趙 雷，王俊峰

(中煤西北能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307)

0 引言

隨著礦井開采深度增加，礦井沖擊地壓災(zāi)害更加嚴重，在山東兗州、新汶、棗莊等深部礦區(qū)，已成為制約煤礦安全、高效生產(chǎn)的首要因素[1]。為解決高強度開采條件下的沖擊地壓災(zāi)害防治，姜福興、潘一山、竇林名、蔣金泉等[2-9]專家通過沖擊地壓監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)，如微震、地音、電磁輻射等監(jiān)測方法，研究沖擊地壓和上覆巖層周期破斷之間的關(guān)系，建立了沖擊地壓災(zāi)害的防治監(jiān)測、預(yù)警技術(shù)體系。《防治煤礦沖擊地壓細則》明確沖擊地壓礦井可采用微震監(jiān)測法，可采用礦壓監(jiān)測法進行局部補充性監(jiān)測，回采工作面通過對液壓支架工作阻力進行監(jiān)測，分析采場來壓程度、來壓步距、來壓征兆等，對采場大面積來壓進行預(yù)測預(yù)報。

為此，以內(nèi)蒙古鄂爾多斯母杜柴登礦井30202工作面為例，通過理論計算，結(jié)合工作面回采期間微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析工作面關(guān)鍵層周期破斷相關(guān)規(guī)律，以期為礦井大采高工作沖擊地壓災(zāi)害防治工作提供借鑒。

1 覆巖巖性分析

1.1 工作面概況

工作面布置：母杜柴登礦井30202工作面位于井田3-1煤層302盤區(qū)北翼，緊鄰30201首采工作面，兩工作面為外錯式布置，中部留設(shè)20 m寬煤柱，西側(cè)為30203工作面實煤體。30202工作面布置示意圖如圖1所示。

圖1 30202工作面布置示意圖

煤層及巖性：該礦井30202工作面煤厚為4.74～6.32 m之間，平均5.68 m，兩順槽巷道沿煤層底板掘進，巷道頂煤平均厚度為1.70 m。工作面設(shè)計長度268 m，工作面走向長度3 718 m。煤層直接頂板主要為粉砂質(zhì)泥巖。老頂為粗粒砂巖，淺灰色，巨厚層狀，棱角狀，分選性差，泥質(zhì)膠結(jié)，含少量泥質(zhì)條帶，含大量煤線，見少量黃鐵礦結(jié)核。經(jīng)鑒定，煤層具有強沖擊傾向性，頂板具有弱沖擊傾向性。截止2018年11月14日，30202工作面累計回采約 930 m，已回采區(qū)域最近的地質(zhì)鉆孔B22位于回采里程1 120 m處，距離30202工作面回風(fēng)巷約283 m，其地質(zhì)資料如圖2所示。

圖2 鉆孔B22柱狀圖

1.2 載荷三帶理論介紹

三帶劃分：在工作面回采過程中，為分析上覆巖層在采掘工程中對巷道本身及周邊施加的應(yīng)力影響，姜福興[10]將整個上覆巖層組劃分為即時加載帶(ILZ)、延時加載帶(DLZ)、靜載帶(SLZ)，稱之為載荷三帶。

三帶定義：即時加載帶是隨著回采工作的進行會在短期內(nèi)發(fā)生周期性撓曲、破裂和垮落，可以即時充填采空區(qū)并形成承載結(jié)構(gòu)的巖層組。延時加載帶位于即時加載帶以上，是在回采初期懸頂，但隨著所承受載荷超過自身強度將在較長一段時間內(nèi)逐步發(fā)生離層和斷裂的巖層組。靜載帶是從延時加載帶以上直至地表，連續(xù)性好，對下方巖體施加的應(yīng)力受采動影響變化較小的巖層組。

1.3 三帶高度理論計算

即時加載帶的厚度：根據(jù)ILZ帶的定義[11]，隨著工作面從開切眼開始推進，采場上覆巖層由于采空區(qū)的出現(xiàn)會在短期內(nèi)發(fā)生冒落和劇烈的回轉(zhuǎn)運動，充填采空區(qū)并形成承載結(jié)構(gòu)，采用一般垮落帶的計算方式，見式(1)

(1)

式中：h—采高，m；KA—巖石的碎脹系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗KA的取值一般為1.1～1.3，但由于即時加載帶與垮落帶定義的區(qū)別，ILZ帶巖層不僅包括傳統(tǒng)三帶定義中垮落的部分巖層，還包括隨著回采活動的進行，在短時間內(nèi)可以斷裂回轉(zhuǎn)形成承載結(jié)構(gòu)的巖層組，其范圍較垮落帶大，此處KA的取值為1.1，因此即時加載帶的厚度MILZ計算見式(2)

