紅慶河礦典型工作面沖擊地壓災(zāi)變機(jī)理及防治

劉文超,趙毅鑫

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083;煤礦災(zāi)害預(yù)防與處置應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;共伴生能源精準(zhǔn)開采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083

隨著我國煤炭開采量與開采強(qiáng)度日益增大,淺部煤炭資源儲量逐漸枯竭,煤炭開采重心逐漸從中東部向中西部轉(zhuǎn)移,開采深度由淺部煤層逐漸轉(zhuǎn)向深部煤層。部分煤礦生產(chǎn)面相繼進(jìn)入深部開采階段[1]。深采工作面應(yīng)力環(huán)境有明顯變化,巷道變形破壞嚴(yán)重、支護(hù)困難、礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、煤巖動力災(zāi)害頻發(fā)等一系列問題逐漸凸顯[2-7],因此研究深部采場煤巖沖擊地壓孕育-災(zāi)變機(jī)制及沖擊地壓災(zāi)害防控問題至關(guān)重要。

國內(nèi)外學(xué)者針對煤礦動力災(zāi)害進(jìn)行了全面系統(tǒng)深入地研究并取得諸多成果。潘一山等[8]從我國沖擊地壓分布、類型、機(jī)理和防治等方面進(jìn)行了整體論述;姜耀東等[9-10]總結(jié)了近年來我國在沖擊地壓機(jī)理與防治技術(shù)研究中的關(guān)鍵科學(xué)問題;齊慶新等[11]從理論、監(jiān)測與預(yù)警裝備、防治技術(shù)等方面系統(tǒng)闡述我國沖擊地壓研究取得的成績;竇林名等[12]全面地闡述了沖擊地壓領(lǐng)域各方面研究與趨勢以及沖擊地壓防治面臨的難題。在理論方面,國內(nèi)學(xué)者陸續(xù)建立諸多沖擊地壓理論:三準(zhǔn)則理論[13]、變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論[14]、沖擊地壓“三因素”理論[15]、應(yīng)力控制理論[16]、動靜載疊加誘沖理論[17-18]、強(qiáng)度弱化減沖理論[19-20]、沖擊啟動理論[21-22]、沖擊擾動響應(yīng)失穩(wěn)理論[23-24],等等。在沖擊地壓預(yù)警與防治上,也構(gòu)建了成熟完備的技術(shù)架構(gòu)。袁亮等[25-27]提出了煤礦典型動力災(zāi)害風(fēng)險精準(zhǔn)判識及監(jiān)控預(yù)警新理念與關(guān)鍵技術(shù);齊慶新等[2,28]構(gòu)建了深部煤礦開采煤巖動力災(zāi)害多尺度分源防控理論與技術(shù)架構(gòu);潘俊峰等[29]提出了深部采場沖擊地壓動靜載荷分源防控技術(shù);竇林名等[30]、姜福興等[31]、潘俊峰等[32]等構(gòu)建了煤礦動力災(zāi)害風(fēng)險智能判識與實(shí)時監(jiān)測預(yù)警平臺。

采場煤巖沖擊失穩(wěn)是采掘引起覆巖結(jié)構(gòu)改變、采場圍巖應(yīng)力環(huán)境變化、局部應(yīng)力集中區(qū)域煤巖自發(fā)或被誘發(fā)災(zāi)變的結(jié)果。分析采場潛在易沖擊失穩(wěn)區(qū)域位置和沖擊地壓孕育-災(zāi)變機(jī)制,對沖擊地壓防控至關(guān)重要。新街礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗,礦區(qū)內(nèi)分布了滿來、紅慶河、察哈素等大型礦井,部分礦井生產(chǎn)工作面埋深大、開采強(qiáng)度高,煤層頂板巖層厚度大、整體性好、強(qiáng)度大,煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性,采掘過程礦壓顯現(xiàn)劇烈,工作面安全生產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅。本文以新街礦區(qū)紅慶河礦采煤工作面為工程研究背景,結(jié)合工作面地質(zhì)條件、開采方式及采掘過程煤巖動力災(zāi)害事件,運(yùn)用現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)值模擬等研究方法,對紅慶河礦工作面采動應(yīng)力場、能量場分布特征及其時空演化規(guī)律和采場沖擊地壓孕育-災(zāi)變機(jī)制進(jìn)行重點(diǎn)研究,確定3-1103 綜采面回采期間采場潛在易煤巖沖擊失穩(wěn)區(qū)域位置并提出防控措施。

