張書敬

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013；3.煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

我國發(fā)生沖擊地壓的煤層大部分位于礦井中深部或者深部，近年來在我國西部一些淺部礦井也開始發(fā)生沖擊地壓。神華新疆能源有限責(zé)任公司礦區(qū)目前開采淺部煤層，開采過程中已有多礦煤層發(fā)生過沖擊地壓。最為典型的一次淺部煤層工作面沖擊地壓事故是發(fā)生在寬溝煤礦W1143工作面，工作面埋深317m。2010年10月8日9時(shí)在工作面中下部和下巷道處發(fā)生沖擊地壓，煤層和底板巖石突出容積約247m3，造成了人員傷亡和設(shè)備損壞的嚴(yán)重后果。

目前學(xué)術(shù)界重點(diǎn)關(guān)注于深部煤層條件下沖擊地壓研究，在理論上對(duì)淺部煤層條件下沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理還缺乏深入研究，沖擊地壓的防治效果還不理想。本文以寬溝煤礦W1143工作面為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，采用UDEC數(shù)值模擬軟件模擬和PASAT-M便攜式微震檢測系統(tǒng)，研究淺部煤層工作面采動(dòng)應(yīng)力與沖擊地壓的關(guān)系。

1 工作面概況

W1143綜采工作面煤層為B4-1，埋深317m、走向長1495m，斜長162m，傾角10°～16°,煤厚平均3m，采高3m;直接頂為粉砂巖，厚度12m;直接頂上方為B4-2煤層，平均厚2.5m;其上為直達(dá)地表的砂巖互層。直接底為層狀中砂巖，厚度5.2m;基本底為粗砂巖，厚度12.99m。

2 采動(dòng)應(yīng)力場數(shù)值模擬研究

根據(jù)W1143工作面回采期間經(jīng)歷的不同空間位置，有2種空間位置結(jié)構(gòu)，開采初期W1143工作面受相鄰W1141采空區(qū)影響，開采中后期W1143工作面受相鄰W1141采空區(qū)和上覆W114(2)3，W114(2)1采空區(qū)影響。回采不同時(shí)期工作面空間位置見圖1。傾向剖面模擬方案選擇圖1中圈定的2個(gè)位置進(jìn)行模擬。走向剖面模擬選擇如圖2中圈定范圍。根據(jù)Zk303鉆孔資料建立UDEC數(shù)值模型，模型走向長度470m，垂直高度240m，模型未模擬到地表，240m以上等效載荷處理。模型左右邊界限制水平位移，下邊界限制垂直位移。根據(jù)W1143工作面煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果進(jìn)行參數(shù)賦值。

圖1 回采不同時(shí)期工作面空間位置

2.1 傾向Ⅰ剖面采動(dòng)應(yīng)力分布特征

當(dāng)工作面開采受相鄰一采空區(qū)影響時(shí)，回采過程產(chǎn)生二次采動(dòng)影響，2次采動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力相疊加，造成2個(gè)工作面之間的區(qū)段煤柱采動(dòng)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中程度較上區(qū)段工作面明顯上升，如圖3和圖4所示。

圖3 W1141開挖后圍巖應(yīng)力分布情況

圖4 W1143開挖后圍巖應(yīng)力分布情況

圖5所示煤柱采動(dòng)應(yīng)力分布曲線表明，煤柱側(cè)向支承壓力形成應(yīng)力集中；一次采動(dòng)影響下，煤柱形成較低的應(yīng)力集中，受相鄰工作面的二次采動(dòng)影響，煤柱側(cè)向支承壓力產(chǎn)生疊加，應(yīng)力集中程度成倍增加。

圖5 相鄰一采空區(qū)煤柱應(yīng)力分布曲線

2.2 傾向Ⅱ剖面采動(dòng)應(yīng)力分布特征

開挖W114(2)1后，采動(dòng)應(yīng)力分布如圖6，其采動(dòng)應(yīng)力主要集中在W114(2)1兩側(cè)的煤體上；開挖W114(2)3后，采動(dòng)應(yīng)力分布如圖7，W114(2)1，W114(2)3之間煤柱應(yīng)力疊加，應(yīng)力集中系數(shù)增大；開挖W1141后，采動(dòng)應(yīng)力分布如圖8。W114(2)1，W1141的上覆巖層充分運(yùn)動(dòng)，使得W1141煤體的采動(dòng)應(yīng)力和W1141，W1143區(qū)段煤柱的采動(dòng)應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力集中系數(shù)降低；當(dāng)開挖W1143后，采動(dòng)應(yīng)力分布如圖9，受W1143，W1141，W114(2)1和W114(2)3覆巖結(jié)構(gòu)影響，覆巖運(yùn)動(dòng)的范圍加大，導(dǎo)致應(yīng)力集中程度上升，采動(dòng)應(yīng)力很大程度上集中到W1141工作面、W1143工作面之間的區(qū)段煤柱上。

