臨近斷層構(gòu)造帶不規(guī)則工作面開采誘沖機(jī)制研究

李士棟，楊增強(qiáng)，周 濤，孔 震，袁騰飛，周廣飛，蔡 武

(1.兗煤菏澤能化有限公司 趙樓煤礦，山東 菏澤 274000；2.徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221018；3.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

沖擊地壓在我國礦山開采過程中時有發(fā)生，一旦發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)，采掘空間周圍煤巖體將會瞬間、猛烈地向著采掘空間內(nèi)釋放多余的能量，造成采掘設(shè)備損毀、支護(hù)系統(tǒng)嚴(yán)重變形失效、人員傷亡等，嚴(yán)重影響到礦井的正常安全生產(chǎn)作業(yè)[1-3]。相關(guān)學(xué)者研究表明，工作面開采期間覆巖破斷、運(yùn)移是導(dǎo)致采掘空間誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一[4，5]。文獻(xiàn)[6]通過大量現(xiàn)場實測統(tǒng)計分析得知工作面上覆巖層內(nèi)距離開采煤層100 m范圍內(nèi)的厚硬巖層對于工作面開采期間誘發(fā)沖擊地壓顯現(xiàn)有著決定性的影響作用；文獻(xiàn)[7]通過分析工作面上覆巖層中頂板巖層厚度與來壓步距之間的關(guān)聯(lián)性，揭示了隨著頂板巖層厚度的增加，其相應(yīng)的來壓步距也越大，來壓時所釋放的彈性應(yīng)變能也越高，進(jìn)而誘發(fā)沖擊地壓顯現(xiàn)的可能性也越大；文獻(xiàn)[8-10]通過構(gòu)建力學(xué)模型，分析了工作面上覆巖層內(nèi)厚硬巖層的存在將會導(dǎo)致工作面前方煤體內(nèi)形成高應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而受開采擾動影響極易誘發(fā)“頂板-煤層”型沖擊地壓。

以往關(guān)于工作面覆巖破斷、運(yùn)移規(guī)律的研究多側(cè)重于采用簡支梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，而關(guān)于工作面開采寬度變化對于覆巖破斷、運(yùn)移特征的影響研究甚少。鑒于此，本研究基于薄板理論分析了工作面開采寬度變化對于上覆巖層破斷空間結(jié)構(gòu)特征的影響情況，并依據(jù)理論分析計算、數(shù)值模擬運(yùn)算和現(xiàn)場礦壓觀測相結(jié)合的方法揭示了7447不規(guī)則工作面回采期間上覆巖層中厚硬關(guān)鍵層破斷所產(chǎn)生的強(qiáng)動載擾動與采掘空間圍巖內(nèi)積聚的靜載疊加作用誘發(fā)了沖擊地壓。

1 工程概況

1.1 7447工作面地質(zhì)條件

趙樓煤礦7447工作面回采推進(jìn)方向與臨近的F12正斷層構(gòu)造帶走向方向近乎平行，受斷層構(gòu)造帶布局的限制，導(dǎo)致7447工作面呈現(xiàn)出“先窄后寬”的不規(guī)則開采形狀。7447工作面初始開采期間的窄工作面段寬度為45 m，后續(xù)開采期間的寬工作面段寬度為95 m，其相對應(yīng)的窄工作面段推進(jìn)長度為75 m，寬工作面段推進(jìn)長度為100 m。7447工作面主采7#煤層厚度為5.0～5.5 m，平均厚度為5.4 m，煤層傾角為4°～12°，平均傾角為8°，煤層平均埋深為565.0 m，屬于近水平厚煤層開采條件。關(guān)于7447工作面布置平面情況如圖1所示。

圖1 7447工作面布置

1.2 7447工作面礦壓顯現(xiàn)特征

利用礦方安裝的SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)對7447工作面回采期間微震事件進(jìn)行實時監(jiān)測，截止某次嚴(yán)重沖擊地壓事故發(fā)生當(dāng)日(此時7447工作面回采推進(jìn)至130 m位置處)的微震事件震源空間分布投影規(guī)律如圖2所示。由圖2(a)可知，震源能量大于1.0×105J的事件主要集中于寬工作面段范圍內(nèi)，甚至發(fā)生了大于1.0×106J的大能量事件；根據(jù)微震事件剖面投影圖2可知震源位置多分布趨向于工作面覆巖上層位的關(guān)鍵層內(nèi)，這表明工作面寬度的增加使得覆巖中原本穩(wěn)定的上層位關(guān)鍵層發(fā)生了破斷。臨近7447工作面的F12斷層構(gòu)造帶內(nèi)不存在能量大于1.0×103J的微震事件，這說明7447工作面回采期間開采活動擾動程度不足以誘發(fā)斷層構(gòu)造帶發(fā)生活化而失穩(wěn)滑移，因而在此關(guān)于斷層因素對于工作面采掘空間造成的擾動影響不予考慮。