1 工程概況

紅慶河礦3-1煤層平均埋深718.6 m,平均厚度6.23 m,平均傾角3°。3-1101 綜采面為3-1煤層首采面,3-1103 綜采面為接續(xù)工作面,工作面傾向長度210.95 m,平均埋深714.5 m,煤層傾角1° ～3°,煤層均厚6.69 m,均采用長壁后退式一次采全高采煤方法,采用自然垮落法處理采空區(qū)頂板。據(jù)巷道揭露,工作面區(qū)域構(gòu)造分布較少,僅3-1101 綜采面開切眼處受NF14 斷層影響,3-1103 綜采面在距開切眼150 m 處和終采區(qū)分別受NF18、NF17 兩條斷層影響。根據(jù)地質(zhì)資料,3-1101 綜采面煤層直接頂為均厚13.04 m 的砂質(zhì)泥巖-粉砂巖,基本頂為均厚58.66 m 的細(xì)粒砂巖-中礫巖。3-1101 綜采面回采期間,3-1103 工作面輔運(yùn)巷發(fā)生嚴(yán)重沖擊變形,在距輔運(yùn)巷30 m 處重掘3-1103 工作面輔運(yùn)巷,雙工作面間被中間舊輔運(yùn)巷分割為兩段寬度30 m的煤柱,兩輔助運(yùn)輸巷之間設(shè)有聯(lián)絡(luò)巷。工作面及巷道布置如圖1 所示。在3-1103 工作面輔助運(yùn)輸巷反掘過程中,受3-1101 采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響曾發(fā)生典型沖擊地壓事故,表現(xiàn)為巷道瞬間頂板下沉、片幫、底鼓、錨桿錨索崩斷等動力現(xiàn)象。

圖1 工作面及巷道布置Fig.1 Working face and roadway layout

2 工作面沖擊地壓初步分析

結(jié)合紅慶河礦3-1101、3-1103 綜采面地質(zhì)條件、開采方式及生產(chǎn)過程中煤巖動力災(zāi)害事件,對該煤層沖擊地壓孕育-災(zāi)變機(jī)制進(jìn)行初步分析。

(1) 煤巖物理力學(xué)性質(zhì)。煤體及堅(jiān)硬厚頂板巖石強(qiáng)度大且煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性,3-1煤層平均埋深700 m,采掘工作面始終處于高靜載應(yīng)力環(huán)境,局部應(yīng)力集中,為煤巖沖擊失穩(wěn)提供了條件。

(2) 巷道布置、區(qū)段煤柱留設(shè)。雙工作面間輔運(yùn)巷與聯(lián)絡(luò)巷破壞了區(qū)段煤柱的整體性,改變鄰空巷道和巷道交叉處圍巖應(yīng)力環(huán)境,加劇區(qū)域煤巖高靜載應(yīng)力集中。頂?shù)装鍖^(qū)段煤柱“夾持”且受3-1101 采空區(qū)側(cè)向支承壓力和本工作面支承壓力的疊加影響,局部高靜載區(qū)域應(yīng)力水平達(dá)到臨界載荷自發(fā)形成壓縮型沖擊地壓;應(yīng)力水平未達(dá)到或接近臨界載荷時,頂板斷裂沖擊動載或頂板斷裂擾動動載作用下誘發(fā)煤巖發(fā)生沖擊地壓。

(3) 堅(jiān)硬厚頂板、斷層構(gòu)造。①3-1103 綜采面終采區(qū)受NF17 斷層影響,斷層構(gòu)造的存在造成區(qū)域應(yīng)力異常及煤巖破碎。區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力、煤巖殘余應(yīng)力與采動應(yīng)力相互疊加,斷層內(nèi)積聚大量彈性能,采掘工作面臨近揭露或外界擾動誘發(fā)斷層失穩(wěn)滑移或活化釋放彈性能,進(jìn)而誘發(fā)沖擊地壓。②3-1103 綜采面煤層直接頂均厚13.04 m,基本頂均厚58.66 m,回采初期堅(jiān)硬厚層頂板難破斷易懸頂聚能,造成采場圍巖應(yīng)力集中,局部煤巖處于高靜載應(yīng)力狀態(tài);基本頂初次、周期來壓、工作面“見方”期間,堅(jiān)硬厚層頂板斷裂沖擊動載或頂板斷裂擾動動載作用于采場圍巖,導(dǎo)致煤巖應(yīng)力、能量激增進(jìn)而誘發(fā)沖擊失穩(wěn)。

(4) 工作面采高大、機(jī)械化程度高。3-1煤層均厚6.23 m,一次采全高采掘空間大,3-1103綜采面在充分采動過程,遠(yuǎn)場高位堅(jiān)硬頂板斷裂擾動、工作面或區(qū)段煤柱結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等因素導(dǎo)致采場覆巖空間穩(wěn)定平衡結(jié)構(gòu)向高位轉(zhuǎn)移運(yùn)動,上覆巖層歷經(jīng)“平衡→失穩(wěn)→再平衡”的演化,頂板巖梁大范圍運(yùn)移彈性能充分釋放,造成工作面沖擊破壞。3-1103 綜采面煤巖動力災(zāi)害如圖2 所示。