MILZ=HILZ≈10h

(2)

由此可見，ILZ帶的厚度與工作面采出高度聯(lián)系緊密，冒高效應(yīng)明顯。計算得到30202工作面即時加載帶厚度為50～60 m。

延時加載帶的厚度：隨著采空區(qū)被ILZ帶內(nèi)的巖層完全充填，更高層位的巖層由于沒有垮落空間而無法在第一時間發(fā)生斷裂下沉，因此會在較長的一段時間內(nèi)隨著所承受的載荷超過自身強度而逐步發(fā)生離層和斷裂。一般的巖層運動理論認為，從采場開切眼推進起，到地層運動進入充分采動階段為止，采場上方破裂巖層形成結(jié)構(gòu)的最大高度約為連續(xù)開采范圍短邊寬度L的一半，因此延時加載帶的厚度見式(3)

(3)

因此，采區(qū)連續(xù)開采短邊寬度決定工作面DLZ帶的厚度，采寬效應(yīng)明顯。通過分析可知，30202工作面連續(xù)開采范圍短邊長度為550 m，因此得到延時加載帶厚度約為215～225 m。

靜載帶的厚度：根據(jù)SLZ帶的定義，位于DLZ帶上方，直到地表范圍的巖層組皆為SLZ帶，計算見式(4)

MSLZ=H-MILZ-MDLZ

(4)

SLZ帶的厚度由采深H、MILZ和MDLZ共同決定，得到30202工作面靜載帶厚度為415～425 m。

1.4 鉆孔揭露覆巖層位分析

煤層上方硬巖層的破斷是形成微震事件主要原因，其硬巖層分布也是頂板相關(guān)解危措施的重要依據(jù)。參照即時加載帶高度計算，對30202工作面覆巖進行劃分，具體見表1。

2 堅硬砂巖組覆巖周期破斷步距計算

2.1 第一組堅硬頂板周期來壓步距

當采煤工作面繼續(xù)推進，老頂周期性折斷或垮落的礦壓顯現(xiàn)成為老頂?shù)闹芷趤韷?。兩次周期來壓之間工作面推進的距離，叫周期來壓步距。周期來壓步距確定是將煤層上方堅硬頂板視為懸梁式結(jié)構(gòu)，老頂周期來壓步距的力學(xué)模型可簡化為懸梁式折斷進行計算，見式(5)[12]

(5)

表1 硬巖層分布匯總表(依據(jù)B22地質(zhì)孔相關(guān)資料)

式中：h—煤厚，取5.68 m；RT—上覆巖層極限抗拉強度，取5 810 kPa(取自沖擊傾向性鑒定數(shù)據(jù))；q—上覆巖層作用在老頂上的載荷，取975 kPa(取自支架選型數(shù)據(jù))。據(jù)計算，工作面第一組堅硬頂板的周期來壓步距為8 m。

2.2 第二組堅硬頂板周期來壓步距

來壓步距計算：同理，第二組堅硬頂板的極限跨距(即周期來壓步距)計算見式(5)。

式中：h—取第一組頂板厚度，取35.35 m(自3-1煤頂板至2-2煤頂板泥巖)；RT—上覆巖層極限抗拉強度，取5 810 kPa(取自沖擊傾向性鑒定數(shù)據(jù))；q—上覆巖層作用在老頂上的載荷，取975 kPa(取自支架選型數(shù)據(jù))。根據(jù)計算，工作面第二組堅硬頂板的周期來壓步距為49.8 m。

關(guān)鍵層位確定：隨著工作面持續(xù)回采，第一組頂板周期性破斷，主要表現(xiàn)為工作面周期性來壓，工作面繼續(xù)回采，第一組頂板垮落長度增加到一定距離，第二組頂板加載于直接頂及工作面的壓力開始增加，并呈現(xiàn)出周期性，主要表現(xiàn)為工作面來壓強度高、持續(xù)范圍大、持續(xù)時間長、大能量事件(105J)集中發(fā)生，對工作面動載擾動較大，是影響動力顯現(xiàn)的關(guān)鍵層位。

3 周期來壓與微震事件關(guān)系分析

3.1 30202工作面周期來壓統(tǒng)計

周期來壓統(tǒng)計：對8月23日—11月13日回采期間工作面綜采支架壓力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，共計發(fā)生周期來壓18次，來壓步距平均8.6 m，見表2。

