上覆殘采煤層不均衡空間結(jié)構(gòu)沖擊致災(zāi)研究

李 康

(1.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830027；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

近年來(lái)，隨著機(jī)械化水平的提高，煤礦開(kāi)采強(qiáng)度的日益增大，加之在堅(jiān)硬特厚巖層礦區(qū)，沖擊地壓的發(fā)生深度愈發(fā)向淺部煤層轉(zhuǎn)移[1-3]，淺埋煤層堅(jiān)硬頂板的存在[4-6]，成為誘發(fā)的強(qiáng)礦震及強(qiáng)沖擊地壓的主要因素[7-9]。在近距離煤層及多煤層開(kāi)采時(shí)，上覆保護(hù)層的開(kāi)采在一定程度上減小下部煤層的沖擊地壓發(fā)生的概率，稱(chēng)之為區(qū)域性解危措施[10-13]。但在實(shí)際回采過(guò)程中，因各種歷史原因，在上覆保護(hù)層開(kāi)采后存在的應(yīng)力集中，反而使得下部保護(hù)層局部區(qū)域處于沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域。

姜福興等[14]提出局部保護(hù)層開(kāi)采的防沖方案，通過(guò)建立力學(xué)模型推導(dǎo)出在局部保護(hù)層開(kāi)采作用下巖體應(yīng)力的計(jì)算公式，為設(shè)計(jì)的下煤層巷道的安全位置提供了理論依據(jù)；沈榮喜等[15]通過(guò)數(shù)值模擬分析認(rèn)為：下保護(hù)層開(kāi)采使得被保護(hù)工作面應(yīng)力峰值降低，使應(yīng)力峰值位置向煤體深部轉(zhuǎn)移，增大了被保護(hù)工作面圍巖的位移，有利于釋放沖擊彈性能；楊俊哲[16]通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)礦壓數(shù)據(jù)可知采動(dòng)影響導(dǎo)致上覆采空區(qū)集中煤柱失穩(wěn)引發(fā)其上覆基巖關(guān)鍵塊突然回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，進(jìn)而破壞下煤層基巖關(guān)鍵塊的鉸接結(jié)構(gòu)，使其由回轉(zhuǎn)失穩(wěn)變?yōu)槠茐男缘幕涫Х€(wěn)，上下基巖層關(guān)鍵塊體失穩(wěn)產(chǎn)生的沖擊載荷作用直接導(dǎo)致動(dòng)壓事故；藍(lán)航等[17]采用數(shù)值模擬分析了掘進(jìn)巷道通過(guò)上層保護(hù)層開(kāi)采終采線區(qū)域的應(yīng)力分布，認(rèn)為多次采動(dòng)應(yīng)力疊加是沖擊地壓發(fā)生的力源，并提出了在強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)和大孔徑鉆孔結(jié)合煤體松動(dòng)爆破的解危措施；肖劍儒等[18]分析采場(chǎng)上覆采空區(qū)及集中煤柱受采動(dòng)影響導(dǎo)致應(yīng)力集中是動(dòng)載礦壓事故發(fā)生的基本原因；王存文等[19]通過(guò)建立下保護(hù)層中殘留孤島煤柱的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析了殘留煤柱及被保護(hù)層煤體中的應(yīng)力狀態(tài)，得到煤柱外圍的強(qiáng)剪切區(qū)內(nèi)巖層受剪斷裂誘發(fā)沖擊地壓，這一過(guò)程在煤柱區(qū)附近表現(xiàn)為微震事件在煤柱區(qū)前方50 m開(kāi)始“停滯”不前，應(yīng)力出現(xiàn)分區(qū)性；蘇學(xué)貴等[20]采用理論分析、數(shù)值模擬與工程應(yīng)用的綜合方法，研究下層煤應(yīng)力分布規(guī)律、巷道群的變形破壞機(jī)制及穩(wěn)定性控制對(duì)策，認(rèn)為受煤柱壓力傳遞影響，煤柱下巷道圍巖垂直應(yīng)力急劇升高，巷道兩幫及肩部大范圍壓剪破壞，最終導(dǎo)致巷道整體失穩(wěn)。

