沖擊地壓礦井不同采動強(qiáng)度下的開采擾動特征及其產(chǎn)能

崔 峰，張廷輝，來興平，王蘇健，陳建強(qiáng)，錢德雨

(1. 西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3. 自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021；4. 陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710070；5. 國家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830027；6. 中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

經(jīng)過長期大規(guī)模的開發(fā)，我國淺部煤炭資源日益枯竭，煤炭生產(chǎn)重心逐步向深部轉(zhuǎn)移，我國煤炭資源已大規(guī)模步入深部開采，但是由于深部開采過程中存在覆巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高強(qiáng)度開采、沖擊地壓防控經(jīng)驗(yàn)不足等多種問題從而導(dǎo)致深部開采過程中沖擊地壓事故頻繁發(fā)生。對于深部的定義，謝和平院士[1]指出深部不是深度，而是一種力學(xué)狀態(tài)，深部的概念應(yīng)該綜合反映深部的應(yīng)力水平、應(yīng)力狀態(tài)和圍巖屬性。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國超1 000 m深井共計(jì)47座，總產(chǎn)量達(dá)9 456萬t，平均埋深1 100 m。除上述超千米深井外，近5 a來，我國新增深部礦井16對，包括陜西彬長、永隴礦區(qū)12座礦井、呼吉爾特礦區(qū)、上海廟礦區(qū)等，而這些深部礦區(qū)將承擔(dān)我國未來主要的煤炭生產(chǎn)任務(wù)[2]。進(jìn)入深部開采后，深部巖石處于“三高一擾動”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境中，致使深部資源開采中出現(xiàn)沖擊地壓等災(zāi)害事故[3]。針對沖擊地壓災(zāi)害防治，姜耀東等[4]指出主要的防治技術(shù)包括：優(yōu)化采掘布局、對具有沖擊危險(xiǎn)性的區(qū)域進(jìn)行煤巖原位改性、增大支護(hù)強(qiáng)度及改善支護(hù)方式等。對于具體礦井而言，礦井采掘布局已基本確定，沖擊地壓的防控措施主要包括調(diào)控開采強(qiáng)度和主動卸壓改性，但綜合來看，造成高應(yīng)力集中和彈性能積聚的原因主要是高強(qiáng)度開采，如過快的開采速度、過大的采高、過大的工作面尺寸等。而關(guān)于高強(qiáng)度開采的定義，我國學(xué)者開展了大量的研究。范立民等[5]認(rèn)為工作面連續(xù)性好、采高大、推進(jìn)速度快則開采強(qiáng)度高，并將開采強(qiáng)度視為綜合反映回采工藝、回采組織與回采管理的水平。郭文兵等[6-7]從綠色開采角度分析，認(rèn)為高強(qiáng)度開采是指：厚煤層(采厚M≥3.5 m)、綜合機(jī)械化一次采全高(放頂煤或大采高支架)、工作面尺寸較大(L≥200 m)、推進(jìn)速度較快(v≥5 m/d)、工作面單產(chǎn)較大(一般500萬～1 000萬t/a以上，最小300 萬t/a)、工作面深厚比較小(埋深H與采厚M之比H/M<100)、覆巖與地表破壞嚴(yán)重的高產(chǎn)高效采煤方法，并闡述了長壁高強(qiáng)度開采引起的覆巖破壞規(guī)律研究現(xiàn)狀及其進(jìn)展。譚志祥等[8]認(rèn)為高強(qiáng)度開采具有推進(jìn)速度大、采出率高、寬深比大等特點(diǎn)。除此之外，許多學(xué)者對煤礦高強(qiáng)度開采后覆巖結(jié)構(gòu)演化及地表沉陷規(guī)律進(jìn)行了大量的研究工作，黃慶享[9-10]針對陜北淺埋煤層的礦壓特點(diǎn)，提出了淺埋煤層的定義，并揭示了陜北礦區(qū)高強(qiáng)度開采下煤層隔水巖組的“上行裂隙”和“下行裂隙”發(fā)育規(guī)律及其判據(jù)。徐祝賀等[11]采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測、理論分析等手段揭示了淺埋高強(qiáng)度開采覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律及不同開采條件下地表損傷規(guī)律與損傷機(jī)理。楊達(dá)明等[12]分析高強(qiáng)度開采后覆巖內(nèi)形成穩(wěn)定的壓力拱結(jié)構(gòu)，覆巖及地表裂縫以張開、閉合、壓實(shí)的過程重復(fù)向前發(fā)展。

以上學(xué)者從地質(zhì)條件、煤層賦存條件、開采工藝、采煤設(shè)備發(fā)展水平、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)等多個(gè)維度豐富了高強(qiáng)度的定義。但未考慮礦井產(chǎn)能與采動強(qiáng)度之間的關(guān)系，如為了深刻汲取山東能源龍鄆煤業(yè)“10·20”等沖擊地壓事故教訓(xùn)，國家煤監(jiān)局于2019年5月發(fā)布《國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于加強(qiáng)煤礦沖擊地壓防治工作的通知》[13]，規(guī)定沖擊地壓礦井生產(chǎn)規(guī)模不得超過800 萬t/a，從沖擊地壓煤礦產(chǎn)能這一角度進(jìn)一步限定了工作面的采動強(qiáng)度。譚云亮等[14]分析了不同深度、不同塑性區(qū)寬度、不同推進(jìn)度與所產(chǎn)生動能之間關(guān)系，指出開采進(jìn)尺越大，則產(chǎn)生動能就越高，降低推采速度、減少進(jìn)尺有利于降低產(chǎn)生的動能。王博等[15]指出同一推采時(shí)間下推采速度越快，基本頂懸頂距越長，斷裂前積聚的彈性能越多，超前支承壓力峰值距煤壁越近，峰值越大，易超過發(fā)生沖擊地壓的臨界值，能量釋放促使工作面煤壁發(fā)生沖擊。綜合分析可知，采掘工作面的采動強(qiáng)度越大，誘發(fā)沖擊地壓顯現(xiàn)的可能性越高。但是大部分煤礦為完成每年的生產(chǎn)指標(biāo)任務(wù)，僅根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場設(shè)備水平等進(jìn)行設(shè)計(jì)開采強(qiáng)度水平，未考慮不同開采強(qiáng)度下的開采擾動特征，易誘發(fā)沖擊地壓等動力災(zāi)害，故亟需開展不同采動強(qiáng)度下開采擾動特征的研究。