圖2 空間微震事件平剖面投影

2 回采工作面數(shù)值模擬分析

2.1 三維數(shù)值模型的建立

采用FLAC3D軟件進(jìn)一步數(shù)值模擬分析臨近F12斷層構(gòu)造帶的7447不規(guī)則工作面在回采過程中對斷層構(gòu)造帶的擾動以及覆巖中關(guān)鍵層的破斷影響。所構(gòu)建的三維模型長度為180 m，寬度為139 m，高度為95 m，模型中7447工作面兩側(cè)的服務(wù)平巷寬度為5.0 m，高度為3.6 m。三維模型整體構(gòu)建情況如圖3所示。斷層接觸面上物理力學(xué)賦值參數(shù)見表1，煤巖層相對應(yīng)的物理力學(xué)賦值參數(shù)見表2。

表1 斷層接觸面上物理力學(xué)參數(shù)

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖3 三維數(shù)值模型

2.2 斷層結(jié)構(gòu)面剪切位移分布特征

7447工作面中窄工作面段和寬工作面段回采期間對于F12斷層構(gòu)造帶的擾動影響如圖4所示。窄工作面段回采期間斷層結(jié)構(gòu)面上的剪切位移分布如圖4(a)所示，從圖4(a)可知最大剪切位移量大小為6.3×10-3m，剪切位移量較大的區(qū)域主要集中在工作面頂?shù)装搴突卷斏戏轿恢锰帲?447工作面中寬工作面段回采期間斷層結(jié)構(gòu)面上的剪切位移分布如圖4(b)所示，從圖4(b)可知最大剪切位移量大小為9.8×10-3m，剪切位移量較大的區(qū)域主要集中在工作面覆巖基本頂上方位置處。文獻(xiàn)[11，12]研究指出斷層結(jié)構(gòu)面是否開始發(fā)生滑移失穩(wěn)的臨界條件為剪切位移量大于0.1 mm，進(jìn)而可以確定當(dāng)7447工作面回采推進(jìn)至130 m位置時整個斷層結(jié)構(gòu)面上并不存在剪切位移量大于0.1 mm的區(qū)域，這也意味著F12斷層構(gòu)造帶并未對工作面回采產(chǎn)生動載擾動影響，數(shù)值模擬結(jié)果與微震監(jiān)測結(jié)果一致。

圖4 F12斷層結(jié)構(gòu)面上剪切位移變化(mm)

2.3 服務(wù)平巷偏應(yīng)力分布特征

偏應(yīng)力第二不變量J2代表著形狀改變應(yīng)變能和剪應(yīng)力的大小，而剪應(yīng)力是引起煤巖體材料屈服和破壞的主要因素[13，14]，對7447工作面兩側(cè)服務(wù)平巷圍巖內(nèi)偏應(yīng)力第二不變量分布結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可知窄工作面段回采期間，臨近斷層構(gòu)造帶的運(yùn)輸平巷受斷層構(gòu)造應(yīng)力影響，在巷道圍巖頂板中偏向斷層側(cè)出現(xiàn)了偏應(yīng)力集中的現(xiàn)象，同時巷道圍巖實體煤幫也存在偏應(yīng)力集中的現(xiàn)象，偏應(yīng)力分布呈現(xiàn)非對稱性且最大值為26.6 MPa2。軌道平巷圍巖內(nèi)偏應(yīng)力分布則比較對稱，且偏應(yīng)力最大位置主要集中于頂板中部，最大值約為22.5 MPa2；由圖5(b)可知寬工作面段回采期間，兩側(cè)服務(wù)平巷圍巖內(nèi)偏應(yīng)力分布與窄工作面段回采期間規(guī)律類似，但偏應(yīng)力最大值增高為31.8 MPa2，即在靜載作用下寬工作面段巷道圍巖更易發(fā)生破壞。

