作為沖擊危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo);夏永學(xué)等[5]分析了采煤工作面超前支承壓力和微震事件分布的規(guī)律,發(fā)現(xiàn)圍巖震動(dòng)呈現(xiàn)出高能量和低頻次的特征,提出了適宜的工作面推進(jìn)速度;陳學(xué)華等[6]結(jié)合SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)值模擬,指出區(qū)域內(nèi)日震動(dòng)釋放總能量和震動(dòng)次數(shù)隨著回采工作面的臨近起伏增大,強(qiáng)烈微震活動(dòng)前經(jīng)常有弱震活動(dòng)。研究表明,微震是采掘工作與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場疊加作用的結(jié)果,微震的發(fā)生與構(gòu)造應(yīng)力密切相關(guān)。姜福興等[7]采用微震監(jiān)測方法,研究了構(gòu)造控制型沖擊地壓的分類和預(yù)警方法,提出了將構(gòu)造控制型沖擊地壓分為增壓和減壓2種類型;王國瑞等[8]指出當(dāng)工作面過褶曲構(gòu)造時(shí),由于破壞褶曲內(nèi)部原來的應(yīng)力狀態(tài),必然導(dǎo)致礦震的發(fā)生,而微震監(jiān)測技術(shù)可用于預(yù)測預(yù)報(bào)動(dòng)力災(zāi)害。因此,研究礦井復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)工作面采掘過程中的微震活動(dòng)規(guī)律對于保證煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。為此,以胡家河礦為工程背景,基于ARAMIS微震監(jiān)測系統(tǒng),研究在褶曲、斷層、特厚堅(jiān)硬煤層、多巷煤柱等多因素影響下的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)條件下,工作面開采期間的微震活動(dòng)規(guī)律以及煤巖動(dòng)力災(zāi)害機(jī)制,并據(jù)此提出針對性的防控措施,以期為類似地質(zhì)和開采條件下的礦井災(zāi)害防治提供參考。
彬長礦區(qū)主要為單斜構(gòu)造,由4個(gè)向斜和2個(gè)背斜組成。彬長礦區(qū)胡家河礦的地應(yīng)力測試結(jié)果表明:該礦的最大主應(yīng)力接近水平方向,最大水平主應(yīng)力σH約為垂直主應(yīng)力σv的1.84~2.20倍,表明地應(yīng)力場主要受水平構(gòu)造應(yīng)力的支配。
401采區(qū)為胡家河煤礦首采區(qū),開采深度平均700 m。401102工作面為401盤區(qū)的第2個(gè)工作面,傾向長180 m,走向長1 560 m,平均煤厚23 m,采用分層放頂煤開采,首采上分層?;跊_擊危險(xiǎn)性鑒定結(jié)果,4#煤上下分層均具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn),而頂板具有弱沖擊危險(xiǎn)。401102工作面上覆4層關(guān)鍵層頂板,其中基本頂為粉砂巖(23.7 m),對工作面采掘期間的動(dòng)力顯現(xiàn)影響最顯著。詳細(xì)的覆巖關(guān)鍵層參數(shù)見表1。
表1 覆巖關(guān)鍵層參數(shù)Table 1 Parameters of key strata
401102工作面內(nèi)褶曲、斷層發(fā)育,賦存A1和A3向斜,褶曲構(gòu)造參數(shù)見表2。F5斷層為正斷層,斷層傾角35°,落差6~10 m。
表2 褶曲構(gòu)造參數(shù)Table 2 Parameters of folded structures
鄰近的401101工作面已回采完畢,401102工作面布置有運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、灌漿巷和泄水巷,其中401102工作面與401101采空區(qū)之間有3條寬為20 m煤柱,形成多巷煤柱。401102工作面布置示意圖如圖1。
圖1 401102工作面布置示意圖Fig.1 Layout of 401102 working face
401102工作面在采掘期間微震活動(dòng)頻繁,且動(dòng)力擾動(dòng)顯著強(qiáng)于相鄰的401101工作面。現(xiàn)場巷道圍巖變形嚴(yán)重,以動(dòng)力型底鼓為主。
