保護層開采上覆遺留煤柱影響區(qū)沖擊危險性分析

王建輝，閆耀東，張永濤，汪海平，趙 森，郝電偉

(1.陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

隨著當前國內(nèi)井工開采礦井的采掘強度及深度的逐漸增加，沖擊地壓問題日益凸顯，沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生嚴重影響了礦井的安全生產(chǎn)[1-6]。然而現(xiàn)有的防治沖擊地壓的手段如頂板預裂爆破、煤層爆破卸壓等措施受制于當前裝備與技術(shù)水平，卸壓手段作為一種局部范圍的保守防范方法，存在卸壓效果時效性明顯、卸壓范圍有限、對煤體及支護破壞嚴重的問題，難以從根本上消除沖擊地壓風險[7-9]。區(qū)域防范方法是對井田或采區(qū)范圍內(nèi)大的應(yīng)力環(huán)境進行調(diào)整，可以從根本上解決沖擊地壓的發(fā)生問題，保護層開采屬于區(qū)域防范的一種手段[10-12]。

對于保護層開采的研究主要集中在防治煤與瓦斯突出領(lǐng)域[13-15]，在沖擊地壓防治領(lǐng)域近年來開展深入研究。姜福興[16]根據(jù)理論結(jié)合實際的方法，分析了局部保護層的寬度與被保護層寬度之間的關(guān)系，提出局部保護層開采的減壓機理；朱月明[17]以木城澗礦大臺井急傾斜保護層開采為研究對象，分析了保護層開采裂隙帶發(fā)育及卸壓范圍；沈榮喜[18]對七臺河礦區(qū)煤層群特點研究了近距離保護層開采防治沖擊地壓的機理與技術(shù)；雷武林[19]以葫蘆素煤礦近距離煤層群上保護層為研究背景，分析了保護層對下伏煤巖的卸壓防沖效應(yīng)；潘俊鋒[20]以華豐礦4層煤與6層煤數(shù)值模擬及實際觀測結(jié)果，驗證了保護層開采在防治沖擊地壓方面具有良好效果，同時也指出保護層內(nèi)留設(shè)煤柱對于被保護層開采時沖擊地壓的防治具有不利影響，也是本文研究的出發(fā)點，探討保護層開采上覆遺留煤柱影響區(qū)的沖擊危險性。

1 工作面概況

大佛寺煤礦40201工作面是402采區(qū)北翼布置的第一個綜放工作面，40201工作面走向長1610 m，傾向300 m，工作面布置如圖1所示。

該工作面西部4煤為實體煤，4上煤為41203工作面采空區(qū)；東部4煤為401采區(qū)內(nèi)40105、40107、40109、40111工作面采空區(qū)，40201工作面距401采區(qū)內(nèi)各工作面采空區(qū)留設(shè)的煤柱寬度分別為56，51，52和55 m，4上煤為41103、41104、41105、41106工作面采空區(qū)；北部為405采區(qū)邊界；南部為4煤開拓大巷；工作面上方為41201、41203采空區(qū)以及兩工作面間區(qū)段煤柱。40201運輸巷道與41201運輸巷道錯距16 m，40201回風巷道與41203運輸巷道錯距16 m，40201切眼內(nèi)錯41201切眼18 m。工作面設(shè)計終采線距4煤西部2#輔運大巷188 m，可采長度1422 m。

根據(jù)40201工作面附近D61鉆孔資料可知，煤層上方30 m存在單層厚度為10.21 m的粉砂巖。煤體被采出后，直接頂隨工作面的推進不斷垮落，而上部厚硬頂板懸而不垮，將傳遞上覆巖層的重力至工作面前方及側(cè)向煤體，相應(yīng)地產(chǎn)生超前及側(cè)向支承壓力，支承壓力作用范圍內(nèi)煤巖層的彈性能水平顯著提高，沖擊危險性增大。之后厚硬頂板在破斷過程或滑移過程中，懸空頂板積聚的大量彈性能突然釋放，將形成強烈的動載荷，導致沖擊地壓等動力災(zāi)害的發(fā)生。