對于深部礦井，筆者以我國典型的沖擊地壓礦井孟村煤礦為研究背景，在考慮達(dá)產(chǎn)的前提下，分別以開采上下分層及整層開采為工程背景設(shè)計(jì)3種不同采動強(qiáng)度的開采方案研究不同采動強(qiáng)度下的煤巖采動力學(xué)特征及覆巖破壞特征，從而分析深埋煤層不同采動強(qiáng)度下的開采擾動特征，并基于此對沖擊地壓礦井產(chǎn)能的確定及開采方法的優(yōu)選進(jìn)行初步探討。

1 采動強(qiáng)度與沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量的關(guān)系

沖擊地壓的發(fā)生與煤炭資源的采動強(qiáng)度密切相關(guān)。圖1為我國建國以來煤炭產(chǎn)量與沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量間的關(guān)系。中華人民共和國成立70 a以來，我國煤炭產(chǎn)量由成立之初的0.32億t，增至2020年的38.4億t，凈增120倍。沖擊地壓礦井的數(shù)量也從中華人民共和國成立前的1個(gè)，發(fā)展到20世紀(jì)50年代7個(gè)、60年代12個(gè)、70年代22個(gè)。直至1985年我國煤炭產(chǎn)量達(dá)到8.5億t，1985年5月沖擊地壓礦井共32個(gè)，雖然產(chǎn)量相比中華人民共和國成立時(shí)大幅度提升，但由于采煤技術(shù)仍較為落后，開采深度較淺、采動強(qiáng)度也較低，采場及掘進(jìn)工作面圍巖所受擾動程度不高，沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量增長緩慢。從1985年算起至2008年煤炭產(chǎn)量增長2.29倍，沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量增長了2.78倍，達(dá)到了121個(gè)，2017年更是達(dá)到177個(gè)[16]。由于沖擊地壓的控制難度較大，個(gè)別沖擊地壓礦井已關(guān)閉或者停采，截至目前全國仍有132座在產(chǎn)的沖擊地壓礦井[17]。

圖1 我國煤炭產(chǎn)量與沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量

沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量與煤炭產(chǎn)量發(fā)展趨勢幾乎一致，這反映出隨著煤礦開采裝備水平的提高與礦井作業(yè)人員管理及技術(shù)水平的提升，煤炭資源的開采量大幅度上升，這直接導(dǎo)致了采動強(qiáng)度的加大，進(jìn)而產(chǎn)生了較多的沖擊地壓礦井。

進(jìn)入深部開采后，地應(yīng)力不斷增長，地應(yīng)力狀態(tài)由淺部構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)逐漸向較深部的兩向等壓應(yīng)力狀態(tài)和超深部的三向等壓應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變[18]。在淺部開采時(shí)，由于地應(yīng)力較小，開采擾動對工作面造成的影響可以由煤巖體形成的穩(wěn)定作業(yè)空間自行承受。進(jìn)入深部開采后，地應(yīng)力不斷增大，當(dāng)煤巖體達(dá)到極限破壞強(qiáng)度時(shí)，煤巖體中的高應(yīng)力和應(yīng)變能將誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害，而深部煤礦受到的采動影響是由原巖應(yīng)力、采動應(yīng)力疊加引起的，如式(1)所示。

σD+σG>[σ]

(1)

其中，σD為由于開采活動所引起的采動應(yīng)力；σG為地應(yīng)力；[σ]為煤巖極限破壞強(qiáng)度。煤巖體的極限破壞強(qiáng)度并不是一成不變的，距離采掘空間較近時(shí)煤巖體主要為單向受力狀態(tài)，煤巖體的極限破壞強(qiáng)度較小，而距離采掘空間較遠(yuǎn)時(shí)煤巖體主要為三向受力狀態(tài)，煤巖體的極限破壞強(qiáng)度較大。

如圖2所示，其中σG1為指淺部煤礦的地應(yīng)力，σG2為指深部煤礦的地應(yīng)力。在相同采動強(qiáng)度下，深部原巖應(yīng)力和采動應(yīng)力疊加所產(chǎn)生的動力災(zāi)害區(qū)S1要明顯大于淺部2者疊加所產(chǎn)生的動力災(zāi)害區(qū)S2。這也與深部礦區(qū)沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量明顯多于淺部礦沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量的實(shí)際情況相一致。