圖6 W114(2)1開挖后圍巖應(yīng)力分布

圖7 W114(2)3開挖后圍巖應(yīng)力分布

圖9 W1143開挖后圍巖應(yīng)力分布

煤柱采動(dòng)應(yīng)力分布曲線如圖10，反應(yīng)了工作面受采掘布置影響的關(guān)系。B4-1煤層受上層B4-2煤層回采的影響，采動(dòng)應(yīng)力隨上層煤的回采空間增加，采動(dòng)應(yīng)力呈上升趨勢，而B4-1煤層采動(dòng)應(yīng)力集中程度隨本煤層工作面采動(dòng)影響而顯著增加。

圖10 相鄰三采空區(qū)煤柱應(yīng)力分布曲線

采動(dòng)應(yīng)力分布變化過程揭示了礦區(qū)采掘布置對(duì)工作面沖擊地壓的影響關(guān)系。工作面回采過程中，采動(dòng)應(yīng)力集中程度大小影響沖擊地壓的發(fā)生與否。當(dāng)采動(dòng)應(yīng)力集中程度高時(shí)，工作面沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn)性就越高；而采動(dòng)應(yīng)力與工作面布置有關(guān)，根據(jù)采動(dòng)應(yīng)力變化曲線，工作面回采受到相鄰采掘工作面影響越大，工作面采動(dòng)應(yīng)力集中程度越高。

2.3 走向Ⅲ剖面采動(dòng)應(yīng)力分布特征

2.3.1 頂板初次來壓期間采動(dòng)應(yīng)力分布

如圖11所示，基本頂初次來壓步距為50m，初次來壓期間，造成煤體的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)為2，采動(dòng)應(yīng)力主要集中在工作面前方40m范圍內(nèi)。

圖11 工作面初次來壓期間采動(dòng)應(yīng)力分布

2.3.2 工作面“單面見方”采動(dòng)應(yīng)力分布

工作面“單面見方”時(shí)，工作面推進(jìn)長度為160～170m，覆巖運(yùn)動(dòng)的高度達(dá)到了B4-2煤層上部堅(jiān)硬頂板，堅(jiān)硬頂板積聚了大量彈性能，當(dāng)堅(jiān)硬頂板突然運(yùn)動(dòng)時(shí)，造成了工作面前方的圍巖應(yīng)力集中，采動(dòng)應(yīng)力分布如圖12所示。

圖12 工作面“單面見方”期間采動(dòng)應(yīng)力分布

2.3.3 工作面“雙面見方”采動(dòng)應(yīng)力分布

工作面“雙面見方”時(shí)，工作面推進(jìn)長度為330～340m，覆巖運(yùn)動(dòng)高度達(dá)到了B4-2煤層高位巖層，高位巖層積聚的能量以彎曲變形能釋放，或者以動(dòng)能的形式釋放，并且覆巖在橫向方向影響范圍大，此時(shí)圍巖的應(yīng)力水平高，集中程度更大，采動(dòng)應(yīng)力分布如圖13所示。

圖13 工作面“雙面見方”期間采動(dòng)應(yīng)力分布

2.3.4 工作面受上覆煤層回采影響應(yīng)力分布

W1143工作面推進(jìn)期間將經(jīng)歷由上方煤體實(shí)體煤下回采到進(jìn)入上方煤體采空區(qū)下回采過程，該過程采動(dòng)應(yīng)力將經(jīng)歷采動(dòng)應(yīng)力升高再到降低的過程。采動(dòng)應(yīng)力的變化過程如圖14～18所示。