2 沖擊地壓發(fā)生主控因素及微震分布特征

2.1 主控因素分析

1)工作面見方垮落影響。工作面采空區(qū)見方垮落一般是指當工作面的推進距離和采空區(qū)寬度大致相等時，采空區(qū)上覆某一巖層(組)的初次整體垮落。見方垮落時頂板運動劇烈，易導致采掘巷道礦壓顯現(xiàn)異常，甚至誘發(fā)動力災(zāi)害[21]。40201工作面單面見方范圍與Fx斷層及F1斷層存在重疊，當40201工作面回采推進至該區(qū)域時，沖擊潛在風險極大。

2)構(gòu)造應(yīng)力的影響。斷層影響區(qū)沖擊地壓發(fā)生機理如圖2所示[22]，由圖2(a)可知，隨著工作面回采靠近Fx及F1斷層時，超前支承壓力σ1的前移受阻與斷層影響區(qū)的集中應(yīng)力σ2疊加，致使采場覆巖壓力大都作用在當前工作面與斷層面之間的煤體上形成疊加應(yīng)力σ3，該處煤體內(nèi)支承壓力大幅增加。同時斷層構(gòu)造區(qū)域存在著地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場，在較高支承壓力和構(gòu)造應(yīng)力異常的雙重作用下，斷層帶附近煤巖體發(fā)生沖擊的可能性將會顯著加大，工作面回采擾動對斷層活化起到促進作用，斷層活化帶來的動載擾動反作用于疊加后的高應(yīng)力集中區(qū)從而誘發(fā)沖擊啟動，斷層構(gòu)造應(yīng)力影響區(qū)域存在較高沖擊危險性。

圖2 斷層影響區(qū)沖擊地壓發(fā)生機理

3)上覆遺留煤柱影響。40201工作面平均開采深度約475 m，已達到發(fā)生沖擊地壓的臨界深度。該工作面上覆41201工作面平均開采深度約455 m，兩工作面隔厚5～30 m，鑒于上下煤層之間的影響關(guān)系，在下煤層回采巷道的布置過程中，回采巷道位置的選擇主要取決于上煤層煤柱的應(yīng)力影響情況。在巷道的內(nèi)錯布置方案中，定義上煤層巷道與下煤層巷道之間的水平距離為內(nèi)錯距，用來衡量多煤層開采時下層煤回采巷道的布置位置。內(nèi)錯距作為近距離煤層開采過程中一個重要的參量，對下煤層巷道布置有著至關(guān)重要的影響。

根據(jù)礦山壓力傳遞規(guī)律，上煤層區(qū)段煤柱所形成支承壓力在底板巖層內(nèi)將有一定的傳遞范圍，且隨遠離煤層而逐漸衰減，支承壓力沿水平方向在底板巖層中的傳播規(guī)律是與煤柱邊界線法線成一定夾角的范圍內(nèi)向外擴展。因此，40201工作面巷道必須布置在支承壓力影響線之外，才能避開4上煤遺留煤柱集中應(yīng)力的影響。

40201工作面巷道與4上煤煤柱錯距計算如圖3所示，40201工作面巷道內(nèi)錯距離Ln為：

圖3 40201工作面巷道與4上煤煤柱錯距計算

Ln≥(h1+h2)tanφ

式中，Ln為4上煤區(qū)段煤柱邊界與40201工作面巷道的水平間距，m；φ為應(yīng)力傳播影響角，近水平煤層角度取15°；h1為4上煤與40201工作面間巖層厚度，取5～30 m；h2為40201工作面煤層厚度，取7.5 m。

經(jīng)計算，當煤層間距為5.5 m時，計算得Ln≥3.48 m；當煤層間距為30 m時，計算得Ln≥10.05 m。

受4上煤遺留煤柱影響40201工作面回采巷道布置在煤柱線外16 m，根據(jù)理論計算推測回風巷道并未位于上覆遺留煤柱直接影響區(qū)域內(nèi)，但在工作面實際生產(chǎn)中仍具有一定的沖擊危險性，如圖4所示。

圖4 40201工作面多因素耦合沖擊危險性區(qū)域

2.2 微震事件分布特征

40201工作面回采大部分區(qū)域處于41201工作面采空區(qū)之下，上保護層沿傾向方向的剖面如圖5所示，圖中，H為地表至上保護層的距離，m；h為上保護層至被保護層的距離，m；2r為上保護層工作面寬度，m。