圖2 不同地應(yīng)力水平的動力災(zāi)害區(qū)示意

2 不同采動強(qiáng)度數(shù)值模擬分析

第1節(jié)分析了深部礦區(qū)相同采動強(qiáng)度下沖擊地壓等動力災(zāi)害的影響范圍及采動強(qiáng)度與沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量的關(guān)系，但隨著煤層開采深度的加大及我國裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，年產(chǎn)500萬t乃至1 000萬t的礦井比比皆是，在開采淺部的煤炭資源時(shí)不考慮采動強(qiáng)度對礦井的開采擾動影響不大，在開采深部煤炭資源時(shí)，地應(yīng)力水平不斷提高，此外現(xiàn)實(shí)煤炭企業(yè)在考慮經(jīng)濟(jì)效益的前提下，根據(jù)已有的產(chǎn)能規(guī)劃設(shè)計(jì)的采動強(qiáng)度，未考慮不同采動強(qiáng)度下的開采擾動特征，從而導(dǎo)致沖擊地壓等動力災(zāi)害事故頻發(fā)。因此在達(dá)到核定產(chǎn)能的前提下設(shè)計(jì)不同的開采強(qiáng)度，并利用數(shù)值模擬軟件分析不同采動強(qiáng)度下的開采擾動特征。

2.1 工程背景

彬長煤田沖擊地壓礦區(qū)煤層埋深普遍較大，4號煤層單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)20 MPa以上，普遍具有弱或強(qiáng)沖擊傾向性[19]。以典型沖擊地壓礦井孟村煤礦為背景開展研究，該礦煤層平均埋深659 m，平均煤厚20 m左右，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，基建期間多次發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)。根據(jù)實(shí)測資料[20]，孟村礦井首采工作面最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的比值為1.43～1.62，最大水平主應(yīng)力為垂直主應(yīng)力的1.66～2.10倍。孟村煤礦最大水平主應(yīng)力與工作面推進(jìn)方向夾角為65°～81°，且最大水平主應(yīng)力在26～38 MPa。孟村煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力6.0 Mt/a，401101工作面為礦井首采工作面，工作面走向2 090 m，傾向180 m。工作面范圍內(nèi)煤層厚度為16.0～23.9 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層傾角1°～8°，平均傾角4°，煤層視密度1.36 t/m3。目前401101工作面采用分層開采，上分層采用放頂煤法進(jìn)行回采，采煤3.5 m，放煤8.1 m，采放比2.31，日推進(jìn)度為7.2 m，圖3為孟村煤礦覆巖柱狀圖。

圖3 覆巖柱狀

2.2 數(shù)值分析軟件的選取及模型構(gòu)建

3DEC軟件具備強(qiáng)大連續(xù)介質(zhì)力學(xué)范疇內(nèi)的普遍分析能力，特別適用于離散介質(zhì)在載荷作用下靜、動態(tài)響應(yīng)問題的分析?？紤]到對頂?shù)装鍛?yīng)力、位移、能量釋放等變化規(guī)律進(jìn)行研究，選用離散元數(shù)值分析軟件3DEC進(jìn)行分析。

現(xiàn)場取樣和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)載荷達(dá)到屈服極限后，巖體在塑性流動過程中隨變形保持一定殘余強(qiáng)度。采用理想彈塑性本構(gòu)模型Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則來判斷巖體的破壞：

τ=c+σtanφ

(2)

式中，τ為剪切面上的切應(yīng)力；σ為剪切面上的正應(yīng)力；φ，c分別為內(nèi)摩擦角和黏聚力。

選取孟村煤礦401101工作面為研究對象，本次3DEC采用的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。三維模型尺寸為1 000 m×600 m×659 m，如圖4所示。最大水平地應(yīng)力設(shè)置為32 MPa，與工作面推進(jìn)方向夾角為75°，為去除邊界效應(yīng)，邊界煤柱留設(shè)50 m。

表1 主要煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 開采模擬方案設(shè)計(jì)

隨著煤炭開采研究的不斷深入及大采高液壓支架及相應(yīng)設(shè)備的不斷發(fā)展，我國推進(jìn)速度快、產(chǎn)量大、效率高等工作面越來越多。如上灣煤礦世界首個(gè)8.8 m大采高工作面、潞安王莊煤礦復(fù)雜條件7.2 m大采高工作面以及大同塔山煤礦一次采出厚度近20 m的大采高綜放工作面[21]。對于采掘工作面而言，采動強(qiáng)度的差異性主要體現(xiàn)在推進(jìn)速度、采煤厚度等參數(shù)的不同，以往研究采動強(qiáng)度時(shí)很少考慮煤礦產(chǎn)能這一重要因素，而現(xiàn)實(shí)情況是煤炭企業(yè)為了保證經(jīng)濟(jì)效益，通常會按照采掘工作面的生產(chǎn)能力來設(shè)計(jì)采動強(qiáng)度的各項(xiàng)參數(shù)，基于此在保證達(dá)產(chǎn)的前提下，取4號煤層厚度為20 m，按照式(3)分別計(jì)算開采上、下分層及整層開采3種開采方案的日推進(jìn)度。

V=AC/(10-4lhrnNka)

(3)

式中，V為采煤工作面平均日推進(jìn)度，m；AC為采煤工作面年生產(chǎn)能力，萬t；l為采煤工作面后3 a平均長度，m；h為采煤工作面煤層平均采高，放頂煤開采時(shí)為采放總厚度，m；r為原煤視密度，t/m3；n為年工作日數(shù)量，d，取330 d；N為正規(guī)循環(huán)作業(yè)系數(shù)，%，取0.8；k為采煤工作面采出率，%；a為采煤工作面平均數(shù)量。

3種不同采動強(qiáng)度的開采方案為：

方案1。結(jié)合孟村煤礦當(dāng)前的實(shí)際開采水平，設(shè)計(jì)開采4號煤層上分層，煤層厚度11.6 m，計(jì)算得出推進(jìn)速度7.2 m/d，每7.2 m開挖一步，共開挖125步。