圖2 3-1103 綜采面煤巖動力災(zāi)害示意Fig.2 Analysis of strata structure and load before initial fracture of hard roof

紅慶河礦是新街礦區(qū)典型的沖擊地壓礦井之一,研究其沖擊地壓災(zāi)害防控問題至關(guān)重要。通過對該煤層地質(zhì)條件進(jìn)行初步分析可以判斷,頂板巖層結(jié)構(gòu)、采空區(qū)、區(qū)段煤柱等均是影響沖擊地壓的主要因素。沖擊地壓災(zāi)害防控關(guān)鍵在于確定采場潛在易沖擊失穩(wěn)區(qū)域,因此需要重點(diǎn)了解采場可能發(fā)生沖擊地壓類型、沖擊地壓孕育-災(zāi)變機(jī)制及災(zāi)變力源,對沖擊失穩(wěn)危險區(qū)域進(jìn)行分源防控治理。

3 采場沖擊地壓孕育-災(zāi)變機(jī)制

3.1 單工作面采場沖擊地壓孕育-災(zāi)變機(jī)制

3-1101 綜采面為首采面,采掘期間生產(chǎn)工作環(huán)境相對良好,但3-1煤層埋深大,處于高靜載應(yīng)力環(huán)境,堅(jiān)硬厚頂板懸頂蓄能加劇采場圍巖應(yīng)力集中,采場圍巖高靜載應(yīng)力區(qū)域易發(fā)生以高靜載或高靜載+動載為主導(dǎo)作用的沖擊破壞。因此,研究采場圍巖高靜載應(yīng)力區(qū)域位置及特征至關(guān)重要。

3.1.1 采場圍巖應(yīng)力、能量分布特征模擬

(1) 數(shù)值模型的建立。采用FLAC3D軟件對3-1101、3-1103 綜采面回采期間采場圍巖應(yīng)力、能量分布及演化進(jìn)行模擬。根據(jù)紅慶河礦3-1煤層地質(zhì)條件及覆巖特征,模型長×寬×高設(shè)置為700 m×600 m×450 m,模型邊界采用位移邊界混合應(yīng)力邊界,設(shè)置模型下部邊界為固定支座,模型左右兩邊、前后兩邊邊界為滾動支座,簡化為位移邊界條件固定約束模型邊界位移;在模型頂部施加11.36 MPa的均布載荷模擬覆巖荷載;工作面兩側(cè)預(yù)留100 m保護(hù)煤柱以消除模型邊界對應(yīng)力傳遞的影響;計(jì)算中選取應(yīng)變軟化模型,模擬中隨著塑性應(yīng)變的產(chǎn)生通過分段線性函數(shù)定義煤巖內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角衰減來簡化近似材料屈服后的曲線;參考新街礦區(qū)紅慶河礦煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù),確定模擬計(jì)算中巖石力學(xué)參數(shù)(表1);模型內(nèi)布置3-1101、3-1103 綜采面、回風(fēng)與運(yùn)輸巷道,巷道斷面按現(xiàn)場實(shí)際情況設(shè)為矩形,如圖3(a)所示。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock

圖3 3-1101 和103 工作面數(shù)值模型和監(jiān)測線布置Fig.3 Numerical model and monitoring line layout of NO.3-1101 and NO.3-1103 working surface

模擬工作面動態(tài)回采,在預(yù)開挖工作面中心位置與采空區(qū)側(cè)平行工作面布置監(jiān)測線,監(jiān)測回采過程中工作面采動應(yīng)力、能量變化。工作面監(jiān)測線布置如圖3(b)所示。

(2) 采場圍巖靜載荷與應(yīng)變能分布特征。通過內(nèi)置FISH 語言提取3-1101 綜采面回采期間采場圍巖應(yīng)力場、能量場相關(guān)參數(shù),經(jīng)處理得到采場各階段采動應(yīng)力、能量分布形態(tài)。

模擬顯示,3-1101 綜采面采掘過程中采場及巷道周圍煤巖均出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中和能量積聚。采場高靜載區(qū)域主要分布在工作面煤壁前方QⅠ、工作面端頭QⅡ、區(qū)段煤柱QⅢ及回采巷道QⅣ區(qū),區(qū)域內(nèi)煤巖應(yīng)力與應(yīng)變能值較高、等值線密集且梯度值較大,均是采場潛在易沖擊失穩(wěn)區(qū)域。3-1101 綜采面回采過程中采場應(yīng)力、能量三維空間分布形態(tài)如圖4(a)(b)所示。