為了能夠?qū)γ簬r動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,該礦從波蘭引進(jìn)了ARAMIS微震監(jiān)測系統(tǒng)。微震監(jiān)測系統(tǒng)探頭布置如圖2。
圖2 微震監(jiān)測系統(tǒng)探頭布置Fig.2 Probe layout of micro-seismic monitoring system
研究微震空間分布規(guī)律有助于研究煤巖動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理,同時(shí)能夠指導(dǎo)動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)防與控制。401102工作面回采期間大能量微震分布如圖3(>105J)。由圖3可知,大能量微震主要分布在A1和A3向斜附近,表明高構(gòu)造應(yīng)力是微震發(fā)生的主導(dǎo)因素。然而A3向斜附近強(qiáng)微震數(shù)量明顯多于A1向斜,且微震能量大(>106J)。此外,A3向斜臨近401102工作面多巷煤柱附近的微震數(shù)量較其他區(qū)域明顯要多。原因?yàn)椋篈3向斜軸部與F5斷層交錯(cuò),褶曲構(gòu)造應(yīng)力與斷層構(gòu)造應(yīng)力疊加使得該處積聚大量彈性能;由于多巷煤柱中各煤柱寬度均為20 m,使得煤柱中可積聚較大的彈性能。由沖擊危險(xiǎn)性多因素耦合理論,A3向斜偏多巷煤柱區(qū)一側(cè)具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn),為強(qiáng)微震多發(fā)區(qū)域。值得注意的是,幾次較大能量的微震發(fā)生于鄰近多巷煤柱側(cè)的401101采空區(qū)內(nèi),這是受401102工作面的采動(dòng)影響下,401101采空區(qū)上覆主關(guān)鍵層破斷并誘發(fā)大能量微震。
圖3 401102工作面回采期間大能量微震分布(>105 J)Fig.3 Distribution of large energy micro-seismic events(>105 J)in 401102 working face during mining
401102工作面回采期間微震總能量與總次數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖4。圖4為以50 m為1個(gè)分區(qū)工作面回采鄰近A3向斜時(shí)發(fā)生微震總能量與總次數(shù)的統(tǒng)計(jì)圖。由圖4可知,微震總能量與總次數(shù)分布規(guī)律一致性較好,絕大多數(shù)微震(83.4%)分布在距A3向斜軸部兩側(cè)200 m范圍內(nèi)。其中,大能量微震多發(fā)生于A3向斜軸部前后50 m(-50~50 m)范圍內(nèi),表明微震活動(dòng)與構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)域密切相關(guān),向斜軸部構(gòu)造應(yīng)力最為集中,最易發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害。
圖4 401102工作面回采期間微震總能量與總次數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistics of total energy and times of microseisms in 401102 working face during mining
此外,401102工作面面回采過程中,在靠近運(yùn)輸巷的實(shí)體煤側(cè)同樣有大量微震事件發(fā)生,401102工作面運(yùn)輸巷實(shí)體煤側(cè)微震分布如圖5。由圖5可知,實(shí)體煤側(cè)微震事件能量均較?。?03~104J),在回風(fēng)巷外側(cè)50 m范圍內(nèi)均勻分布。這體現(xiàn)出受采動(dòng)影響及側(cè)向支承壓力作用下的煤體破壞情況。而在A1和A3向斜附近的微震事件(少數(shù)能量>105J)基本位于實(shí)體煤深部約100 m處。深部煤體在沒有采掘影響下破裂并伴生小能量微震,這表明煤體已處于極限平衡狀態(tài),微弱的采掘擾動(dòng)即可誘發(fā)煤體失穩(wěn)。由于空間所限導(dǎo)致煤體中積聚的彈性能不能全部釋放,煤體仍處于非穩(wěn)定平衡。在接續(xù)工作面采掘過程中很有可能發(fā)生強(qiáng)微震,尤其是鄰近向斜處,將會是接續(xù)工作面動(dòng)力災(zāi)害防治的關(guān)鍵區(qū)域,須提前采取解危工作。