以上作者采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析等方法對(duì)上覆保護(hù)層開(kāi)采后下部被保護(hù)層沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理及防治措施。上覆殘采煤層不均衡空間結(jié)構(gòu)即為上保護(hù)層不充分開(kāi)采遺留的開(kāi)切眼、煤柱及空間疊加等多種結(jié)構(gòu)，既有應(yīng)力集中區(qū)又有應(yīng)力減下區(qū)，相較單一的煤柱下應(yīng)力集中情況更為復(fù)雜，鮮有討論上覆殘采煤層不均衡空間結(jié)構(gòu)下誘發(fā)下部被保護(hù)煤層沖擊地壓?；诖?，針對(duì)神華新疆能源有限責(zé)任公司某礦W1123工作面上覆殘采煤層W1145不均衡空間結(jié)構(gòu)對(duì)下煤層影響，研究上覆采空條件下不均衡空間結(jié)構(gòu)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理及規(guī)律，對(duì)于類(lèi)似地質(zhì)及開(kāi)采條件下礦井的安全回采具有重要意義。

1 工程概況

W1123工作面空間位置如圖1所示，W1123綜放面位于礦井1255 水平，埋深450 m左右，可采走向長(zhǎng)度1 468 m，傾斜長(zhǎng)度192 m，其工作面向西13～745 m 段上部約40 m為B41 煤層I010405 采空區(qū)，工作面下部為B1 實(shí)體煤層。設(shè)計(jì)采高3.2 m，放煤厚度6.3 m，采放比為1∶1.97，工作面傾角平均14°，直接頂為堅(jiān)硬砂巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，具有強(qiáng)沖擊傾向性，煤層具有弱沖擊傾向性。覆巖存在B4煤層的W1143和W1145工作面的采空區(qū)及遺留煤柱，由于覆巖空間結(jié)構(gòu)分布不均衡性，造成工作面的不同區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性差異性大。同時(shí)，在B4煤層在不均衡空間結(jié)構(gòu)區(qū)域的防沖實(shí)踐表明，煤體應(yīng)力具有高應(yīng)力集中、圍巖活動(dòng)明顯變的具有劇烈的特征，曾引起掘進(jìn)工作面的沖擊顯現(xiàn)。

圖1 W1123工作面空間位置關(guān)系

2 上覆殘采煤層不均衡空間結(jié)構(gòu)沖擊致災(zāi)模擬

2.1 相似材料模型設(shè)計(jì)

為解決 W1123工作面面臨的覆巖破斷及多結(jié)構(gòu)失穩(wěn)致災(zāi)問(wèn)題，統(tǒng)籌優(yōu)化工作面開(kāi)采設(shè)計(jì)參數(shù)與沖擊地壓防控措施，搭建緩傾斜特厚煤層及沖擊傾向性頂板條件下走向物理相似模型，揭示W(wǎng)1123工作面覆巖破斷垮落的結(jié)構(gòu)及層位關(guān)系。

物理相似模擬實(shí)驗(yàn)主采B4-1煤層和B2煤層，均為緩傾斜煤層，B4-1煤層平均厚度為3 m，B2煤層平均厚度為9.5 m，B4-1煤層和B2煤層平均間距為43.8 m，B4-1煤層埋深427.9 m左右，基巖厚度421 m，松散土層厚度15.9 m，埋深427.9 m左右，B4-1煤層上方21.9 m 位置的厚15.9 m的粗粒砂巖為覆巖主關(guān)鍵層，B2煤層上方21.8 m位置的厚14 m的粗粒砂巖為覆巖亞關(guān)鍵層，礦井煤層屬于近距離深埋煤層群，采用長(zhǎng)壁綜采放頂煤，B4-1煤層工作面走向長(zhǎng)度 480 m 左右，B2煤層工作面走向長(zhǎng)度1 000 m左右。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)上覆殘采空間結(jié)構(gòu)大小，采用外形尺寸為5.0 m×0.3 m×1.5 m(長(zhǎng)×寬×高)的平面應(yīng)變模型架，即可在模型觀測(cè)到相應(yīng)的位移及破壞規(guī)律，又節(jié)約成本，最后確定模擬實(shí)驗(yàn)的幾何相似比為1∶200，按照相似定理，時(shí)間相似比為0.071，容重、泊松比、內(nèi)摩擦角相似比為1，應(yīng)力相似比為0.081，壓力相似比為2×10-7，走向物理模型巖層模擬材料配比詳見(jiàn)表1。結(jié)合壓力相似比，上覆厚210 m巖層荷載用一層鐵磚代替未模擬的載荷，模型如圖2所示。