圖4 3-1101 工作面采場采動應(yīng)力場、能量場相關(guān)參數(shù)Fig.4 Parameters related to mining stress field and energy field in the stope of NO.3-1101 working face

3.1.2 工作面煤巖體失穩(wěn)誘沖機(jī)制分析

3-1101 綜采面回采過程中工作面近場煤巖沖擊地壓有兩大類:

(1) 以高靜載為主導(dǎo)的煤巖壓縮型沖擊地壓。這類沖擊地壓在頂板未破斷情況下,采場與巷道圍巖原巖應(yīng)力高,采掘活動造成頂板懸頂聚能以及頂?shù)装鍖γ簩拥摹皧A持”加劇了采場圍巖應(yīng)力集中;在頂板破斷情況下頂板懸臂梁結(jié)構(gòu)跨度大、工作面推進(jìn)速度過快或工作面支架初撐力偏低等均可導(dǎo)致工作面煤壁前方煤體應(yīng)力和能量增加。模擬顯示3-1101 綜采面回采期間工作面煤壁前方垂直應(yīng)力峰值σmax在29.5 ～46.8 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)K(工作面煤壁前方應(yīng)力峰值與其初始應(yīng)力值之比)在1.64 ～ 2.61;能量密度峰值vεmax在1.08 ～2.55 MJ/m3,能量密度集中系數(shù)K1(工作面前方煤體能量密度峰值與其初始能量密度值之比)在1.74 ～4.12。分析表明,3-1101 綜采面煤壁前方應(yīng)力、能量積聚梯度值逐漸減小,與工作面推進(jìn)距離呈正相關(guān)關(guān)系,如圖4(c)(d)所示。高靜載應(yīng)力狀態(tài)下,煤巖自身應(yīng)力、能量累計(jì)值達(dá)到災(zāi)變臨界點(diǎn)或受到外界擾動時,自發(fā)形成沖擊地壓。

(2) 以堅(jiān)硬厚頂板破斷引起的動載為主導(dǎo)的頂板斷裂沖擊型和擾動型沖擊地壓。

①頂板斷裂型沖擊地壓,主要發(fā)生在堅(jiān)硬厚頂板初次、周期破斷過程中,頂板斷裂或結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時形成強(qiáng)烈沖擊載荷;與此同時,斷裂頂板振動對下部煤巖循環(huán)加卸載,高應(yīng)力集中區(qū)域煤體急劇壓縮反彈處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)進(jìn)而失穩(wěn)災(zāi)變。

②頂板擾動型沖擊地壓,主要發(fā)生在堅(jiān)硬厚頂板初次、周期破斷及工作面“見方”過程中,從破壞力、影響范圍及危險程度主要分為遠(yuǎn)場-近場聯(lián)動致災(zāi)單一型和復(fù)合型災(zāi)變:單一型災(zāi)變是指采場厚硬頂板斷裂產(chǎn)生礦震在近場圍巖處形成擾動動載,遠(yuǎn)場-近場聯(lián)動區(qū)域煤巖動靜載疊加誘發(fā)沖擊地壓。這類沖擊破壞力較強(qiáng),影響范圍較廣,具有較大的危險性。復(fù)合型災(zāi)變主要由于單一型災(zāi)變沖擊破壞造成采場圍巖結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn),導(dǎo)致采場上覆巖層空間穩(wěn)定平衡結(jié)構(gòu)向高位轉(zhuǎn)移運(yùn)動,頂板巖層大范圍運(yùn)移彈性能充分釋放形成強(qiáng)烈擾動動載,引起采場更大范圍的沖擊破壞。這類互饋連鎖災(zāi)變失穩(wěn)對采場沖擊破壞力更強(qiáng),影響范圍更廣,具有極大的危險性。分析得出:3-1101 綜采面回采期間工作面潛在易沖擊失穩(wěn)區(qū)域主要分布在工作面前方QⅠ、工作面端頭QⅡ及回采巷道QⅣ。

3.1.3 工作面?zhèn)认蛎簬r體失穩(wěn)誘沖機(jī)制分析

3-1101 綜采面?zhèn)认蚋矌r結(jié)構(gòu)如圖5 所示。工作面回采過程中基本頂初次來壓形成“O-X”破斷,基本頂周期破斷后在工作面推進(jìn)方向形成砌體梁結(jié)構(gòu),采空區(qū)側(cè)向形成懸臂梁結(jié)構(gòu),懸臂梁受上覆載荷及自重作用向采空區(qū)方向旋轉(zhuǎn)、平移、下沉直至破斷形成砌體梁結(jié)構(gòu),隨著采空區(qū)逐漸壓實(shí)趨于穩(wěn)定。破斷弧形三角塊體自重及其上覆載荷作用于區(qū)段煤柱上,煤體受載壓縮出現(xiàn)損傷破壞。模擬顯示,臨空側(cè)區(qū)段煤柱損傷破壞較嚴(yán)重,但其內(nèi)部仍存在彈性應(yīng)力核。