圖5 401102工作面運(yùn)輸巷實(shí)體煤側(cè)微震分布Fig.5 Distribution of micro-seismic events in coal mass of transport roadway in 401102 working face
401102工作面臨近A3向斜的微震活動(dòng)時(shí)序特征分布如圖6。圖6為從2015年2月6日工作面運(yùn)輸巷至向斜軸100 m,工作面回風(fēng)巷距向斜軸180 m,到2015年4月6日401102面剛離開向斜軸部區(qū)域的微震活動(dòng)性時(shí)序分布。由圖6可以看出,當(dāng)工作面距向斜軸180 m時(shí),開采活動(dòng)開始影響向斜軸部煤巖系統(tǒng)的平衡,煤巖體發(fā)生破裂并釋放彈性能,進(jìn)而誘發(fā)微震。此階段微震活動(dòng)頻繁,大量能量釋放,強(qiáng)震誘沖的周期比較短。由動(dòng)力顯現(xiàn)前的微震活動(dòng)規(guī)律知,在向斜軸部的動(dòng)力顯現(xiàn)發(fā)生前震動(dòng)頻次持續(xù)上升,然而微震能量未有相應(yīng)升高,反而還有所降低。小能量微震數(shù)量明顯增加,表明煤巖結(jié)構(gòu)加劇破壞,從而導(dǎo)致煤巖體系的失穩(wěn)。隨著401102工作面回采,強(qiáng)微震周期增大,表明褶曲構(gòu)造的影響逐漸衰弱,微震活動(dòng)步入穩(wěn)定階段。
圖6 401102工作面臨近A3向斜的微震活動(dòng)時(shí)序特征Fig.6 Time series characteristics of micro-seismic activity near A3 syncline in 401102 working face
由上述分析結(jié)果可知,401102工作面微震活動(dòng)以及動(dòng)力災(zāi)害的影響因素以構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo),同時(shí)受到多巷區(qū)段煤柱和采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)的耦合影響,下面針對各主控因素依次進(jìn)行分析。
研究表明[9],當(dāng)工作面回采至向斜軸部附近時(shí),動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生次數(shù)和危險(xiǎn)程度均明顯升高。褶曲區(qū)域動(dòng)力顯現(xiàn)危險(xiǎn)分布如圖7。圖7中,σx和σz分別為煤巖體的水平應(yīng)力和鉛直應(yīng)力,Pa;R為褶曲的軸面距離,m;I區(qū)為褶皺向斜區(qū)域,其應(yīng)力狀態(tài)為鉛直壓力、水平拉力,最易發(fā)生冒頂;II區(qū)為褶皺翼部,其鉛直和水平應(yīng)力均為壓力,最易發(fā)生沖擊地壓;Ⅲ區(qū)為褶皺背斜區(qū)域,其應(yīng)力狀態(tài)為鉛直拉力、水平壓力,是最大礦山壓力區(qū)域。
圖7 褶曲附近動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)分布Fig.7 Risk distribution of dynamic disasters near folds
401102工作面A1和A3均為向斜構(gòu)造,由于水平方向擠壓而積聚大量彈性能,在工作面開挖卸荷影響下易導(dǎo)致彈性能突然釋放誘發(fā)強(qiáng)微震。
斷裂構(gòu)造破壞頂板連續(xù)性,使其失去傳遞載荷的作用。工作面回采期間接近斷層區(qū)域時(shí),超前支承壓力的數(shù)值模擬結(jié)果[10]如圖8。當(dāng)工作面接近斷層時(shí),超前支承壓力的正常前移受阻,從而采場覆巖壓力主要集中在工作面與斷層面之間的煤體,該處煤體支承壓力顯著增加。
圖8 向斷層區(qū)域推進(jìn)時(shí)工作面超前支承壓力變化Fig.8 Advance abutment pressure of working face when excavating towards fault area
401102工作面處于高構(gòu)造應(yīng)力區(qū),在較高支承壓力和高構(gòu)造應(yīng)力的耦合影響下,F(xiàn)5斷層附近煤巖積聚大量彈性能,在采掘擾動(dòng)下,極易導(dǎo)致斷層活化而產(chǎn)生強(qiáng)微震。