方案2。結(jié)合目前我國最先進(jìn)的煤炭開采工藝及水平，開采4號煤層上分層后，待覆巖垮落穩(wěn)定后，再開采下分層，煤層厚度8.4 m，計(jì)算得出推進(jìn)速度9.6 m/d，每9.6 m開挖一步，共開挖94步。

方案3?？紤]未來采煤工藝的發(fā)展與液壓支架及相關(guān)設(shè)備的提升，4號煤層整層開采，煤層厚度20 m，計(jì)算得出推進(jìn)速度4.0 m/d，每4.0 m開挖一步，共開挖225步。

2.4 數(shù)值模擬模型校核

基于孟村煤礦401101工作面設(shè)計(jì)的開采強(qiáng)度，開采上分層，采高11.6 m，推進(jìn)速度為7.2 m/d。首先模擬方案1，并對模型進(jìn)行校核。通過3DEC數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析，401101工作面達(dá)到充分采動后垮落帶發(fā)育高度為48.50 m，為采厚的4.18倍，導(dǎo)水裂隙帶高度為210.53 m，為采厚的18.15倍，如圖5所示，與文獻(xiàn)[22]實(shí)測的孟村煤礦開采的特厚煤層頂板兩帶發(fā)育高度數(shù)據(jù)裂采比為18.58倍， 垮采比為4.25倍相似，數(shù)值模擬模型合理，可用于不同開采厚度、推進(jìn)速度的數(shù)值模擬分析。

2.5 不同采動強(qiáng)度下采動應(yīng)力及能量擾動特征

2.5.1底板應(yīng)力演化規(guī)律

采動強(qiáng)度將會引起覆巖應(yīng)力發(fā)生改變，利用數(shù)值模擬來研究不同采動強(qiáng)度下底板應(yīng)力演化規(guī)律。統(tǒng)計(jì)3DEC數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的4號煤從開切眼至回采結(jié)束整個(gè)過程的底板應(yīng)力變化規(guī)律，分別導(dǎo)出3個(gè)方案的底板應(yīng)力數(shù)據(jù)并繪制圖6。當(dāng)工作面推進(jìn)至750～900 m，此階段處于上覆巖層達(dá)到充分采動后繼續(xù)推進(jìn)范圍內(nèi)，頂板變形失穩(wěn)受采動影響相比于未達(dá)到充分采動階段時(shí)較小，基本頂相鄰關(guān)鍵塊之間的擠壓力未達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度，所以頂板未破斷懸于底板上方，故底板壓力基本為0。在模型兩側(cè)保護(hù)煤柱上方均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，且發(fā)生應(yīng)力集中的位置基本一致，分別距離401101工作面開切眼處和終采處2 m與10 m處。方案1,2，3所對應(yīng)的模型兩側(cè)煤柱應(yīng)力集中最大分別達(dá)到60,50,70 MPa左右。在4號煤回采的過程中，方案1,2，3的最大底板應(yīng)力分別達(dá)到66.94,76.02,68.92 MPa，方案2與方案1,3相比，回采方案2時(shí)受重復(fù)采動的影響，兩側(cè)保護(hù)煤柱在原有應(yīng)力集中的基礎(chǔ)上，上覆巖層的應(yīng)力重復(fù)分布，造成應(yīng)力疊加，故應(yīng)力集中峰值最大，而方案3與方案1相比，由于前者采厚約為后者的1.72倍，故方案3的應(yīng)力集中峰值高于方案1。而方案2,3回采過程中出現(xiàn)的應(yīng)力驟增的現(xiàn)象是由于懸頂面積較大，垮落時(shí)伴隨能量大量釋放所引起的。

圖6 不同開采方案底板應(yīng)力變化特征

2.5.2頂板壓力演化規(guī)律

通過研究超前支承壓力峰值及其影響范圍分析不同開采方案不同推進(jìn)距離的頂板壓力演化規(guī)律，根據(jù)不同開采方案的頂板應(yīng)力數(shù)據(jù)，繪制出推進(jìn)距離為240,430,620,810 m四個(gè)推進(jìn)距離回采結(jié)束后的煤層頂板的超前支承壓力演化趨勢，如圖7所示。

圖7 不同開采方案超前支承壓力演化規(guī)律

由圖7(a)可知，工作面超前支承壓力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，推至430 m時(shí)應(yīng)力峰值達(dá)到60.80 MPa；由圖7(b)可知，受上分層采空區(qū)的影響，推進(jìn)至240 m時(shí)頂板隨采隨落，工作面前方應(yīng)力難以積聚，而當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至模型中部時(shí)，由于上方采空區(qū)重新壓實(shí)形成了再生頂板，圍巖應(yīng)力重新分布的并形成了應(yīng)力集中現(xiàn)象，超前支承壓力波動范圍在50～62 MPa；由圖7(c)可知，隨工作面不斷推進(jìn)超前支承壓力呈線性增長趨勢，超前應(yīng)力峰值最大可達(dá)75.76 MPa。