圖5 單工作面?zhèn)认蚋矌r結(jié)構(gòu)Fig.5 The overburden structure of single working face

3-1101 綜采面回采過程中,側(cè)向區(qū)段煤柱和鄰空巷道圍巖受3-1101 采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響,區(qū)段煤柱內(nèi)部彈性應(yīng)力核起支撐作用,輔運(yùn)巷與聯(lián)絡(luò)巷破壞了區(qū)段煤柱整體性及巷道交叉處應(yīng)力場,使區(qū)段煤柱和鄰空巷道圍巖處于高應(yīng)力集中狀態(tài),在開采擾動影響下煤柱結(jié)構(gòu)失穩(wěn)危險性增大。模擬顯示,3-1101 綜采面回采過程中區(qū)段煤柱UⅠ、UⅡ區(qū)垂直應(yīng)力分布均呈雙峰狀,如圖6(a)所示;其垂直應(yīng)力峰值σmax在23.0 ～57.2 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)K在1.28 ～3.19;能量密度峰值vεmax在0.75 ～3.72 MJ/m3,能量密度集中系數(shù)K1在1.21 ～6.00?；夭蛇^程中區(qū)段煤柱UⅠ、UⅡ區(qū)應(yīng)力、能量均隨工作面推進(jìn)不斷累積,但應(yīng)力集中和能量積聚梯度值逐漸減小,如圖6(b)(c)所示。區(qū)段煤柱應(yīng)力峰值較工作面高22.2% ,能量密度峰值較工作面高45.9% ,鄰空區(qū)段煤柱UⅠ區(qū)與鄰空巷道均處于高應(yīng)力集中狀態(tài),煤巖自身應(yīng)力、能量累計(jì)值達(dá)到災(zāi)變臨界點(diǎn)或受外界擾動極易引發(fā)沖擊失穩(wěn)。這也解釋了在3-1103 工作面舊輔助運(yùn)輸巷反掘過程中,巷道發(fā)生瞬間頂板下沉、片幫、底鼓、錨桿錨索崩斷等典型沖擊地壓事故的原因。

圖6 區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力、能量變化曲線Fig.6 Variation curve of vertical stress and energy of coal pillar

采場側(cè)向區(qū)段煤柱在頂板周期破斷及工作面“見方”過程中,側(cè)向懸臂梁結(jié)構(gòu)斷裂和遠(yuǎn)場頂板斷裂擾動動載作用于區(qū)段煤柱及鄰空巷道圍巖,動靜載疊加誘發(fā)災(zāi)變失穩(wěn);其次,區(qū)段煤柱及其上覆堅(jiān)硬厚層頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)引起采場覆巖大結(jié)構(gòu)失穩(wěn)釋放強(qiáng)烈動載,進(jìn)而反作用“激活”其他高靜載區(qū)域處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)發(fā)生連鎖失穩(wěn)災(zāi)變,潛在易沖擊失穩(wěn)區(qū)域主要分布在區(qū)段煤柱QⅢ與回采巷道QⅣ區(qū)。

3.2 雙工作面采場沖擊地壓孕育-災(zāi)變機(jī)制

3-1103 綜采面為3-1101 綜采面相鄰工作面。3-1103 綜采面回采期間采掘工作面、區(qū)段煤柱及鄰空巷道圍巖受3-1101 采空區(qū)影響,與本工作面超前支承壓力疊加,應(yīng)力環(huán)境更加復(fù)雜,加劇了采場圍巖應(yīng)力集中,工作面環(huán)境相對較差,采場發(fā)生沖擊失穩(wěn)危險性較3-1101 綜采面更大。

3.2.1 采場圍巖靜載荷與應(yīng)變能分布特征

3-1103 綜采面回采前3-1101 綜采面已回采完畢,為還原采場周邊實(shí)際力學(xué)環(huán)境,按照3-1101 綜采面開切眼開挖直至其采空區(qū)充分采動壓實(shí)、采場覆巖結(jié)構(gòu)平衡穩(wěn)定后,再進(jìn)行3-1103 綜采面模擬開挖回采。通過提取3-1103 綜采面回采期間采場圍巖應(yīng)力場和能量場的相關(guān)參數(shù),經(jīng)處理分析得到采場各階段采動應(yīng)力、應(yīng)變能分布形態(tài)。

模擬顯示,3-1103 綜采面采掘過程中采場邊界、區(qū)段煤柱及鄰空巷道圍巖均出現(xiàn)較嚴(yán)重?fù)p傷破壞;工作面煤壁前方QⅤ、區(qū)段煤柱QⅥ、工作面端頭QⅦ及回采巷道QⅧ區(qū)煤巖應(yīng)力與能量、等值線密集度及梯度值較3-1101 綜采面均明顯增大,是采場潛在易煤巖沖擊失穩(wěn)區(qū)域。3-1103 綜采面回采過程中采場應(yīng)力、能量三維空間分布形態(tài)如圖7(a)(b)所示。

