解俊祥

河南理工大學(xué)，河南省焦作市 454003

李雅莊礦深部煤巖動力現(xiàn)象動力源辨識及危害程度劃分

解俊祥

河南理工大學(xué)，河南省焦作市 454003

礦井高應(yīng)力區(qū)煤體、巖體及斷層在受外界擾動瞬間失穩(wěn)時，釋放出很大能量而引起的以猛烈震動和爆發(fā)式破壞為特征的礦山動力現(xiàn)象，是礦井的一大自然災(zāi)害。通過大量觀測，煤巖體局部破壞期間，破壞過程具有雪崩一樣的性質(zhì)，呈脆性破壞，其形成都發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)。通過對礦井深部煤巖動力現(xiàn)象動力源的辨識，劃分其復(fù)合型災(zāi)害的危險程度，在分析煤與瓦斯物質(zhì)條件、環(huán)境應(yīng)力與初始動力條件和擾動條件的基礎(chǔ)上，對礦井的煤巖動力評估，以采取針對性的安全技術(shù)措施，確保安全生產(chǎn)，值得大力推廣應(yīng)用借鑒。

煤巖；動力源；辨識；危害度；劃分

引言

煤與瓦斯突出危險性煤層，一般需要高瓦斯含量、高瓦斯壓力，低煤堅固性系數(shù)、高煤破壞類型等因素的有機組合。實測2#煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、煤質(zhì)、瓦斯放散初速度等單項指標(biāo)均在突出界限以下。2#煤層最大采深超過600m，在2#煤層深部，2-228工作面屬于孤島工作面，局部應(yīng)力高，煤層硬。沖擊地壓危險性煤層，一般是高強度硬質(zhì)煤，需要沖擊能指數(shù)、彈性能指數(shù)、動態(tài)破壞時間幾項指標(biāo)的有機組合。

1.工作面概況

礦井2#煤層228工作面質(zhì)煤相對較硬，經(jīng)測定礦井2#煤層228工作面煤層具有中等沖擊傾向性，228工作面頂?shù)装鍘r層無沖擊傾向性，但在深度高應(yīng)力條件下，煤體和圍巖能量積聚到一定程度，仍會存在沖擊危險。在應(yīng)力集中區(qū)、斷層附近、褶皺軸部和其他地質(zhì)構(gòu)造附近，一定程度上具備了發(fā)生煤巖動力災(zāi)害的煤層物質(zhì)條件。通過對其動力源辨識及危害度劃分，掌握機理，做到超前防范，是指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)的重要方法。

2.煤巖動力現(xiàn)象形成的基本條件

2.1 動力條件

煤層的煤與瓦斯突出危險性和沖擊傾向性只是發(fā)生災(zāi)害的一個必要條件，還需要環(huán)境應(yīng)力強度和觸發(fā)動力條件。

具有沖擊傾向性的煤層需要達到一定的應(yīng)力強度才能發(fā)生沖擊地壓，無或弱沖擊傾向性的煤層，當(dāng)應(yīng)力強度達到一定水平后也會發(fā)生沖擊地壓。但具有煤與瓦斯突出危險煤層的突出危險性并不是處處相同，在高應(yīng)力區(qū)發(fā)生煤與瓦斯突出的危險性較高。因此，這兩種災(zāi)害的發(fā)生尚需達到一定的環(huán)境應(yīng)力強度水平，才能儲備充足的能量。

2.2 開采擾動條件

地下煤層不開采，上述兩個條件無論如何充分，也不會發(fā)生煤與瓦斯突出和沖擊地壓。由于開采，一方面擾動形成附加應(yīng)力和觸發(fā)動力；另一方面地下開采形成自由空間，給賦存于含瓦斯煤及共生巖體中的瓦斯提供了解吸溢出的空間；開采擾動及其應(yīng)力重分布產(chǎn)生的附加應(yīng)力，在與開挖同軸方向卸荷產(chǎn)生拉張應(yīng)力，在與開挖異軸方向造成加荷產(chǎn)生壓應(yīng)力，其開挖加-卸載的結(jié)果使煤壁產(chǎn)生豎向張裂隙，造成頂、底板離層，導(dǎo)致煤及共生巖體產(chǎn)生微破裂，創(chuàng)造了瓦斯解吸涌出的通道和構(gòu)造條件；而活動地質(zhì)構(gòu)造是外部動力傳遞的通道。因此，煤與瓦斯突出和沖擊地壓相互作用，還需要開采擾動與巖體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造條件。