圖5 上保護層沿傾向方向的剖面

上保護層41201工作面開挖后將在其下方形成一個低應(yīng)力區(qū)，而在這個低應(yīng)力區(qū)布置的被保護層40201工作面在回采期間相對具有較低的沖擊危險性?？梢?，開挖上保護層后，其兩側(cè)煤體上的應(yīng)力分布可簡化為應(yīng)力線性增高區(qū)與原巖應(yīng)力區(qū)，如圖6所示。

圖6 上保護層及其兩側(cè)受力情況分布

40201工作面初采期間微震事件分布如圖7所示，該工作面微震事件分布具有以下特點：40201工作面上覆41201工作面已回采完畢，相當于為40201工作面回采提供了保護層，該時期所監(jiān)測到的微震事件共計78次，微震事件總能量9.3×104J，該面初期回采過程中頂板斷裂帶來的動載能量較低，保護層開采為良好的區(qū)域防范沖擊地壓的方式；但在該期間工作面推采范圍存在兩條斷層及上覆遺留煤柱的影響，由于斷層構(gòu)造帶來的構(gòu)造應(yīng)力的變化使得工作面在該區(qū)域回采時產(chǎn)生動載擾動，工作面在上覆遺留煤柱影響區(qū)具有相對集中的靜載疊加，同時該區(qū)域為40201工作面回采單面見方時期，頂板覆巖結(jié)構(gòu)隨采動充分運動，故微震事件增多且主要分布在回風巷側(cè)。

圖7 40201工作面初采期間微震事件分布

2.3 工作面超前段沖擊危險性劃分

根據(jù)以上分析可知，在40201工作面以切眼為起點回風巷道里程200～400 m范圍內(nèi)為多因素耦合的沖擊危險性區(qū)域。40201工作面上方4上煤工作面已采空，從區(qū)域防范沖擊地壓的角度來看屬于保護層開采，整體利于其下方煤層工作面的沖擊地壓的防治，但由于上覆已開采工作面間遺留煤柱所處的空間相對位置處于40201工作面中，致使所遺留煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中繼續(xù)向下方工作面?zhèn)鬟f，其影響范圍內(nèi)煤層仍具有一定的沖擊風險，對于本文中工作面的特殊性此處不僅存在F1及Fx斷層的影響，同時工作面逐漸推采過程中頂板不斷垮落，在單面見方區(qū)域存在較高強度的頂板活動，三種主控因素疊加，上覆遺留煤柱應(yīng)力集中與斷層構(gòu)造應(yīng)力集中為沖擊地壓的發(fā)生提供靜載荷，單面見方時期強烈的頂板活動提供動載荷，動載荷作為靜載荷的增量破壞了煤巖體保持穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，使得40201工作面回采至該區(qū)域時發(fā)生沖擊地壓的風險大大增加，40201工作面超前段沖擊危險性劃分情況見表1。為進一步精細化評估該區(qū)域內(nèi)的沖擊危險性，采用地震波CT探測技術(shù)獲取煤巖體應(yīng)力分布特征。

表1 40201工作面超前段沖擊危險性劃分

3 多因素耦合區(qū)應(yīng)力分布特征

3.1 探測方案

綜合考慮40201工作面切眼位置分布及周圍開采環(huán)境，并依據(jù)現(xiàn)場實際情況和設(shè)備探測能力設(shè)計主動震波CT探測方案[23]。本次探測放炮端布置在40201回風巷，接收端布置在40201運輸巷，由切眼向外依次的放炮順序。該工作面探測區(qū)域觀測系統(tǒng)布置如圖8所示，設(shè)計10 m間距的激發(fā)震源40個，18 m間距的接收分站24個，實際有效震源37個，獲得震波數(shù)據(jù)888道。實驗過程中設(shè)定采樣頻率為2000 Hz，檢波器工作頻段5～10000 Hz，增益20 dB，采樣長度為0.448 s，激發(fā)孔內(nèi)每孔200 g炸藥，短斷觸發(fā)。