表1 走向物理模型巖層模擬材料配比

圖2 W1123工作面走向物理相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.2 覆巖不均衡破斷位移過(guò)程

2.2.1 W1145 工作面覆巖不均衡破斷

按照工作面回采方案，W1145工作面開(kāi)切眼位于模型230 cm位置，隨著工作面推進(jìn)，上覆巖層逐漸破壞，并不斷向上擴(kuò)展，當(dāng)工作面開(kāi)采至距離開(kāi)切眼112 cm時(shí)，位移在0.25～0.50 cm的區(qū)域迅速向上發(fā)展；當(dāng)工作面開(kāi)采至距離開(kāi)切眼176 cm時(shí)，綠色云圖區(qū)域顯示出位移在0.50～0.75 cm區(qū)域，迅速發(fā)展并越過(guò)工作面上方覆巖高度81 cm，代表著不同巖層移動(dòng)值的淡綠色、綠色、黃色區(qū)域呈倒“U”型分布；當(dāng)工作面開(kāi)采至距離開(kāi)切眼200 cm時(shí)，綠色云圖區(qū)域顯示出位移在0.5～0.75 cm的區(qū)域達(dá)到模型頂部；倒“U”型位移分布愈發(fā)明顯；當(dāng)工作面開(kāi)采至距離開(kāi)切眼240 cm時(shí)，深綠色云圖區(qū)域顯示出位移在0.75～1.00 cm的區(qū)域已經(jīng)達(dá)到模型頂部。隨著工作面推進(jìn)，上覆巖體隨之下沉，巖層移動(dòng)逐漸向上發(fā)育，巖層影響區(qū)域也逐漸變大，隨著繼續(xù)推進(jìn)，巖層逐漸壓實(shí)采空區(qū)，最終趨于穩(wěn)定，如圖3所示。

圖3 W1145開(kāi)采巖層位移

2.2.2 W1123 工作面覆巖不均衡破斷

按照工作面回采方案，W1143工作面開(kāi)切眼位于模型左側(cè)38 cm位置，隨著工作面向W1145開(kāi)切巷方向推進(jìn)，在工作面距W1145開(kāi)切巷160 m時(shí)，W1123工作面仍呈倒“U”型分布，頂部巖層垮落高度在200 m(模型100 mm)，位移超前影響范圍為25 m 左右，兩工作面位移互不影響；在工作面距W1145開(kāi)切巷83.2 m時(shí)，頂部位移已超出模型邊界，兩工作面位移影響區(qū)相距約50 m，形成應(yīng)力聚集區(qū)；在工作面距W1145開(kāi)切巷0時(shí)，黃色位移云圖區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大達(dá)到模型頂部，同時(shí)工作面前方與W1145工作面影響區(qū)域貫通，綠色位移區(qū)伸向W1145采空區(qū)，表明裂隙大面積向W1145采空區(qū)延伸；在工作面過(guò)W1145開(kāi)切眼51.2 m時(shí)，在W1123工作面和W1145工作面的相互影響下，巖層位移的橙色區(qū)域范圍迅速擴(kuò)大，黃色位移云圖的區(qū)域也快速擴(kuò)大，并且主要向W1145工作面方向擴(kuò)展，綠色位移云圖區(qū)域也向W1145工作面方向擴(kuò)展，如圖4所示。

圖4 W1123 工作面回采模型覆巖下沉特征

2.3 覆巖不均衡破斷沖擊致災(zāi)性分析

2.3.1 覆巖不均衡破斷特征分析

在回采W1145工作面過(guò)程中，采空區(qū)上覆巖層存在拱形大結(jié)構(gòu)以及兩端存在鉸接巖梁結(jié)構(gòu)，將覆巖大部分重量傳遞至采空區(qū)后方的煤體和工作面前方的煤體，從而在采空區(qū)后方煤體和工作面前方形成應(yīng)力升高區(qū)，工作面前方的應(yīng)力升高區(qū)也是超前支承壓力區(qū)。