3.礦井開采擾動及瓦斯作用數(shù)值模擬實驗

綜采工作面上覆巖層活動過程的復(fù)雜性和不可見性給采場覆巖運動和斷裂以及壓力分布的研究帶來了困難，為了較全面的了解2#煤層228工作面的壓力分布及瓦斯作用，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對228工作面建立模型，進行數(shù)值模擬。

3.1 FLAC3D模擬軟件介紹

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）三維快速拉格朗日元法由美國Itasca公司開發(fā)的是三維的有限差分程序，能夠進行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析。通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實際的結(jié)構(gòu)。單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)變形和移動（大變形模式）。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問題。

3.2 礦井228工作面數(shù)值模型建立

數(shù)值模擬是深入認(rèn)識、揭示頂板活動規(guī)律的主要研究方法之一與理論研究和現(xiàn)場實測相結(jié)合可以較全面的認(rèn)識和掌握覆巖的變形移動和垮落規(guī)律。本數(shù)值模擬是結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和理論分析的基礎(chǔ)上，對228工作面覆巖壓力和瓦斯作用進行的模擬。

2-2 2 8 工作面位于二采區(qū)下部前進方向的左翼，屬于二采區(qū)左翼工作面,工作面前進方向右翼為2-224采空區(qū)，左翼為2-220采空區(qū)。北與六采區(qū)相鄰。地面標(biāo)高+775m～+906m，井下標(biāo)高+200m～+270m，埋藏深度+590m～+650m。工作面走向長度為630m，傾向長130m；本工作面2號煤層厚度為2.82m～3.45m，平均總厚度為3.16m，煤層傾角4°～10°，平均煤層傾角6°，煤層硬度f=1.5。瓦斯壓力0.57MPa～0.61MPa。

本次模擬的范圍為沿228走向600m，傾向到從220采空區(qū)至224采空區(qū)，開挖形成工作面推進，模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 模擬煤層應(yīng)力三維圖

圖2 X橫截面上應(yīng)力圖

圖3 y橫截面上應(yīng)力圖

通過圖2三維圖可以看出在228工作面兩側(cè)的采空區(qū)已經(jīng)卸壓，而228工作面及煤柱應(yīng)力集中，尤其是工作面兩側(cè)煤柱及工作面上下端頭附近通過圖2看到其應(yīng)力集中接近24MPa，工作面內(nèi)部應(yīng)力也就是垂直原巖應(yīng)力14MPa；工作面前方的支承壓力區(qū)應(yīng)力達到20MPa以上。由此可以看出工作面開采引起的集中應(yīng)力將近達到原始垂直應(yīng)力的兩倍，在煤柱上集中應(yīng)力更大，228工作面作為一個孤島工作面受到的集中應(yīng)力較大，在煤柱或者斷層附近集中應(yīng)力更大的地方其發(fā)生動力災(zāi)害的門限值降低，易發(fā)生動力災(zāi)害。

4.礦井動力現(xiàn)象危險源預(yù)測

李雅莊煤礦從建礦至今，在以往的采、掘生產(chǎn)及井筒、石門揭煤過程中，在未采取任何防突措施的情況下，從未發(fā)生過瓦斯動力現(xiàn)象;煤礦位于霍州市境內(nèi)，該礦鄰近礦井都為低瓦斯礦井。同時，礦井2#煤層228為孤島工作面，工作面質(zhì)煤相對較硬，經(jīng)測定礦井2#煤層228工作面煤層具有中等沖擊傾向性，228工作面頂?shù)装鍘r層無沖擊傾向性，但在深度高應(yīng)力條件下，煤體和圍巖能量積聚到一定程度，仍會存在沖擊危險。在應(yīng)力集中區(qū)、斷層附近、褶皺軸部和其他地質(zhì)構(gòu)造附近一定程度上具備了發(fā)生動力災(zāi)害的煤層物質(zhì)條件。