圖5 服務(wù)平巷圍巖內(nèi)偏應(yīng)力分布

2.4 覆巖中關(guān)鍵層垂直位移演化特征

7447工作面窄工作面段和寬工作面段回采期間覆巖中關(guān)鍵層的垂直位移演化如圖6所示。由圖6(a)可知，窄工作面段回采時，由開切眼向前推進(jìn)至45 m位置時，此時工作面處于一次見方位置，覆巖中關(guān)鍵層最大垂直位移量為3.6 cm，相較于15.4 m厚的關(guān)鍵層來說，基本可忽略不計，說明窄工作面段回采期間關(guān)鍵層不發(fā)生破斷；由圖6(b)可知，寬工作面段回采時，由延面開切眼向前推進(jìn)至55 m位置時(發(fā)生嚴(yán)重沖擊地壓)，覆巖中關(guān)鍵層在工作面后方15 m位置處達(dá)到最大位移量0.93 m，可認(rèn)為關(guān)鍵層發(fā)生破斷極限破斷步距為40 m，并可計算出相應(yīng)的巖層破斷角約為68°，且破斷位置靠近運(yùn)輸平巷側(cè)，這與圖2中微震定位監(jiān)測到的大于1.0×106J的大能量事件位置基本相吻合。

圖6 覆巖中關(guān)鍵層垂直位移分布

3 梯形體空間破斷結(jié)構(gòu)分析

圖7 覆巖梯形體空間結(jié)構(gòu)幾何模型

基于薄板理論[17，18]可知巖層中最大拉應(yīng)力位于兩側(cè)的固支邊位置處，當(dāng)?shù)趇層巖層隨著工作面的回采推進(jìn)而懸頂段長度達(dá)到其極限破斷步距l(xiāng)i時，此時巖層開始發(fā)生破斷。其極限破斷步距表達(dá)式為：

式中，Wi為第i層巖層的懸頂段寬度值，m；hi為第i層巖層的懸頂段厚度值，m；(σt)i為第i層巖層自身的極限抗拉強(qiáng)度值，MPa；qi為第i層巖層上覆軟弱夾層對其上表面所施加的均布載荷值，MPa；(lm)i為第i層巖層按照兩端固支梁結(jié)構(gòu)計算的極限破斷寬度值，m。

聯(lián)立式(1)—式(3)，可以解算出第i層巖層懸頂段寬度值與其極限破斷步距之間的關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖8 懸頂段寬度值與其極限破斷步距之間關(guān)系曲線

由圖8可知，當(dāng)7447工作面處于窄工作面段回采期間，此時工作面寬度值較小，其相對應(yīng)的第j層基本頂巖層的懸頂段寬度值也較小，進(jìn)而導(dǎo)致梯形體空間破斷結(jié)構(gòu)中第i層巖層的懸頂段寬度值Wi也相應(yīng)的減小，進(jìn)而導(dǎo)致其與基本頂巖層破斷長度值Li之間更易滿足Li>Wi，此時第i層巖層破斷時所需要的極限破斷步距l(xiāng)i也更大；當(dāng)7447工作面處于寬工作面段回采期間，此時工作面寬度值較大，其相對應(yīng)的第j層基本頂巖層的懸頂段寬度值也較大，進(jìn)而導(dǎo)致梯形體空間破斷結(jié)構(gòu)中第i層巖層的懸頂段寬度值Wi也相應(yīng)的增大，進(jìn)而導(dǎo)致其與基本頂巖層破斷長度值Li之間更易滿足Li

4 動載力源分析及礦壓監(jiān)測

4.1 采動動載力源分析

基于上述分析可知，隨著7447工作面的回采推進(jìn)，當(dāng)工作面處于寬工作面段回采期間，覆巖梯形體空間破斷結(jié)構(gòu)高度將會進(jìn)一步增加，也就意味著當(dāng)工作面處于窄工作面段回采期間原本并沒有發(fā)生破斷的高位關(guān)鍵巖層在此時可能開始發(fā)生破斷，進(jìn)而導(dǎo)致工作面來壓強(qiáng)度增大。由于采掘空間周圍煤巖體內(nèi)積聚的高集中靜載一般情況下并不會直接導(dǎo)致巷道或工作面內(nèi)發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)，而當(dāng)工作面覆巖中存在厚硬關(guān)鍵層且其破斷過程中釋放較高的彈性應(yīng)變能時，將會在破斷位置處形成強(qiáng)烈的動載源，其與采掘空間周圍煤巖體內(nèi)原本積聚的高集中靜載荷相互疊加，當(dāng)動靜載疊加后的應(yīng)力強(qiáng)度值高于煤巖體的極限承載強(qiáng)度值時，進(jìn)而誘發(fā)沖擊地壓顯現(xiàn)[19，20]。

基于現(xiàn)場工程實地調(diào)研得知7447工作面覆巖內(nèi)巖層破斷角平均值為70°，參考表2可以判定偽頂厚度為0.8 m，直接頂厚度為6.1 m。而在覆巖中直接頂上方為厚度7.6 m的細(xì)粒砂巖層，可認(rèn)定其為基本頂巖層，同時為覆巖梯形體空間破斷結(jié)構(gòu)的底面層。針對工作面覆巖中由下往上的第4層巖層，按照冒高系數(shù)判定其是否處于懸頂狀態(tài)[21]，判定方法如下所示：