平均周期來壓確定：根據(jù)周期來壓統(tǒng)計結(jié)果，周期來壓步距與理論計算基本吻合。周期來壓持續(xù)距離平均約10.9 m，因來壓間隔較短，周期來壓期間持續(xù)時間較長，來壓結(jié)束表征不明顯，因此以兩次來壓起點間隔時間作為本工作面周期來壓步距計算，來壓起始點間距平均19.1 m。

3.2 周期來壓與微震事件分布規(guī)律

數(shù)據(jù)統(tǒng)計：對統(tǒng)計區(qū)間內(nèi)微震能量及頻次班別統(tǒng)計，結(jié)果見表3。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，工作面周期來壓期間微震頻次為1 759個，占比為60%，微震能量為1.4×107J，占比為68%；非周期來壓期間微震頻次為1 185個，占比為40%，微震能量為6.6×106J，占比為32%。工作面周期來壓持續(xù)總班數(shù)為155班，平均每班微震頻次為11.3個，平均每班能量釋放為9.39×104J；非周期來壓所占總班數(shù)為89班，平均每班微震頻次為13.3個，平均每班能量釋放6.99×104J；周期來壓比非周期來壓每班微震頻次低15%，周期來壓期間比非周期來壓期間每班微震能量釋放高34.3%。

表2 30202工作面周期來壓信息統(tǒng)計表

表3 30202工作面周期來壓微震信息統(tǒng)計表

結(jié)果分析：周期來壓期間平均每個微震事件能量為8.29×103J，非周期來壓期間平均每個微震事件能量為5.33×103J，周期來壓較非周期來壓平均微震能量高55.5%。工作面周期來壓期間頂板處于彈性能逐漸積聚升高階段，微震事件發(fā)生頻次低于非周期來壓期間，但每次微震事件發(fā)生都會釋放出較高能量，工作面整體沖擊危險性也隨之增高。

3.3 大能量微震事件周期性分析

周期分布統(tǒng)計：對統(tǒng)計周期來壓期間內(nèi)105J及以上微震事件分布情況，見表4。

表4 105J微震事件周期性分布表

結(jié)果分析：由表4可知，工作面8月21日復(fù)采前停產(chǎn)時間較長，采空區(qū)不同層位頂板均已充分垮落。工作面采動后經(jīng)歷一個低層位覆巖周期性垮落后，開始進入高層位覆巖運動階段，因此第一階段前44.9 m統(tǒng)計為大周期的間隔距離；第三階段中10月11日微震事件能量釋放較高，接近106J，周期來壓提前結(jié)束。中高位頂板破斷周期為41～52 m，平均約46.2 m，與理論計算的中高位頂板極限破斷周期49.8m基本一致；周期來壓持續(xù)距離為38～54.5 m，平均約46.1 m。同時根據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)第一、二、四階段持續(xù)距離與周期來壓期間工作面回采速度呈負相關(guān)性，即工作面低速緩采，中高位覆巖來壓持續(xù)距離反而增加，中高位覆巖來壓持續(xù)距離也可能受高位覆巖大能量釋放提前結(jié)束，也說明了沖擊地壓工作面低速回采利于沖擊災(zāi)害防治。

4 結(jié)論

(1)30202工作面上覆巖層中，影響沖擊顯現(xiàn)的關(guān)鍵層位可分為兩組。第1組(低位)關(guān)鍵層為3-1煤頂板向上33.6 m范圍；第2組(中高位)頂板關(guān)鍵層為3-1煤頂板向上35.4～98.9 m(2-2中煤頂板向上63.6 m范圍)；其中第2組(中高位)頂板關(guān)鍵層是影響工作面回采期間沖擊顯現(xiàn)的主要層位。

(2)工作面在低位頂板周期性的破斷步距為19.1 m，主要表現(xiàn)為工作面周期性來壓；中高位頂板周期性破斷步距為46.2 m，主要表現(xiàn)為工作面來壓強度高、持續(xù)范圍大、持續(xù)時間長，高位頂板周期來壓期間大能量事件(105J)頻發(fā)，出現(xiàn)大能量微震事件概率較大。

(3)工作面在周期來壓期間，平均單班微震能量釋放比非來壓階段高34.3%，微震頻次較非來壓階段低15%，單事件平均能量較非來壓期間高55.5%，工作面受動載影響整體較高。發(fā)生沖擊地壓風(fēng)險加大。為確保工作安全高效回采，須加強工作面周期來壓期間(尤其是中高位頂板破斷期間)沖擊地壓防治安全技術(shù)措施。