W1123工作面通過(guò)高應(yīng)力區(qū)覆巖垮落時(shí)，當(dāng)工作面回采距W1145開(kāi)切眼84 m時(shí)，覆巖垮落角為74°，兩工作面位移影響區(qū)僅相距50 m；當(dāng)工作面回采距W1145開(kāi)切眼7 m時(shí)，覆巖垮落角增大為76°，進(jìn)入采空區(qū)后，上覆巖層裂隙開(kāi)始閉合，W1123工作面與W1145工作面之間的巖層主要承受剪力作用；當(dāng)工作面回采距W1145開(kāi)切眼0 m時(shí)，工作面上方覆巖產(chǎn)生垂直的剪切裂隙溝通工作面和上方采空區(qū)，在工作面移架后，上方覆巖“倒梯形”承載結(jié)構(gòu)突然垮落，兩側(cè)采空區(qū)破斷線閉合，此處正是剪應(yīng)力最大區(qū)，也是沖擊地壓可能發(fā)生的最危險(xiǎn)區(qū)域；當(dāng)工作面回采過(guò)W1145開(kāi)切眼后，老裂隙開(kāi)始出現(xiàn)閉合，工作面上部為采空區(qū)也是應(yīng)力釋放區(qū)，回采條件有較大的改善，隨著工作面繼續(xù)回采，垮落巖層與工作面覆巖鉸接巖層失穩(wěn)垮落，工作面支架壓力降低，在回采的過(guò)程中呈現(xiàn)周期性來(lái)壓。表明W1123工作面在向上部不均衡開(kāi)采空間推進(jìn)時(shí)，最危險(xiǎn)的區(qū)域在0～80 m，一旦W1123工作面進(jìn)入上部不均衡開(kāi)采空間由于應(yīng)力釋放，W1123工作面反而安全。

2.3.2 沖擊危險(xiǎn)致災(zāi)區(qū)域分析

在模型中鋪裝10個(gè)微震探頭(紅色表示速度探頭共有6個(gè)，藍(lán)色表示加速度探頭共有4個(gè))，尺寸如圖所示。速度探頭逆時(shí)針編號(hào)依次是1、2、3、4、5、6號(hào)，加速度探頭逆時(shí)針編號(hào)依次是1、2、3、4號(hào)。工作面沿走向推進(jìn)。每次推進(jìn)單位長(zhǎng)度的過(guò)程中，同步進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)開(kāi)采擾動(dòng)條件下的巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律監(jiān)測(cè)，方案如圖6所示。

圖5 W1123 工作面高應(yīng)力區(qū)回采覆巖垮落特征

圖6 模型微震布置方案

根據(jù)相似模擬微震監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖7)得到圍巖活動(dòng)強(qiáng)烈不同程度演化過(guò)程。①區(qū)域Ⅰ：距離W1145開(kāi)切眼200～130 m。圍巖活動(dòng)具有周期性，整體上能量的釋放水平與之前的相差不大。②區(qū)域Ⅱ：距離W1145開(kāi)切眼130～73.6 m。圍巖活動(dòng)強(qiáng)度呈升高趨勢(shì)，距離W1145開(kāi)切巷73.6 m 時(shí)釋放能量最多，圍巖活動(dòng)最強(qiáng)烈。③區(qū)域Ⅲ：距離W1145開(kāi)切眼73.6～0 m。圍巖活動(dòng)強(qiáng)度相較于區(qū)域IIw不斷減弱，當(dāng)工作面推進(jìn)到實(shí)體煤下方時(shí)。④區(qū)域Ⅳ：進(jìn)入W1145開(kāi)切眼0～20 m。當(dāng)工作面推進(jìn)到上層煤采空區(qū)下方時(shí)微震事件能量開(kāi)始降低，存在W1123工作面上覆巖層與W1145開(kāi)切巷邊界貫通、頂板突然垮落的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 W1123 工作面不均衡結(jié)構(gòu)區(qū)微震活動(dòng)特征