表2為不同開采方案的超前支承壓力顯現(xiàn)特征參數(shù)，在達(dá)產(chǎn)的前提下，對于分層開采而言，上分層開采厚度大推進(jìn)速度慢與下分層開采厚度小推進(jìn)速度快的應(yīng)力集中系數(shù)集中在3～4內(nèi)，表明相同煤炭產(chǎn)出量的約束下，上下分層開采強(qiáng)度對于頂板應(yīng)力的影響效果差異較??；對于整層開采而言，由于采厚巨大，高達(dá)20 m，雖然推進(jìn)速度最小，但應(yīng)力集中系數(shù)呈線性增長且大于分層開采，表明在產(chǎn)能的約束下，整層開采的采動強(qiáng)度要大于開采上下分層的采動強(qiáng)度。綜合分析表明工作面采動強(qiáng)度越大，超前支承壓力峰值、應(yīng)力集中系數(shù)影響范圍越大。

表2 不同開采方案超前支承壓力顯現(xiàn)特征

圖7(b)可以觀察到，開采方案2時(shí)，不同推進(jìn)距離的模型右側(cè)煤柱上方均出現(xiàn)了應(yīng)力異常現(xiàn)象，超前支承壓力高達(dá)72.69 MPa，這是由于上分層回采結(jié)束后臨近模型右側(cè)保護(hù)煤柱處形成大面積懸頂，超長頂板左側(cè)與4號煤下分層接觸位置位于工作面走向長度840 m，而回采區(qū)域4為推進(jìn)至810 m，故頂板受采動影響較小，未破斷垮落，模型右側(cè)保護(hù)煤柱上方的應(yīng)力集中現(xiàn)象一直存在，如圖8所示。

圖8 4號煤上分層回采結(jié)束后局部放大

2.5.3能量釋放規(guī)律

動力災(zāi)害最重要的誘因之一為覆巖垮落釋放的大量能量，故研究不同采動強(qiáng)度下能量的演化規(guī)律至關(guān)重要。由于采動影響造成圍巖應(yīng)力重新分布，在不同的采動強(qiáng)度下，工作面上覆巖層中的三向應(yīng)力擾動狀態(tài)大不相同，覆巖破壞釋放的能量大小也不盡相同，為分析不同開采方案的應(yīng)變能演化趨勢，結(jié)合式(4)三向應(yīng)力狀態(tài)下巖體的應(yīng)變能密度公式[23]，分析不同開采方案下覆巖垮落誘發(fā)的能量釋放展布特征。

(4)

式中，U為巖體彈性勢能，J/m3；E為巖體彈性模量，Pa；σ1，σ2，σ3為巖體三向應(yīng)力，Pa；μ為巖體泊松比。

將孟村煤礦401101工作面4號煤層回采過程中所受的三向應(yīng)力及煤體的彈性模量、泊松比代入式(4)計(jì)算得出煤體的應(yīng)變能密度，繪制出不同推進(jìn)距離的應(yīng)變能密度演化趨勢，如圖9所示。通過分析對比不同推進(jìn)距離的能量釋放特征可知，不同推進(jìn)距離的應(yīng)變能密度分布規(guī)律整體呈現(xiàn)相似性，將回采應(yīng)變能密度演化趨勢劃分為采空區(qū)應(yīng)變能降低階段、應(yīng)變能增大階段和應(yīng)變能穩(wěn)定階段。應(yīng)變能降低階段采空區(qū)右側(cè)頂板破碎程度最小，應(yīng)變能密度最低，采空區(qū)左側(cè)存在一定的離層裂隙，而采空區(qū)中部破碎巖石被重新壓實(shí)，故應(yīng)變能密度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；應(yīng)變能增大階段方案1,2的工作面前方受超前支承壓力的影響，應(yīng)變能密度明顯增大；而方案3相比于方案1,2存在明顯的應(yīng)變能峰值前移現(xiàn)象，前移距離為50～60 m。應(yīng)變能密度峰后階段為應(yīng)變能穩(wěn)定階段，而方案2中出現(xiàn)的應(yīng)變能激增是由圖8中的大面積懸頂造成的。隨著推進(jìn)距離的增大，采空區(qū)破碎矸石逐漸壓密，故采空區(qū)局部出現(xiàn)應(yīng)變能增大的現(xiàn)象。

圖9 不同推進(jìn)距離的應(yīng)變能密度演化趨勢

2.6 沖擊危險(xiǎn)性評估

影響沖擊危險(xiǎn)性的因素很多，目前國內(nèi)公認(rèn)的沖擊危險(xiǎn)性工程判據(jù)的最基本的力學(xué)機(jī)理可簡要地概括為“引起沖擊的應(yīng)力至少要大于煤巖的單軸抗壓強(qiáng)度且煤巖具有沖擊傾向性”[24-26]。圍巖外應(yīng)力與圍巖抗壓強(qiáng)度的比值常作為衡量沖擊危險(xiǎn)性的指數(shù)，該指數(shù)在小于1.0，1.0～1.5，1.5～3.0、大于3.0時(shí)其對應(yīng)的沖擊危險(xiǎn)性可劃分為無危險(xiǎn)性、弱危險(xiǎn)性、中等危險(xiǎn)性、強(qiáng)危險(xiǎn)性4種危險(xiǎn)性[27]。筆者針對寬溝煤礦強(qiáng)沖擊傾向性煤層上行復(fù)采沖擊危險(xiǎn)性評估時(shí)提出了沖擊地壓危險(xiǎn)性指數(shù)Im[28]。將孟村煤礦具有沖擊傾向性的4號煤層上部覆巖載荷與該煤體的單軸抗壓強(qiáng)度之比記為Im，即指401101工作面回采而引起的動態(tài)變化的煤體單位面積所受覆巖載荷與煤樣單軸抗壓強(qiáng)度之比，計(jì)算公式為

(5)

式中，P為4號煤層上覆巖層所承受總載荷，kN；SL為4號煤層待采總面積，m2；σc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