對于多巷煤柱而言,其所承受垂直應(yīng)力呈馬鞍形分布,多巷承載煤柱受力狀態(tài)如圖9。圖9中,ρ為上覆巖層的平均密度,t/m3;H為采深,m;K為應(yīng)力集中系數(shù);I區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)分別為煤柱松動(dòng)區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū),其中彈性區(qū)(Ⅲ區(qū))是主要承載部分,可形成積聚彈性能的“彈性核”[11]。401102工作面多巷煤柱寬度為20 m,煤柱彈性區(qū)較大且存在“彈性核”,采動(dòng)影響下很難被完全“壓酥”,煤柱所積聚彈性能將成為誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害的基本靜力條件。
圖9 多巷承載煤柱受力狀態(tài)Fig.9 Stress state of bearing coal pillar with multiple roadways
401102工作面與相鄰401101采空區(qū)間的多巷煤柱寬度為70 m。隨著401102工作面推進(jìn),多巷煤柱區(qū)域類似于孤島面,其覆巖結(jié)構(gòu)破斷形式與“T”型破斷結(jié)構(gòu)[12]相似,由于其兩側(cè)工作面長度一致,當(dāng)工作面回采接近多巷煤柱時(shí),主關(guān)鍵層發(fā)生破斷,短臂對稱“T”型結(jié)構(gòu)形成,從而誘發(fā)大能量震動(dòng),極易導(dǎo)致動(dòng)力顯現(xiàn),采空區(qū)覆巖短臂對稱“T”型結(jié)構(gòu)如圖10。
圖10 采空區(qū)覆巖短臂對稱“T”型結(jié)構(gòu)Fig.10 Symmetrical“T”structure of short arm of overburden in goaf
當(dāng)采掘空間附加的煤巖體中的靜載荷與采掘活動(dòng)引起的動(dòng)載荷疊加,超過了煤巖體發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害臨界載荷時(shí),就會誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害,可表示為[13]:
式中:σs為煤巖體中的靜載荷;σd為工作面采掘引起的動(dòng)載荷;σbmin為煤巖動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的最小載荷。
胡家河礦實(shí)測地應(yīng)力中水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力,因此,水平應(yīng)力對采掘影響最為顯著。由于巷道均為煤巷,在頂?shù)装甯咚綉?yīng)力影響下將以頂、底板動(dòng)力顯現(xiàn)為主,而頂板和煤層分別為弱和強(qiáng)沖擊傾向性,且煤巷底板厚度達(dá)10 m,容易積聚大量彈性能。高靜載下底煤雖未超過但已接近沖擊臨界載荷,在動(dòng)載擾動(dòng)作用下極易達(dá)到動(dòng)力災(zāi)害判據(jù)(式(1))而發(fā)生動(dòng)力顯現(xiàn)。因此,胡家河礦復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)特厚堅(jiān)硬煤層底板沖擊屬于靜載主導(dǎo)型,動(dòng)靜載疊加誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害原理如圖11。圖11中,σx和σz分別為煤巖體的水平應(yīng)力和鉛直應(yīng)力,Pa;σd為工作面采掘引起的動(dòng)載荷,Pa;此時(shí)覆巖結(jié)構(gòu)破斷失穩(wěn)引起的采動(dòng)動(dòng)載在煤巖動(dòng)力災(zāi)害中起到誘發(fā)作用。
圖11 動(dòng)靜載疊加誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害原理Fig.11 Principle of dynamic disaster induced by superposition of dynamic and static loads