圖8 40201工作面探測區(qū)域觀測系統(tǒng)布置

3.2 探測結(jié)果分析

40201工作面探測區(qū)域沖擊危險性指數(shù)分布如圖9所示，圖中以藍色到紅色從小到大來代表探測區(qū)域內(nèi)沖擊危險性指數(shù)c，c值為地震波波速及波速梯度的特征指數(shù)，取值范圍[0，1]，c值越大代表受應(yīng)力集中程度越大，圖中將探測區(qū)域劃分出5個應(yīng)力集中較高區(qū)域進行分析編號。編號1-1的應(yīng)力集中區(qū)主要受多個采空區(qū)側(cè)向懸頂帶來的高應(yīng)力集中，結(jié)合40201工作面布置可知，在探測區(qū)域的東南角鄰近40105采空區(qū)，并且本工作面上方開采的4上煤41201與41103工作面均已采空，上覆已開采工作面間煤柱中的應(yīng)力集中向下方傳遞與40105采空區(qū)側(cè)向懸頂帶來的靜載疊加；編號1-2的應(yīng)力集中區(qū)主要受F4及Fx斷層構(gòu)造帶來的高應(yīng)力集中，前文分析可知斷層構(gòu)造附近煤巖為應(yīng)力集中峰值區(qū)，兩斷層共同影響區(qū)域應(yīng)力疊加；編號1-3的應(yīng)力集中區(qū)主要受F1斷層與上覆遺留煤柱帶來的高應(yīng)力集中，上覆41201與41203工作面間留設(shè)了30 m煤柱，煤柱中的應(yīng)力向下方煤巖傳遞與F1斷層帶來的高應(yīng)力疊加；編號1-4的應(yīng)力集中區(qū)主要受F1、Fx斷層與上覆遺留煤柱帶來的高應(yīng)力集中；編號1-5的應(yīng)力集中區(qū)主要受Fx斷層的影響。

圖9 探測區(qū)域沖擊危險性指數(shù)分布

依據(jù)上述沖擊危險性指數(shù)分布情況劃分出40201工作面探測區(qū)域內(nèi)煤巖的沖擊危險等級，如圖10所示，利用不同圖例區(qū)分強、中等、弱沖擊危險的區(qū)域。 以工作面中部為分界線，在40201運輸巷道側(cè)有3處沖擊危險區(qū)域，其編號為1-1、1-2及1-5，40201回風巷道側(cè)有2處沖擊危險區(qū)域，其編號為1-3及1-4。由于上覆遺留煤柱的影響，回風巷道側(cè)工作面內(nèi)的沖擊危險性整體高于運輸巷道側(cè)，表現(xiàn)為探測區(qū)域的回風巷道側(cè)有更大面積的較連貫的沖擊危險區(qū)域；在探測區(qū)域斷層附近存在較高沖擊危險；側(cè)向采空區(qū)懸頂對沖擊危險性的影響最大，表現(xiàn)為在1-1區(qū)域存在小范圍的強沖擊危險性區(qū)域。

圖10 探測區(qū)域沖擊危險區(qū)范圍(m)

綜上分析，根據(jù)實測煤層沖擊危險區(qū)域分布范圍及其至巷幫的距離，劃定了40201工作面探測區(qū)域巷道的沖擊危險性，40201運輸巷中等沖擊危險區(qū)域有2處，位置為距切眼33～52 m和372～393 m范圍；弱沖擊危險區(qū)域有3處，位置為距切眼52～144 m、215～227 m和358～372 m范圍。40201回風巷中等沖擊危險區(qū)域有2處，位置為距切眼82～100 m和254～307 m范圍；弱沖擊危險區(qū)域2處，位置為距切眼100～197 m和307～392 m范圍。

4 結(jié) 論

1)保護層開采為良好的區(qū)域防范沖擊地壓的方式，40201工作面在初期回采過程中所監(jiān)測到的微震事件總能量不超過104J，總頻次不超過100次，處于較低水平，保護層開采工作面受遠場動載擾動影響小。

2)保護層開采上覆遺留煤柱影響區(qū)的沖擊危險性相對較高，上覆遺留煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中繼續(xù)向下方工作面?zhèn)鬟f，與回采面內(nèi)斷層構(gòu)造及見方時期帶來的構(gòu)造應(yīng)力及頂板活動異常等因素耦合，40201回風巷側(cè)較運輸巷側(cè)具有更高的沖擊危險性。

3)以大佛寺礦40201工作面為工程背景分析研究了保護層開采上覆遺留煤柱影響區(qū)的沖擊危險性，既驗證保護層開采作為區(qū)域防沖手段的優(yōu)越性，又可為同類型礦井的沖擊地壓預防提供參考。