4.1 動力現(xiàn)象在226工作面推進時分布特征

隨著工作面的推進工作面的前方存在卸壓區(qū)、支承壓力區(qū)，和原巖應(yīng)力區(qū)，由于微震高發(fā)區(qū)是在高應(yīng)力差區(qū)域或者是煤巖的極限應(yīng)力區(qū)，所以隨著工作面向前推進微震震源分布也應(yīng)該表現(xiàn)出來一些特征。通過5天震源分布圖我們可以看到在工作面推進的這5天的過程中在工作面切巷前后都有震動，而且震動在一個區(qū)域比較集中。對5月份6月份每五天的震源集中分布區(qū)進行了統(tǒng)計。

表1 226工作面5天震源分布分布集中區(qū)統(tǒng)計

通過5月份的統(tǒng)計震動主要集中在工作面前方100m的范圍內(nèi)，其中距離工作面切巷50m左右的區(qū)域震動更集中；這說明226工作面前方50m范圍內(nèi)為塑性區(qū)和彈塑性區(qū)，這個區(qū)域?qū)?yīng)著卸壓區(qū)和支承壓力區(qū)，應(yīng)力差最大巖石容易破裂。通過現(xiàn)場觀測226工作面距離切巷50m內(nèi)的范圍壓力較大巷道變形速度較快，在工作面兩端頭50m范圍內(nèi)應(yīng)加端頭支護。

4.2 動力現(xiàn)象在226工作面推進時Z軸方向的分布

為了知道震動震源距離煤層的距離，就要知道震動在垂直方向的分布。對二采區(qū)監(jiān)測到的震源取226工作面切巷前后一定距離形成一個如圖4中藍(lán)色方框所示范圍為劃取226震源分布的范圍。

在這個范圍內(nèi)的震源向沿226推進方向（轉(zhuǎn)換后的y坐標(biāo)軸如圖4和垂直226推進方向（轉(zhuǎn)換后的x如圖4）投影。

圖4 轉(zhuǎn)換后的Oxy直角坐標(biāo)系

轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)系的原點O在原坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為X=37569800 Y=4057426，

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法為：設(shè)Oxy，O'x'y'是兩個坐標(biāo)系，O'在Oxy中的坐標(biāo)為(x0,y0),由x軸到x'軸的角度為t,用原坐標(biāo)系下的坐標(biāo)來表示新坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式如下：

x'=(x－x0)cost+(y－y0)sint

y'=(y－y0)cost－(x－x0)sint

在轉(zhuǎn)換過后的震源坐標(biāo)數(shù)據(jù)中查詢震源的（x，y，z）坐標(biāo)，然后向過x軸或者y軸的豎直平面內(nèi)投影作圖，這樣就可以看到震源在豎直平面內(nèi)的分布，可以清晰的看到在震源在上覆巖層的分布。

圖5 4、5、6三個月震源在轉(zhuǎn)換過的x軸豎直面上的投影圖

圖5為4、5、6三個月震源在轉(zhuǎn)換過的x軸（如圖5所示）豎直面上的投影圖，在豎直方向取煤標(biāo)高150m至標(biāo)高450m這一豎直范圍，在平面上取如圖5所示范圍；圖中泡泡表示震源位置分布，紫色表示煤層上下±10m范圍，黃色泡泡表示在圍巖中的震動。在這一范圍也是受到采動影響大，震源分布集中的區(qū)域。圖5中黃色線表示226工作面，長度為工作面斜長。從圖中可以看出，工作面震動主要發(fā)生在工作面上覆巖層中，在豎直方向上震源密集區(qū)有兩個如圖中橢圓包括的范圍，下邊橢圓包圍的震動震源多為工作面直接定和老頂斷裂震動所致，該處震動時間上一般緊隨工作面的推進，上方橢圓包括的震源集中區(qū)為覆巖上部的厚砂巖層，此處的震動較工作面推進時間滯后。

