深部小煤柱沿空布置工作面高強度開采下的防沖管控

高全武

(中煤西北能源有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200)

0 引言

納林河二號煤礦位于鄂爾多斯市東勝煤田納林河礦區(qū)南端,井田構(gòu)造形態(tài)為單斜構(gòu)造,地層傾角小于3°,主采3-1煤層,平均埋深550～650 m,礦井沖擊危險等級為中等,首采盤區(qū)布置300 m超長大采高綜采工作面[1]。目前納林河二號礦井已形成微震[2]、應(yīng)力、鉆屑監(jiān)測為主,并結(jié)合支架壓力監(jiān)測、巷道圍巖收斂變形、頂板離層儀等技術(shù)手段為一體的綜合監(jiān)測預(yù)警體系[3]。但是深部開采引起的巖移規(guī)律一直是采礦領(lǐng)域難解的“黑箱”問題,研究揭示其內(nèi)部作用機制與演變過程是一項很大的工程技術(shù)難題[4]。因此,納林河二號礦井31120工作面小煤柱沿空回采期間仍面臨深部開采[5]、超長大采高工作面大尺度覆巖劇烈運移[6]、垮落和相鄰采空區(qū)“雙面見方”貫通[7]等多種不確定因素的影響,在采場相鄰空間形成高靜載、強動載的沖擊隱患,極易造成沿空回采期間發(fā)生沖擊地壓、礦震事故的風(fēng)險,且災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險存在一定程度的復(fù)雜性和不確定性,嚴重制約安全生產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能的釋放。針對此類問題,通過對首采盤區(qū)31120工作面“雙面見方”區(qū)域回采期間小煤柱上方地表沉降觀測結(jié)果進行統(tǒng)計分析,以驗證10刀/d高強度開采的安全性和可行性,分析地表分階段沉降及安全沉降速率范圍,并將最大下沉值的移動速度VΔH-max和最大下沉速率的移動速度VV-max作為2個關(guān)鍵指標,以期為今后類似礦井深部小煤柱沿空布置工作面高強度開采下的防沖管控技術(shù)探索一條新路徑。

1 工程概況

1.1 雙面見方區(qū)域礦震、沖擊風(fēng)險

1.1.1 相鄰采空區(qū)地表沉降情況

31120工作面開采高度6.0 m,采用沿空6.6 m小煤柱布置,埋深580～600 m,具有中等沖擊風(fēng)險等級,如圖1所示。

圖1 31120-31121工作面布置剖面

31121工作面回采結(jié)束后地表最大下沉量僅為369 mm,因此31121工作面回采期間面臨的礦震風(fēng)險極高[8]。

1.1.2 關(guān)鍵層基本分布狀況

根據(jù)關(guān)鍵層理論[9]和載荷三帶理論[10]對煤層上覆巖層關(guān)鍵層進行劃分,3-1煤層上覆巖層結(jié)構(gòu)見表1,此煤層上方存在7組關(guān)鍵層分別編號1～7,其中1～6為亞關(guān)鍵層、7為主關(guān)鍵層。相關(guān)研究結(jié)果顯示,“即時加載帶”內(nèi)1～2亞關(guān)鍵層控制為控制臨空順槽沖擊的近距離誘沖關(guān)鍵層[11],“靜載帶”內(nèi)7亞關(guān)鍵層控制為控制地表沉降的主關(guān)鍵層。因此將地表沉降指標作為主關(guān)鍵層是否破斷的重要信號,據(jù)此來防范采空區(qū)礦震是一條可行的技術(shù)途徑。

表1 關(guān)鍵層基本分布狀況

1.1.3 近距離誘沖關(guān)鍵層分布

31120工作面上覆100 m范圍巖層厚度特征Lst分布情況如圖2所示。存在兩層近距離關(guān)鍵層,分別為亞關(guān)鍵層1和亞關(guān)鍵層2,分別為粗粒砂巖和中粒砂巖,在回采期間上覆巖層近距離的亞關(guān)鍵層極易發(fā)生復(fù)合剪切破斷[12],誘發(fā)臨空順槽的沖擊風(fēng)險,亞關(guān)鍵層1和亞關(guān)鍵層2兩個關(guān)鍵層對采場臨空側(cè)順槽的沖擊起著關(guān)鍵作用。