圖14 距W114(2)3采空區(qū)50m時(shí)采動(dòng)應(yīng)力分布

圖15 距W114(2)3采空區(qū)30m時(shí)采動(dòng)應(yīng)力分布

圖16 距W114(2)3采空區(qū)0m時(shí)采動(dòng)應(yīng)力分布

圖17 進(jìn)入W114(2)3采空區(qū)40m時(shí)采動(dòng)應(yīng)力分布

圖18 進(jìn)入W114(2)3采空區(qū)80m時(shí)采動(dòng)應(yīng)力分布

工作面推進(jìn)距離W114(2)3切眼50m時(shí)，工作面超前支承壓力影響不受上覆煤層開采遺留煤體的影響，當(dāng)推進(jìn)至距W114(2)3切眼30m時(shí)，W1143工作面采動(dòng)應(yīng)力為自身超前支承壓力和上方煤體壓力疊加作用而成，進(jìn)入W114(2)3采空區(qū)后，采動(dòng)體應(yīng)力逐漸降低。

當(dāng)工作面接近上方B4-2煤層采空區(qū)時(shí)，采動(dòng)應(yīng)力集中程度開始增加，沖擊危險(xiǎn)性開始升高。工作面受上覆煤層回采影響采動(dòng)應(yīng)力變化過程如圖19所示。

當(dāng)W1143工作面距離上方B4-2煤層采空區(qū)20m時(shí)，工作面前方應(yīng)力集中程度達(dá)到最大，主要原因?yàn)楣ぷ髅娉爸С袎毫蜕戏礁矌r對(duì)下方煤體作用力疊加的結(jié)果。工作面沖擊危險(xiǎn)性經(jīng)歷由進(jìn)入上方采空區(qū)前逐漸增大到進(jìn)入上方采空區(qū)后逐漸減弱的變化過程。

圖19 工作面受上覆煤層回采影響期間采動(dòng)應(yīng)力分布曲線

3 工作面前方應(yīng)力異常探測

采用波蘭PASAT-M便攜式微震檢測系統(tǒng)，在W1143工作面距離上覆采空區(qū)水平距離48m時(shí)，工作面處在“三面孤島”時(shí)期，工作面前方144m煤體內(nèi)進(jìn)行波速異常區(qū)實(shí)測，確定工作面前方是否存在應(yīng)力異常區(qū)域，以驗(yàn)證采動(dòng)應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果。

圖20為W1143工作面PASAT-M探測系統(tǒng)布置圖。方案將在工作面和運(yùn)輸巷均設(shè)置震源。采集端位于軌道巷，共布置11個(gè)探頭，間距13m，1號(hào)探頭距離巷道交叉口6.3m。激發(fā)孔共設(shè)計(jì)41個(gè)，其中運(yùn)輸巷激發(fā)孔25個(gè)，炮間距6m，工作面激發(fā)孔16個(gè)，炮間距10m，本次探測走向范圍平均144m，滿足研究需要。

圖20 W1143工作面PASAT-M探測系統(tǒng)布置圖

3.1 應(yīng)力異常現(xiàn)場探測

當(dāng)W1143工作面距離上覆采空區(qū)水平距離48m時(shí)，工作面處在“三面孤島”時(shí)期，采用了PASAT便攜式微震儀對(duì)W1143工作面前方144m煤體內(nèi)進(jìn)行了波速異常區(qū)實(shí)測，探測結(jié)果如圖21所示。結(jié)果顯示W(wǎng)1143工作面下巷與W114(2)3工作面上巷下方之間的實(shí)體煤為波速異常即應(yīng)力集中區(qū)域，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

圖21 W1143工作面前方應(yīng)力異常區(qū)

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬分析、地震波CT探測的方法，分析了淺部煤層工作面回采過程中采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律，主要得到如下結(jié)論：

(1)W1143工作面受相鄰采空區(qū)影響，無論是在工作面傾向方向還是在走向方向產(chǎn)生采動(dòng)應(yīng)力疊加，在相鄰采空區(qū)煤柱和工作面前方圍巖中造成應(yīng)力集中。特別是W1143工作面在相鄰三采空區(qū)回采時(shí)，應(yīng)力集中程度更高，當(dāng)工作面距離上層煤W114(2)3采空區(qū)水平面的投影20m時(shí)，工作面前方應(yīng)力集中程度達(dá)到最大。受采動(dòng)影響形成高應(yīng)力和高能量場是寬溝煤礦淺部煤層工作面發(fā)生沖擊地壓的主要原因。

(2)當(dāng)W1143工作面距離上覆W114(2)3采空區(qū)水平距離48m時(shí)，采用了PASAT便攜式微震儀對(duì)W1143工作面前方144m煤體內(nèi)進(jìn)行了波速異常區(qū)實(shí)測，結(jié)果顯示W(wǎng)1143工作面下巷與W114(2)3工作面上巷下方之間的實(shí)體煤為波速異常即應(yīng)力集中區(qū)域，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。