圖7 3-1103 工作面采場采動應(yīng)力場、能量場相關(guān)參數(shù)Fig.7 Parameters related to mining stress field and energy field in the stope of NO.3-1103 working face

3.2.2 工作面煤巖體失穩(wěn)誘沖機(jī)制分析

3-1103 綜采面沖擊失穩(wěn)類型和沖擊地壓孕育-災(zāi)變機(jī)制與3-1101 綜采面類似,其所處應(yīng)力環(huán)境較3-1101 首采面相對復(fù)雜。模擬顯示,工作面煤壁前方垂直應(yīng)力峰值σmax在31.2 ～50.0 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)K在1.74 ～2.78;能量密度峰值vεmax在1.19～2.87 MJ/m3,能量密度集中系數(shù)K1在1.92 ～4.63,如圖7(c)(d)所示。3-1103 綜采面應(yīng)力峰值最大值較3-1101 綜采面高6.8% ,能量密度峰值最大值較3-1101 綜采面高12.5%。因此,3-1103 綜采面較3-1101 綜采面更易發(fā)生煤巖沖擊失穩(wěn)。

在堅(jiān)硬厚頂板周期破斷及單、雙工作面“見方”過程中,采空區(qū)頂板未充分垮落,雙工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)呈非對稱“T”型,工作面近場煤體沖擊破壞導(dǎo)致單工作面結(jié)構(gòu)失穩(wěn)演化形成雙工作面大結(jié)構(gòu),期間雙工作面采場頂板巖層大范圍劇烈運(yùn)動形成強(qiáng)烈擾動動載,引發(fā)破壞力更強(qiáng)、影響范圍更廣、危險性更大的沖擊破壞。3-1103 綜采面回采期間潛在易沖擊失穩(wěn)區(qū)域主要分布在工作面煤壁前方QⅤ、區(qū)段煤柱QⅥ、工作面端頭QⅦ區(qū)。

3.2.3 工作面?zhèn)认蛎簬r體失穩(wěn)誘沖機(jī)制分析

3-1103 綜采面?zhèn)认蚋矌r結(jié)構(gòu)如圖8 所示。區(qū)段煤柱兩側(cè)采空,采場兩側(cè)破斷弧形三角塊體自重及其上覆載荷全部作用于雙工作面間區(qū)段煤柱。模擬顯示區(qū)段煤柱及鄰空巷道圍巖均出現(xiàn)較嚴(yán)重的損傷破壞,但其內(nèi)部仍存在彈性應(yīng)力核。

圖8 雙工作面?zhèn)认蚋矌r結(jié)構(gòu)Fig.8 The overburden structure of double working face

工作面?zhèn)认蛎簬r體沖擊失穩(wěn)類型和沖擊地壓孕育-災(zāi)變機(jī)制與3-1101 綜采面類似。模擬顯示,3-1103 綜采面回采過程中區(qū)段煤柱UⅠ、UⅡ區(qū)垂直應(yīng)力均呈現(xiàn)雙峰狀分布,如圖9(a)所示;其垂直應(yīng)力峰值σmax在31.7 ～73.9 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)K在1.97 ～4.11;能量密度峰值vεmax在1.22 ～6.14 MJ/m3,能量密度集中系數(shù)K1在2.40 ～9.90,如圖9(b)(c)所示。兩側(cè)采空加劇了區(qū)段煤柱應(yīng)力集中,兩側(cè)采空時區(qū)段煤柱應(yīng)力峰值較一側(cè)采空時高29.2% ,能量密度峰值較一側(cè)采空時高65.1% ,區(qū)段煤柱及鄰空巷道圍巖均處于高應(yīng)力集中狀態(tài),在堅(jiān)硬厚頂板初次、周期破斷及單、雙工作面“見方”過程中,極易引發(fā)破壞強(qiáng)度大的沖擊地壓。

圖9 區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力、能量變化曲線Fig.9 Variation curve of vertical stress and strain energy density of coal pillar

4 工作面沖擊失穩(wěn)危險區(qū)域及防控

4.1 工作面沖擊失穩(wěn)危險區(qū)域

潛在危險區(qū)域應(yīng)力和能量主要受到頂板巖層結(jié)構(gòu)、采空區(qū)、區(qū)段煤柱、聯(lián)絡(luò)巷等因素影響。在對采場可能發(fā)生沖擊地壓類型、沖擊地壓孕育-災(zāi)變機(jī)制及災(zāi)變力源的研究基礎(chǔ)上,結(jié)合工作面的巷道布置及地質(zhì)條件,對3-1103 綜采面強(qiáng)沖擊失穩(wěn)危險區(qū)域進(jìn)行分析:

(1) 工作面頂板初次、周期來壓、單面“見方”及與鄰近工作面形成雙面“見方”期間受堅(jiān)硬厚頂板斷裂或滑移失穩(wěn)、覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動程度加劇等因素影響都是強(qiáng)沖擊危險性區(qū)域。

(2) 終采線附近采空區(qū)懸頂面積較大,采場遺留煤柱易形成孤島煤柱,多應(yīng)力相互疊加局部易高應(yīng)力集中區(qū)域是強(qiáng)沖擊危險性區(qū)域。

(3) 區(qū)段煤柱采掘期間受3-1101、3-1103 采空區(qū)側(cè)向支承壓力、本工作面超前支承壓力的疊加影響,應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜,始終處于高應(yīng)力集中狀態(tài)是強(qiáng)沖擊危險性區(qū)域。

(4) 鄰空巷道、聯(lián)絡(luò)巷及巷道交叉處圍巖應(yīng)力場更加復(fù)雜,采動影響下區(qū)域煤巖沖擊失穩(wěn)可能性較大,是強(qiáng)沖擊危險性區(qū)域。

根據(jù)以上對3-1103 綜采面潛在沖擊失穩(wěn)區(qū)域影響因素以及發(fā)生沖擊地壓的能力進(jìn)行分析,將采場所有潛在沖擊失穩(wěn)區(qū)域位置與沖擊失穩(wěn)危險程度進(jìn)行疊加,最后確定3-1103 綜采面回采期間沖擊失穩(wěn)危險區(qū)域16 個,其中強(qiáng)沖擊性區(qū)域5 個,中等沖擊性區(qū)域11 個(表2,圖10)。

表2 3-1103 綜采面回采期間潛在易沖擊失穩(wěn)危險區(qū)域Table 2 Potential impact instability hazard areas during No.3-1103 working face mining

圖10 3-1103 綜采面沖擊危險區(qū)域Fig.10 Impact danger area of No.3-1103 working face

4.2 深采工作面煤巖沖擊失穩(wěn)防控

4.2.1 采場煤巖沖擊失穩(wěn)防控分析

為了有效防御深部高應(yīng)力采掘工作面沖擊地壓危害,降低局部區(qū)域煤巖應(yīng)力集中程度,控制煤巖能量積聚釋放率,應(yīng)從切斷沖擊力源、降低應(yīng)力集中、阻隔高集中應(yīng)力傳遞三個方面對采場沖擊失穩(wěn)危險區(qū)域進(jìn)行分源防控治理。

剔除采場初始及以下應(yīng)力值、能量密度值后,工作面應(yīng)力、能量密度分布如圖11 所示。3-1103綜采面高靜載應(yīng)力集中區(qū)主要分布在區(qū)段煤柱VⅠ、VⅡ、VⅢ區(qū)和鄰空側(cè)工作面,高能量積聚區(qū)主要分布在MⅠ、MⅡ、MⅢ區(qū)和鄰空側(cè)工作面,頂板懸頂長度和區(qū)段煤柱是影響該區(qū)域應(yīng)力和能量的主要因素。3-1103 綜采面沖擊失穩(wěn)主要由高靜載應(yīng)力區(qū)域煤巖自發(fā)或受堅(jiān)硬厚頂板破斷和采場覆巖結(jié)構(gòu)演化引起的擾動動載誘發(fā)災(zāi)變的結(jié)果。因此,可以通過以下措施進(jìn)行防控治理:

圖11 3-1101 和103 工作面采場圍巖應(yīng)力、能量分布Fig.11 Stress and energy distribution of NO.3-1 101 and NO.3-1103 working surface

(1) 改變3-1103 綜采面和區(qū)段煤柱上方頂板條件,改善區(qū)段煤柱、鄰空巷道和工作面前方煤體應(yīng)力環(huán)境。

(2) 縮短3-1103 綜采面及采空區(qū)側(cè)向懸臂梁結(jié)構(gòu)跨度,改變區(qū)段煤柱及工作面煤體結(jié)構(gòu)降低區(qū)域應(yīng)力集中。

(3) 回采期間通過削弱斷層地質(zhì)構(gòu)造影響、控制工作面推進(jìn)速度、優(yōu)化工作面支架工作阻力等途徑降低采場靜載。

(4) 減小來壓步距,降低頂板斷裂垮落或失穩(wěn)滑移產(chǎn)生的沖擊動載;避免覆巖結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn),減弱覆巖結(jié)構(gòu)大規(guī)模運(yùn)動造成的危害等途徑減小采場擾動動載。