通過監(jiān)測不同開采區(qū)域的4號煤層單位面積內(nèi)所受的上覆載荷以及4號煤體的單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算得出不同開采方案的沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)，如圖10所示?；夭刹煌瑓^(qū)域時(shí)隨推進(jìn)距離不斷增大3種方案沖擊地壓危險(xiǎn)均不斷增大。在推進(jìn)距離350 m之前，方案1與方案3的沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)趨勢基本一致，逐漸從弱沖擊危險(xiǎn)性過渡到中等沖擊危險(xiǎn)性，但方案2在這一階段處于無沖擊危險(xiǎn)區(qū)域；350 m至回采結(jié)束階段范圍內(nèi)，方案3的沖擊危險(xiǎn)性最高，方案2次之，方案1最小。綜合分析可知，整層開采的沖擊危險(xiǎn)性要高于分層開采，且分層開采時(shí)推進(jìn)速度越快沖擊危險(xiǎn)性越高。

圖10 不同開采方案的沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)

3 不同采動強(qiáng)度下覆巖擾動特征

采動強(qiáng)度主要影響采場上覆巖層的垮落結(jié)構(gòu)及形態(tài)。不同開采方案的主要變量為采厚和推進(jìn)速度，由此分別分析采厚及對推進(jìn)速度對上覆巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)的影響，研究不同采動強(qiáng)度下的覆巖垮落結(jié)構(gòu)特征。

3.1 采厚對覆巖垮落結(jié)構(gòu)特征的影響

在一定的地質(zhì)條件下，采厚是影響上覆巖層破斷程度的最重要因素之一，采厚越大，地下采出空間越多，必然導(dǎo)致上覆巖層破壞越嚴(yán)重。根據(jù)錢鳴高院士提出的“砌體梁”的“S-R”穩(wěn)定理論，鉸接點(diǎn)A失穩(wěn)形式包括：滑落失穩(wěn)和回轉(zhuǎn)失穩(wěn)[29](圖11)，而B關(guān)鍵塊的維穩(wěn)需要滿足

圖11 2個(gè)關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)運(yùn)動受力

(1)滑落失穩(wěn)：Ttanφ≥QA;

(2)回轉(zhuǎn)失穩(wěn)：T/α≥ησc；

式中，T為巖塊間水平擠壓力；tanφ為巖塊間摩擦因數(shù)，一般取0.3；QA為塊體A與關(guān)鍵塊B鉸接處A點(diǎn)的最大剪切力；QC為關(guān)鍵塊C與相鄰巖塊的鉸接處C點(diǎn)的最大剪切力；T/α為相鄰巖塊接觸面上的平均擠壓應(yīng)力；ησc為巖塊在端角處的擠壓強(qiáng)度；P1和P2分別為關(guān)鍵塊B和關(guān)鍵塊C的自重應(yīng)力；θ1和θ2分別為關(guān)鍵塊B和關(guān)鍵塊C的回轉(zhuǎn)角；W1和W2分別為關(guān)鍵塊B和關(guān)鍵塊C的下沉量；R為矸石對關(guān)鍵塊C的支撐反力;l為關(guān)鍵塊C的長度。

“砌體梁”中關(guān)鍵塊B的下沉量W1與直接頂總厚度∑h、采厚M及巖層破斷后的松散系數(shù)KP有關(guān)：

W1=M-∑h(KP-1)

(6)

根據(jù)文獻(xiàn)[30]“砌體梁”的全結(jié)構(gòu)力學(xué)模型得出的力學(xué)解析解式(7)，(8)得出滑落失穩(wěn)的判別式(9).

(7)

(8)

(9)

式中，P1為上覆巖層垂直作用力；i為斷裂度。

由幾何關(guān)系可知W1=lsinθ1，由此推導(dǎo)出滑落失穩(wěn)極限平衡時(shí)斷裂度i和采厚M的關(guān)系為

(10)

由式(10)可知，對于單個(gè)煤礦而言，直接頂厚度、巖體松散系數(shù)、關(guān)鍵塊的摩擦因數(shù)是恒定值，故斷裂度與采厚呈線性關(guān)系，采高越大，頂板的斷裂程度越高，必然導(dǎo)致工作面上覆巖層破壞越嚴(yán)重。

對于回轉(zhuǎn)失穩(wěn)而言，影響回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)的關(guān)鍵是回轉(zhuǎn)角θ1，而回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的極限平衡方程為

(11)

由式(11)可知，當(dāng)采厚增大時(shí)回轉(zhuǎn)角也隨之增大，造成關(guān)鍵塊B,C接觸處咬合點(diǎn)擠碎而形成回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)。根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)條件，l取15 m，采厚M為3～20 m，直接頂總厚度取13.33 m，KP取1.5，tanφ取0.3，分別代入式(10)，(11)，可得不同采厚下斷裂度i及關(guān)鍵塊B回轉(zhuǎn)角θ1的變化曲線，如圖12所示。

由圖12可知，隨著工作面采厚的增大，“砌體梁”結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵塊體的斷裂度i及關(guān)鍵塊B回轉(zhuǎn)角θ1近似呈現(xiàn)線性增大趨勢，由此可知，方案3的斷裂度分別約為方案1,2的1.77倍、2.50倍，回轉(zhuǎn)角分別約為方案1,2的3.36倍、9.50倍，故整層開采覆巖失穩(wěn)的可能性要大于分層開采，與依據(jù)覆巖應(yīng)力評估3種開采方案的沖擊危險(xiǎn)性結(jié)果一致。