圖2 31120工作面100 m范圍Lst特征分布情況

1.2 雙面見方區(qū)域沖擊危險性問題

根據(jù)31120工作面沖擊危險性評價結(jié)果[13],將“雙面見方”影響區(qū)域評價為強沖擊等級,對應(yīng)于超前切眼向外500～700 m。根據(jù)國內(nèi)主流沖擊地壓研究成果沖擊礦壓動靜載疊加原理[14],靜載是沖擊礦壓發(fā)生的應(yīng)力基礎(chǔ),動載是沖擊破壞的誘因。因此有必要對“雙面見方”期間采場的高靜載和強動載問題進行分析。

1.2.1 見方區(qū)域的采場高靜載應(yīng)力場分析

31120工作面回采“見方”期間采場力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 “見方”期間力學(xué)模型

橫軸2a為工作面推進距離,縱軸2b為工作面長度,W0為煤層厚度。力學(xué)模型[15]為

(1)

式中,τxz,τyz分別為平面內(nèi)x方向、y方向的水平力,MPa;w0為頂板下沉最大撓度量,m。

將31120-31121工作面采場巖體視為橫觀各向同性巖體,建立彈性模型來深入研究2個工作面采場的三維位移狀態(tài),利用基本的調(diào)和函數(shù)φ(x,y,z)。最終求出z=0時的應(yīng)力分量σz見式(2)

(2)

式中,C44為拉梅常數(shù);q1,q2分別為采場來壓,MPa;前后的支撐壓力,α1和α2是采場來壓前后的沉降量修正系數(shù)。

對于矩形采場,當a=b時,即當工作面見方時σz有最大值。當31120工作面推進至“雙面見方”區(qū)域時,采場的垂直支承壓力達到最大,采場來壓強烈。圖4為31120-31121工作面“雙面見方”時支承壓力分布特征。從圖中可以看出,工作面見方時,采場來壓造成的高靜載應(yīng)力分布出現(xiàn)集中,且臨空側(cè)回風(fēng)順槽超前30～100 m段附近出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中,從而證明“雙面見方”期間存在靜載高應(yīng)力沖擊隱患,應(yīng)該引起高度重視。

圖4 “雙面見方”期間采場高靜載應(yīng)力場分布特征模擬

1.2.2 見方區(qū)域的采場強動載問題分析

圖5為“雙面見方”期間強動載沖擊示意。31120工作面回采過“雙面見方”強沖擊影響區(qū)域期間,上覆巖層容易出現(xiàn)劇烈破斷、運移現(xiàn)象,同時地表快速下沉,極易產(chǎn)生1×105J及以上的大能量事件。在已形成的采場高靜載應(yīng)力場基礎(chǔ)之上,產(chǎn)生動靜載疊加效應(yīng)[16],出現(xiàn)沖擊顯現(xiàn)事件。甚至因為開采空間上覆巖層沉積的不均勻性,造成沉降不均衡,采空區(qū)上覆巖層不能及時垮落,出現(xiàn)大面積懸頂,誘發(fā)礦震事件的發(fā)生。因此,有必要從地表沉降的角度,選取地表沉降、運移方面的關(guān)鍵指標來對31120-31121工作面上覆采空區(qū)覆巖破斷問題進行深入分析。

圖5 雙面見方期間強動載沖擊示意

2 地表沉降觀測站布置情況

根據(jù)已有的地表沉降觀測結(jié)果顯示[17],地表下沉最大值點位于采空區(qū)幾何中部,因此在區(qū)段小煤柱上方、沿走向方向設(shè)置地表沉降觀測站,總計22個,間距約50 m左右,如圖6所示。

圖6 31120-31121工作面小煤柱上方觀測站布置示意

3 地表沉降觀測結(jié)果

為了防范2個工作面采空區(qū)貫通期間出現(xiàn)礦震事件。需采用地表沉降觀測手段針對控制地表沉降的7#主關(guān)鍵層破斷信號進行監(jiān)測,根據(jù)觀測結(jié)果對開采強度進行優(yōu)化調(diào)控[18],保障安全生產(chǎn)。5次觀測結(jié)果見表2。

表2 5次地表沉降觀測結(jié)果

3.1 雙面見方區(qū)域回采期間沉降觀測結(jié)果

2020年11月9日,31120工作面累計推進678 m。由圖7(a)可知,下沉速率最大值觀測點超前下沉速率最大值觀測點179.2 m;由圖7(b)可知,最大下沉速率達到50 mm/d時,地表開始快速下沉。