5.礦井動力類型及危險分析

根據(jù)現(xiàn)場測定的2#煤層瓦斯基本參數(shù)，煤層的實驗室測定參數(shù)以及2#煤層采掘過程中的瓦斯涌出情況、打鉆過程中的動力現(xiàn)象等資料進行綜合分析，對礦井2#煤層的動力危險性作出評價。

5.1 沖擊指標(biāo)分析

表2 煤樣沖擊傾向性指標(biāo)平均測定結(jié)果

表3 煤層沖擊傾向性分類、名稱及指標(biāo)

根據(jù)綜合指數(shù)預(yù)測沖擊地壓危險區(qū)域?qū)?#煤層進行了分析預(yù)測，對2#煤的沖擊傾向性層劃分為四個等級，如表1所示。綜合指數(shù)法預(yù)測228工作面沖擊危險指數(shù)為0.15～0.49，六采區(qū)沖擊危險指數(shù)為0.08～0.46。2#煤層部分區(qū)域具有弱沖擊危險性。這些區(qū)域主要集中在高應(yīng)力區(qū)和地質(zhì)構(gòu)造分布區(qū)。

6.礦井危險區(qū)域劃分

前述綜合指標(biāo)法確定了劃分沖擊危險區(qū)域的方法，對于具體的煤層，根據(jù)開采技術(shù)條件和地質(zhì)條件找出具有代表性的特征點i，如煤柱邊緣、斷層兩側(cè)、采空區(qū)周圍等，根據(jù)Wri計算公式計算這些特征點的沖擊危險指數(shù)Wri，然后提取各特征點的X、Y坐標(biāo)，用科學(xué)繪圖軟件SURFER4.0繪制等值線圖，然后再依據(jù)表2的分析指標(biāo)，劃分出開采煤層的沖擊危險狀態(tài)區(qū)域。

2-228 工作面回采過程中沒有出現(xiàn)沖擊地壓現(xiàn)象，但工作面二采區(qū)在深部，最大埋深超過600m。近距離內(nèi)頂板中有厚層砂巖層，煤層的平均抗壓強度為13.23MPa，具有中等沖擊傾向，直接頂、老頂為均為無沖擊傾向。根據(jù)這些條件，確定2-228工作面煤層特征點150個，結(jié)合開采條件和瓦斯條件對特征點賦值，然后繪制沖擊危險指標(biāo)等值線，進行沖擊危險區(qū)域劃分，劃分結(jié)果如下圖6。可見，2-228工作面大部分區(qū)域無沖擊危險性，在斷層附近及高位鉆場集中應(yīng)力高的地方有弱沖擊危險性。

圖6 2-228危險等級區(qū)域劃分圖

7.結(jié)語

結(jié)合李雅莊煤礦的具體情況闡述了煤巖動力現(xiàn)象形成的基本條件為物質(zhì)條件、動力條件和開采擾動條件，通過FLCA3D數(shù)值方法模擬了2-228上覆巖層壓力，和推進過程中支承應(yīng)力的大小，計算出了垂直應(yīng)力為14MPa～15MPa，得出了工作面支承壓力和煤柱集中應(yīng)力為垂直應(yīng)力的2～3倍，直觀地看出了工作面集中應(yīng)力分布和大小。根據(jù)微震監(jiān)測結(jié)果可以看出，在工作面煤柱附近有較多震動，說明224和226之間的煤柱的不穩(wěn)定性，在2#煤層深部垂直原巖應(yīng)力本身大的情況下煤柱的應(yīng)力集中能夠接近或者達到垂直應(yīng)力的2倍，留設(shè)20m～30m寬的煤柱存在一定危險性，建議嘗試沿空掘巷無煤柱工作面開采；動態(tài)的圈定了工作面附近震動頻發(fā)范圍，和工作面平巷端頭加強支護的距離；推測在228工作面中部可能存在構(gòu)造集中應(yīng)力區(qū)或者是高位鉆孔影響使震動密集。以上方法值得相似條件的礦井加以采用借鑒，采用針對性措施，確保礦井安全生產(chǎn)，值得大力推廣。

[1]李化敏,袁瑞甫,解俊祥,顧喜鵬.霍州煤電集團公司李雅莊煤礦掘進工作面微震防突預(yù)警及治理科學(xué)研究

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.11.003