4.2.2 現(xiàn)場煤巖沖擊失穩(wěn)防控措施

3-1103 綜采面現(xiàn)場實(shí)施沖擊失穩(wěn)防控措施主要有:

(1) 工作面回采前預(yù)卸壓。3-1103 工作面輔助運(yùn)輸巷內(nèi)劃定的強(qiáng)沖擊及中等沖擊危險區(qū)域回采幫和煤柱幫超前工作面300 m 進(jìn)行大直徑鉆孔卸壓。卸壓鉆孔直徑為153 mm,回采幫側(cè)和煤柱幫鉆孔深度分別為15 m、16 m,鉆孔單排布置于煤層中且與巷幫垂直,距巷道底板高度為1.5 m,強(qiáng)沖擊和中等沖擊危險區(qū)域鉆孔間距分別為1 m、2 m?，F(xiàn)場實(shí)施大直徑鉆孔卸壓參數(shù)見表3。

表3 現(xiàn)場實(shí)施大直徑鉆孔卸壓相關(guān)參數(shù)Table 3 Pressure relief parameters of large diameter drilling

3-1103 工作面輔助運(yùn)輸巷距離開切眼300 m 范圍內(nèi)實(shí)施頂板水力壓裂,工作面?zhèn)扰c煤柱側(cè)的頂板預(yù)裂間距均為15 m,兩側(cè)壓裂孔交錯布置,現(xiàn)場實(shí)施頂板水力壓裂具體設(shè)計(jì)參數(shù)如圖12 及表4 所示。

表4 現(xiàn)場實(shí)施頂板水力壓裂相關(guān)參數(shù)Table 4 Parameters related to on-site roof hydraulic fracturing

圖12 3-1103 綜采面沖擊地壓防控措施Fig.12 Prevention and control measures of coal burst in NO.3-1103 working face

(2) 回采期間的解危措施。3-1103 綜采面回采期間同時加強(qiáng)礦壓、微震、應(yīng)力的監(jiān)測,實(shí)時動態(tài)預(yù)測預(yù)報沖擊地壓危險性。工作面回采期間監(jiān)測沖擊危險時,在沖擊危險區(qū)域采用大直徑卸壓鉆孔或煤體爆破進(jìn)行解危卸壓處理;無法達(dá)到解危效果時,采取煤體深孔爆破卸壓措施;具有嚴(yán)重沖擊危險的區(qū)域應(yīng)立即停止生產(chǎn),對危險區(qū)域采取底板卸壓爆破的方式進(jìn)行斷底,阻隔高水平集中應(yīng)力的傳導(dǎo)。

3-1103 工作面輔運(yùn)巷作為下個工作面回風(fēng)巷道的同時肩負(fù)著車輛運(yùn)輸任務(wù),巷道空間滿足通車并服務(wù)于下個工作面,因此對巷道圍巖控制要求較高。3-1103 工作面輔運(yùn)巷圍巖原巖應(yīng)力高、煤體節(jié)理裂隙發(fā)育、巷道斷面尺寸較大,采掘期間受開采擾動影響巷道頻繁出現(xiàn)頂板下沉、片幫,巷道底板開裂翹起、錨桿斷裂等動力現(xiàn)象,巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重,巷道兩幫移近量最大達(dá)1.0 m;3-1103 工作面輔運(yùn)巷內(nèi)進(jìn)行預(yù)卸壓措施,降低了區(qū)段煤柱高靜載應(yīng)力集中,有效降低了區(qū)域礦震頻次、礦震能量,巷道兩幫移近量最大0.45 m,巷道圍巖變形得到有效控制。

5 結(jié) 論

通過現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)值模擬等方法對紅慶河礦高應(yīng)力工作面典型沖擊地壓孕育-災(zāi)變機(jī)制及防治進(jìn)行研究,得到以下結(jié)論:

(1) 確定了采場高靜載易沖擊失穩(wěn)區(qū)域及沖擊地壓類型。工作面回采過程中頂板巖層結(jié)構(gòu)、采空區(qū)、區(qū)段煤柱等均是影響沖擊地壓的主要因素。

(2) 確定了3-1103 綜采面回采期間采場范圍內(nèi)存在5 個強(qiáng)沖擊性區(qū)域,11 個中等沖擊性區(qū)域。沖擊失穩(wěn)危險區(qū)域應(yīng)力和能量主要受頂板巖層結(jié)構(gòu)、采空區(qū)、區(qū)段煤柱、聯(lián)絡(luò)巷等因素影響。

(3) 根據(jù)3-1103 綜采面回采期間沖擊失穩(wěn)危險區(qū)域煤巖災(zāi)變主要影響因素,提出了針對采場高靜載或高靜載+動載區(qū)域分源防控治理技術(shù)。