式中，kp為巖層垮落后的碎脹系數(shù)值，取1.3。

根據(jù)式(4)計算得知覆巖中第4層巖層下方的偽頂和直接頂垮冒后其上方自由空間的高度值為4.99 m，相較于第4層巖層厚度7.6 m要小，據(jù)此可以斷定7.6 m厚的細(xì)粒砂巖為處于斷裂帶內(nèi)的基本頂巖層。同時，覆巖中高位第10層巖層為厚度為15.4 m的厚硬中粒砂巖層，可認(rèn)定為關(guān)鍵層。

根據(jù)上述關(guān)于覆巖梯形體空間破斷結(jié)構(gòu)的分析研究，聯(lián)立式(1)—式(3)可以計算得到7447工作面窄工作面段和寬工作面段回采期間關(guān)鍵層是否發(fā)生破斷的判別參數(shù)，見表3。

表3 覆巖中關(guān)鍵巖層破斷判別參數(shù)

從表3中可知，7447工作面窄工作面段和寬工作面段回采期間，覆巖中基本頂巖層的懸頂寬度值分別為55 m和105 m，均大于其極限破斷寬度27.8 m，可知基本頂會隨著工作面的回采推進(jìn)而周期性破斷垮冒；7447工作面窄工作面段回采期間覆巖中關(guān)鍵層巖層的懸頂寬度值為33.2 m，小于其極限破斷寬度42.4 m，即此時關(guān)鍵層巖層不會發(fā)生破斷；7447工作面寬工作面段回采期間覆巖中關(guān)鍵層巖層的懸頂寬度值為83.2 m，大于其極限破斷寬度42.4 m，即此時關(guān)鍵層巖層發(fā)生了破斷。當(dāng)關(guān)鍵層巖層發(fā)生破斷時，其相對應(yīng)的極限破斷步距為36.3 m，這與2.4小節(jié)中數(shù)值模擬得到的極限破斷步距40 m吻合性較高?？紤]到巖層破斷角的存在，這也解釋了7447工作面寬工作面段回采推進(jìn)至55 m位置處時發(fā)生了一次嚴(yán)重沖擊地壓的原因。

4.2 現(xiàn)場礦壓觀測

7447工作面回采期間其液壓支架循環(huán)末阻力監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

圖9 液壓支架循環(huán)末阻力監(jiān)測結(jié)果

由圖9可知，7447工作面窄工作面段回采期間共有4次明顯的來壓顯現(xiàn)，其平均周期來壓步距為10.2 m，略小于表3中理論計算的基本頂極限破斷步距13.7 m，這是因為基本頂巖層內(nèi)存在節(jié)理裂隙，造成巖層抗拉強(qiáng)度降低、基本頂巖層提前斷裂所致；7447工作面寬工作面段回采期間，截止到其回采推進(jìn)至55 m位置時(發(fā)生了一次嚴(yán)重的沖擊地壓顯現(xiàn))，此時工作面內(nèi)液壓支架循環(huán)末阻力高達(dá)45.8 MPa，是之前窄工作面段回采期間來壓時液壓支架循環(huán)末阻力的1.6倍，即可斷定此時覆巖中高位的關(guān)鍵層發(fā)生了破斷，與圖2中微震事件震源空間分布規(guī)律相吻合，即高位關(guān)鍵層破斷時所形成的強(qiáng)烈動載擾動導(dǎo)致了此次沖擊地壓顯現(xiàn)的發(fā)生。

5 結(jié) 論

1)臨近7447不規(guī)則工作面的F12斷層構(gòu)造帶未受回采擾動影響而活化滑移，但是運(yùn)輸平巷受斷層構(gòu)造應(yīng)力影響而致使其圍巖中第二偏應(yīng)力集中區(qū)呈明顯的非對稱性分布。

2)基于薄板理論推導(dǎo)出梯形體破斷高度判據(jù)，指明梯形體破斷高度主要受工作面寬度效應(yīng)影響。隨著開采工作面寬度增大，覆巖梯形體破斷高度也隨之增高，進(jìn)而導(dǎo)致高位厚硬關(guān)鍵層破斷而釋放大量彈性能，動靜載疊加超過巷道圍巖系統(tǒng)的極限承載強(qiáng)度而誘發(fā)沖擊地壓。

3)7447不規(guī)則工作面寬工作面段來壓期間的液壓支架循環(huán)末阻力是窄工作面段回采期間的1.6倍，驗證了寬工作面段回采期間覆巖中厚硬關(guān)鍵層破斷是造成嚴(yán)重沖擊地壓發(fā)生的主要因素。