圖7 第3次地表沉降觀測結(jié)果

3.2 雙面見方期間地表下沉關(guān)系

在5次觀測期間(2020年10月17日—12月2日),小煤柱上方觀測站點ΔHmax滯后工作面的距離介于250～300 m,Vmax滯后工作面的距離介于170～200 m,同時Vmax測點超前ΔHmax測點保持在80～100 m,兩者最大距離出現(xiàn)在2020年11月9日為197.2 m,此時工作面累計回采678 m,該位置為采空區(qū)“雙面見方”覆巖破斷、運移劇烈區(qū)域,采空區(qū)上覆巖層下沉給工作面造成持續(xù)加載、并極易形成動載荷擾動問題。

地表沉降觀測指標ΔHmax、Vmax與滯后工作面距離的關(guān)系如圖8所示,31120采空區(qū)上覆巖層地表快速下沉區(qū)域滯后工作面230～330 m為地表快速下沉區(qū)域,最大沉降經(jīng)加速下沉、快速下沉和穩(wěn)定下沉階段,直至逐步壓實達到最大值。

圖8 ΔHmax、Vmax與滯后工作面距離的關(guān)系

3.3 地表下沉階段劃分

將31120工作面“雙面見方”影響區(qū)域?qū)?yīng)回采期間的地表下沉過程劃分為初始加速下沉階段、快速下沉階段和穩(wěn)定下沉階段3個階段,見表3。在此期間31120工作面按10刀/d組織勻速回采,微震呈“高頻-低能”[19]的現(xiàn)象,說明頂板巖層能量[20]處于均衡平穩(wěn)釋放的狀態(tài)。

表3 小煤柱上方地表下沉階段劃分結(jié)果

4 最優(yōu)回采速度分析

4.1 沉降關(guān)鍵指標與回采速度的關(guān)聯(lián)性

5次觀測期間(2020年10月17日—12月2日,歷時46 d),地表下沉最大量觀測站和地表最大下沉速率值觀測站隨工作面相同速度移動,三者移動速度均為7.7 m/d。證實控制地表沉降的主關(guān)鍵層正常破斷狀態(tài),未在“雙面見方”影響區(qū)域出現(xiàn)礦震災(zāi)害。

2020年10月17日至2020年12月2日期間,31120作面生產(chǎn)任務(wù)按10刀/d進行組織生產(chǎn),在一個10～15 d的觀測分析周期內(nèi),考慮到設(shè)備、系統(tǒng)等制約因素,工作面回采9.2刀/d,按循環(huán)截割進度0.85 m/刀計算,平均日推進速度V回采為7.82 m/d,31120工作面推進與地表沉降關(guān)系如圖9所示,直至回采結(jié)束未發(fā)生礦震等沖擊事件。

4.2 微震總能量與刀數(shù)的關(guān)聯(lián)性

2020年10月17日至12月2日期間,31120工作面每日回采刀數(shù)基本保持在8.5～10刀/d,最大達到11刀/d,在此期間微震總能量基本平穩(wěn),近距離的亞關(guān)鍵層巖組處于平穩(wěn)破斷狀態(tài),微震釋放總能量和事件頻次呈現(xiàn)“能頻同步”現(xiàn)象,且未出現(xiàn)大能量事件顯現(xiàn),如圖10所示。

圖10 見方期間微震總能量、頻次與刀數(shù)的關(guān)聯(lián)性

5 結(jié)論

(1)深部小煤柱沿空布置工作面高強度開采中,地表下沉劇烈,需要重點對主關(guān)鍵層破斷的問題進行有效監(jiān)測,嚴防礦震事件的發(fā)生。

(2)在納林河二號礦井特有的地質(zhì)條件下,小煤柱沿空回采工作面最大下沉值的移動速度VΔH-max和最大下沉速率的移動速度VV-max綜合反映了采空區(qū)上覆主關(guān)鍵層的破斷、運移和沉降的情況,沖擊地壓工作面合理回采速度應(yīng)該與此兩項重要指標相一致,對避免出現(xiàn)大面積懸頂進而誘發(fā)礦震有重要的指導(dǎo)作用。

(3)各類煤礦采動覆巖的內(nèi)部移動十分復(fù)雜,受地質(zhì)賦存條件與開采參數(shù)影響,不同礦區(qū)采動巖移規(guī)律必然不同。生產(chǎn)過程中需與微震、應(yīng)力、鉆屑等日常防沖監(jiān)測手段配合使用,采取針對性治理措施消除工作面沖擊隱患,并及時調(diào)整工作面回采速度,確保工作面頂板巖層能量釋放始終處于“高頻-低能”的狀態(tài)。