復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)微震活動(dòng)是以構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)并由采掘活動(dòng)誘發(fā)產(chǎn)生,與工作面生產(chǎn)息息相關(guān),尤其是推進(jìn)速度。2015年1月1日至2015年1月31日401102工作面推進(jìn)速度與微震頻次分布如圖12。
圖12 401102工作面推進(jìn)速度與微震頻次分布Fig.12 Distribution of advancing speed and microseismic frequency in 401102 working face
由圖12可知,推進(jìn)速度與微震頻次的時(shí)序特征較為一致,即震動(dòng)頻次與推進(jìn)速度呈現(xiàn)正相關(guān)。而圖6表明在強(qiáng)微震發(fā)生前,震動(dòng)次數(shù)有持續(xù)上升的趨勢,可通過控制工作面推進(jìn)速度降低強(qiáng)微震的發(fā)生概率。因此建議工作面勻速平穩(wěn)推進(jìn),在401102工作面距A3向斜軸部200 m起保持2.4 m/d(日進(jìn)3刀)的進(jìn)尺。
基于強(qiáng)度弱化減沖原理[14],采取鉆孔卸壓和超前爆破聯(lián)合解危技術(shù),實(shí)現(xiàn)對煤巖體的弱化解危,進(jìn)而降低動(dòng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。
回采期間在超前401102工作面300 m以外,對強(qiáng)危險(xiǎn)區(qū)域?qū)嵤筒亢偷装宕笾睆姐@孔,401102工作面大直徑卸壓鉆孔布置如圖13(掘進(jìn)期間已打卸壓孔用黑色實(shí)心孔表示)。
圖13 401102工作面大直徑卸壓鉆孔布置Fig.13 Layout of large diameter pressure relief boreholes in 401102 working face
此外,針對多巷煤柱與A3向斜疊加作用的強(qiáng)危險(xiǎn)區(qū)域,除了在煤體中實(shí)施大直徑卸壓鉆孔外,還需配合頂板深孔爆破,即通過深孔爆破實(shí)現(xiàn)弱化頂板強(qiáng)度、破壞厚硬頂板整體結(jié)構(gòu)、減小頂板懸露長度、增加震動(dòng)波衰減系數(shù)。401102工作面頂板深孔爆破布置如圖14。
圖14 401102工作面頂板深孔爆破布置Fig.14 Layout of deep hole blasting in roof of 401102 working face
頂板爆破需基于現(xiàn)場微震活動(dòng),即當(dāng)頻次持續(xù)升高而能量較為穩(wěn)定或略有下降時(shí),及時(shí)采取爆破卸壓人為誘發(fā)震動(dòng),從而降低動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)程度。
1)微震事件主要發(fā)生在A3向斜軸部前后200 m范圍內(nèi),強(qiáng)微震發(fā)生前,微震頻次持續(xù)上升但能量表現(xiàn)為“平靜”或下降趨勢,可作為預(yù)測復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的前兆信息。
2)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)微震活動(dòng)的主控因素以構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo),同時(shí)受到回采擾動(dòng)、多巷煤柱和采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)的耦合影響。胡家河礦特厚堅(jiān)硬煤層賦存條件易發(fā)生靜載主導(dǎo)型底板沖擊,其中采動(dòng)動(dòng)載起到誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害的作用。
3)推進(jìn)速度與震動(dòng)頻次具有明顯的一致性,工作面低速平穩(wěn)推進(jìn)配合超前卸壓可有效防控復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)的煤巖動(dòng)力災(zāi)害,其中超前卸壓措施包括大直徑鉆孔卸壓和頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)。