3 工程實(shí)踐

W1123工作面布置微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)上覆殘采區(qū)域覆巖活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果確定介質(zhì)的地震波傳播速度和地質(zhì)力學(xué)特性，則可以對(duì)煤體載荷進(jìn)行反演評(píng)估，得到工作面向上覆殘采煤層不均衡空間結(jié)構(gòu)推進(jìn)過(guò)程的波速云圖，如圖8所示。

圖8 層析成像結(jié)果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)反演，獲得了圍巖活動(dòng)演化過(guò)程圍巖波速場(chǎng)，進(jìn)一步揭示工作面應(yīng)力場(chǎng)演化過(guò)程。

當(dāng)工作面推進(jìn)至距不均衡區(qū)200 m時(shí)，波速以2 500～3 500 m/s為主，層析成像以綠色為主，表明現(xiàn)場(chǎng)基本無(wú)大的應(yīng)力集中；當(dāng)工作面推進(jìn)至距離W1145開(kāi)切巷150 m時(shí)，工作面中心處波速在4 800 m/s 左右，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐分析，此段應(yīng)力集中與殘采空間無(wú)直接聯(lián)系，為當(dāng)天工作面超前預(yù)裂爆破引起的工作面前部應(yīng)力集中；當(dāng)工作面推進(jìn)至距離W1145開(kāi)切巷106 m時(shí)，波速在3 800～4 200 m/s，層析成像以黃色為主，且W1123工作面下巷顏色偏綠，上巷顏色偏黃，表明應(yīng)力開(kāi)始重新分布且逐步向工作面上巷集中；當(dāng)工作面推進(jìn)至距離W1145開(kāi)切巷42 m時(shí)，上巷應(yīng)力集中核心區(qū)波速達(dá)6 000 m/s，此段為沖擊致災(zāi)最危險(xiǎn)區(qū)域；當(dāng)工作面推進(jìn)至距離W1145開(kāi)切巷0 m時(shí)，應(yīng)力明顯卸壓，最大波速為4 700 m/s，工作面層析成像整體以綠色為主；進(jìn)入不均衡結(jié)構(gòu)區(qū)后，波速在3 700～4 100 m/s，整體進(jìn)入安全區(qū)域。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了上覆不均衡結(jié)構(gòu)對(duì)其下方煤層開(kāi)采的影響，工作面推進(jìn)位置與不均衡結(jié)構(gòu)區(qū)，相距200～100 m過(guò)程，不均衡結(jié)構(gòu)對(duì)工作面圍巖應(yīng)力影響尚未形成疊加作用，工作面圍巖應(yīng)力主要表現(xiàn)為采動(dòng)應(yīng)力與側(cè)向應(yīng)力作用特征；相距100～50 m過(guò)程，接近不均衡結(jié)構(gòu)區(qū)過(guò)程，以局部集中至整體疊加影響為主要特征；相距50～0 m過(guò)程，不均衡結(jié)構(gòu)影響分化顯著，以W1145開(kāi)切巷、W1145上平巷邊界效應(yīng)明顯分區(qū)，實(shí)測(cè)驗(yàn)證了不均衡結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊危險(xiǎn)的作用。

4 結(jié) 論

1)W1123工作面推近上覆不均衡開(kāi)采空間時(shí)裂隙向前發(fā)育?；夭蒞1123工作面時(shí)，當(dāng)工作面開(kāi)采至上層煤開(kāi)切眼正下方時(shí)，工作面前方與覆不均衡開(kāi)采空間面影響區(qū)域貫通；在W1123 工作面和 W1145 工作面的相互影響，呈倒“W”型分布形態(tài)，下沉、壓實(shí)后最終趨于穩(wěn)定。

2)結(jié)合相似模擬上覆空間結(jié)構(gòu)破斷活動(dòng)特征以及微震能量分布特征獲得的煤體應(yīng)力演化規(guī)律，得到在距上覆不均衡空間結(jié)構(gòu)區(qū)0～80 m內(nèi)沖擊危險(xiǎn)性高，易發(fā)生沖擊致災(zāi)。

3)分析現(xiàn)場(chǎng)微震波速反演，在距不均衡區(qū)域42 m左右，W1123工作面上平巷有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，此段為最危險(xiǎn)的區(qū)域；在過(guò)不均衡區(qū)域后，由于上部不均衡采空區(qū)應(yīng)力釋放的原因，W1123工作面整體應(yīng)力顯著下降。