圖12 不同采厚下斷裂度及回轉(zhuǎn)角變化曲線

3.2 推進(jìn)速度對覆巖垮落結(jié)構(gòu)特征的影響

上覆巖層破斷后，巖塊間的相互咬合經(jīng)歷“穩(wěn)定—失穩(wěn)—再穩(wěn)定”的變化，從而形成工作面周期來壓。劉金海等[31]指出推進(jìn)速度過快容易造成多頂板勢能轉(zhuǎn)化和多煤層應(yīng)變能均衡釋放，非均勻推采導(dǎo)致煤層應(yīng)變能集中釋放。王猛等[32]通過建立了考慮矸石壓縮效應(yīng)的“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型，提出加快推進(jìn)速度將顯著減小采空區(qū)矸石的壓縮程度。如圖13所示，一定時(shí)間內(nèi)，當(dāng)工作面推進(jìn)速度加快時(shí)，關(guān)鍵塊C的回轉(zhuǎn)角明顯減小，關(guān)鍵塊B與關(guān)鍵塊C的鉸接方式由點(diǎn)接觸逐漸向線接觸轉(zhuǎn)化，從而增加了2者之間的水平擠壓力T導(dǎo)致關(guān)鍵塊B鉸接處擠壓破碎，從而增大了回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的可能性。

圖13 推進(jìn)速度對2個(gè)關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)的影響

將方案1與方案2所造成的沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行對比，前者采厚為11.6 m，推進(jìn)速度為 7.2 m/d，后者采厚8.4 m，推進(jìn)速度為9.6 m/d，由3.1節(jié)分析可知采厚越大沖擊危險(xiǎn)性越高，但是后者的沖擊危險(xiǎn)性在推進(jìn)340 m之后甚至高于前者，表明推進(jìn)速度快更易誘發(fā)上覆巖層破斷及能量大量釋放，導(dǎo)致沖擊危險(xiǎn)性增大。

3.3 覆巖破壞高度及范圍

深部煤礦高強(qiáng)度開采對上覆巖層破壞主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一方面高強(qiáng)度開采引起的“兩帶”發(fā)育高度較大；另一方面覆巖由原本的“三帶”發(fā)育形式轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟蓭А卑l(fā)育模式[33]。通過現(xiàn)場觀測、理論公式計(jì)算機(jī)相似模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述2個(gè)方面[34]。根據(jù)三維模型工作面開采過程中的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，統(tǒng)計(jì)不同開采方案下垮落帶發(fā)育高度HK與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度HD及與采厚M之比，見表3。由于方案2為在4號煤層上分層回采結(jié)束后繼續(xù)開采下分層，方案1的實(shí)際采厚最小，兩帶發(fā)育高度最低，方案2開采時(shí)上分層采空區(qū)逐漸壓密，起到一定的支撐作用，方案3屬于整層開采，故方案3的兩帶發(fā)育高度要大于方案2。

表3 不同開采方案下“兩帶”發(fā)育高度特征

4 基于開采擾動特征的礦井產(chǎn)能確定及開采方法優(yōu)選

2020-12-23，國家礦山安全監(jiān)察局頒布了《進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦沖擊地壓防治工作的通知》，在其附件《煤礦沖擊地壓防治示范礦井建設(shè)基本要求》第7條中明確提出，應(yīng)當(dāng)按礦井防沖要求，確定采煤工作面推進(jìn)速度和礦井生產(chǎn)能力，確保礦井采掘布局和接續(xù)合理，堅(jiān)決杜絕采掘接續(xù)緊張[35]。對于沖擊礦壓礦井而言，為實(shí)現(xiàn)“零沖擊”的目的，必須確定合理的開采強(qiáng)度。第2，3節(jié)分析了不同采動強(qiáng)度下的開采擾動特征，并對不同的采動強(qiáng)度進(jìn)行了沖擊危險(xiǎn)性評估。

綜合分析可知，采掘工作面的采動強(qiáng)度越大，開采擾動程度越高，沖擊地壓顯現(xiàn)的可能性也越大。一方面，沖擊地壓礦井產(chǎn)能是設(shè)計(jì)采動強(qiáng)度根本因素之一；另一方面，開采方法也是影響工作面采動強(qiáng)度的重要參數(shù)之一。因此可以將沖擊地壓礦井不同采動強(qiáng)度下的開采擾動特征應(yīng)用于礦井產(chǎn)能確定及開采方法優(yōu)選等方面。

4.1 當(dāng)前煤礦產(chǎn)能確定方法及不足

當(dāng)前煤礦主要從礦井生產(chǎn)系統(tǒng)能力、地質(zhì)條件、設(shè)備水平、經(jīng)濟(jì)能力等多方面利用多種方法如層次分析法、模糊數(shù)學(xué)法等設(shè)計(jì)煤礦產(chǎn)能，恰恰沒有涉及最核心的礦井自身。2020-11-20，國家應(yīng)急管理部頒布了《煤礦重大事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)》[36]，其中15項(xiàng)煤礦重大事故隱患第1項(xiàng)即為：超能力、超強(qiáng)度或者超定員組織生產(chǎn)。由此可知，對于煤礦而言，首先要確定煤礦的合理產(chǎn)能，嚴(yán)禁超能力生產(chǎn)；其次針對現(xiàn)有的煤礦，要依據(jù)恒定產(chǎn)能下由采動活動引起的煤巖采動力學(xué)響應(yīng)特征來確定煤礦的合理開采強(qiáng)度，不能僅根據(jù)煤層賦存特征、地質(zhì)條件、現(xiàn)有的采掘支護(hù)設(shè)備水平及經(jīng)驗(yàn)來確定煤礦的開采強(qiáng)度界限，嚴(yán)禁超強(qiáng)度開采。

4.2 礦井產(chǎn)能的確定方法

當(dāng)前煤礦產(chǎn)能的設(shè)計(jì)依據(jù)主要包括客觀條件和主觀條件，客觀條件主要有礦井地質(zhì)條件、采區(qū)回采率、煤炭資源可采儲量及服務(wù)年限等，主觀條件包括采煤方法、地面生產(chǎn)系統(tǒng)水平、現(xiàn)有裝備水平、礦井實(shí)際經(jīng)濟(jì)水平等。此外，礦井在設(shè)定產(chǎn)能的約束下設(shè)計(jì)工作面的采動強(qiáng)度，由于未考慮煤巖體的力學(xué)響應(yīng)，從而不合理的采動強(qiáng)度容易誘發(fā)多種動力災(zāi)害。因此可以根據(jù)不同采動強(qiáng)度的開采擾動程度反向調(diào)節(jié)采動強(qiáng)度，在確保安全開采的前提下確定合理的采動強(qiáng)度，如采掘工作面推進(jìn)速度、采厚等參數(shù)，進(jìn)而確定礦井的合理產(chǎn)能。

沖擊地壓礦井合理產(chǎn)能應(yīng)該包括2個(gè)方面：① 對于新礦井而言，為了盡可能減少煤礦災(zāi)害事故的發(fā)生，礦井設(shè)計(jì)前期就要利用理論分析、數(shù)值模擬等多種方法設(shè)計(jì)合理的開采強(qiáng)度，從而確定煤礦的合理產(chǎn)能；② 對于已建成礦井，如若當(dāng)前的開采強(qiáng)度經(jīng)常誘發(fā)動力災(zāi)害，一方面可以重新核定產(chǎn)能，降低采動強(qiáng)度，另一方面在保持當(dāng)前產(chǎn)能的前提下，可以實(shí)施煤巖改性[37-38]，改變煤巖力學(xué)行為。從上述2方面來降低發(fā)生動力災(zāi)害的可能性，具體方法如圖14所示。

4.3 基于開采擾動特征優(yōu)選開采方法

綜合分析不同開采方案的開采擾動特征，可知對于孟村煤礦當(dāng)前的地質(zhì)條件，為了降低孟村煤礦動力災(zāi)害發(fā)生的可能性需要根據(jù)工作面開采擾動特征對孟村煤礦的開采方法進(jìn)行選擇。

從不同采動強(qiáng)度下的開采擾動特征分析，整層開采的圍巖應(yīng)力、超前支承壓力及沖擊危險(xiǎn)性均大于開采上下分層；進(jìn)而對比開采上分層與下分層所造成的沖擊危險(xiǎn)性，前者采厚為11.6 m，推進(jìn)速度為7.2 m/d，后者采厚8.4 m，推進(jìn)速度為9.6 m/d，由3.1節(jié)分析可知采厚越大沖擊危險(xiǎn)性越高，但是后者的沖擊危險(xiǎn)性在推進(jìn)340 m之后甚至高于前者，表明推進(jìn)速度快更易誘發(fā)上覆巖層破斷及能量大量釋放，導(dǎo)致沖擊危險(xiǎn)性增大。

綜合分析可知，孟村采取分層開采的方式是合理的，但其在當(dāng)前采動強(qiáng)度下易造成動力災(zāi)害事故，故一方面需要主動加強(qiáng)現(xiàn)場煤巖力學(xué)改性，另一方面需要重新核定產(chǎn)能，根據(jù)不同采動強(qiáng)度下的開采擾動特征重新確定合理開采強(qiáng)度，進(jìn)而確定合理產(chǎn)能。

5 結(jié) 論

(1)通過分析我國煤礦煤炭開采量、開采深度與沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量關(guān)系，得出進(jìn)入深部開采后隨煤炭資源量、開采深度、采動強(qiáng)度的不斷增大，沖擊地壓礦井?dāng)?shù)目逐漸增多。并指出相同采動強(qiáng)度下，深部礦井發(fā)生沖擊地壓的可能性明顯高于淺部礦井。

(2)以典型深部沖擊地壓礦井孟村煤礦為工程背景，在產(chǎn)能的約束下設(shè)計(jì)了3種不同采動強(qiáng)度的開采方案，利用3DEC數(shù)值分析軟件及理論分析揭示了不同采動強(qiáng)度下的煤巖體采動應(yīng)力特征、能量演化規(guī)律及覆巖垮落結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明整層開采的沖擊危險(xiǎn)性要高于分層開采。

(3)不同開采強(qiáng)度的主要變量為采厚及推進(jìn)速度，增大采厚會提高砌體梁結(jié)構(gòu)的斷裂度及關(guān)鍵塊的回轉(zhuǎn)角，提高了滑落失穩(wěn)及回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的可能性；加快推進(jìn)速度會導(dǎo)致鉸接巖塊之間的水平推力增大，提高了回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的可能性，更易誘發(fā)上覆巖層破斷及能量大量釋放，從而導(dǎo)致沖擊危險(xiǎn)性增大。

(4)揭示了目前煤礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能的不足之處，提出了根據(jù)不同采動強(qiáng)度下的開采擾動特征反向確定礦井合理的采動強(qiáng)度，進(jìn)而確定的礦井合理產(chǎn)能的方法，主要包括降低產(chǎn)能和實(shí)施煤巖力學(xué)改性，并對孟村煤礦的開采方法進(jìn)行了優(yōu)選。