楊偉利，林 強，魏全德，曲效成，王繼超，劉 星

(1.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.北京安科興業(yè)礦山安全技術(shù)研究院有限公司，北京 102299；3.濟寧礦業(yè)集團有限公司安居煤礦，山東 濟寧 272000)

沖擊地壓是嚴重威脅煤礦安全生產(chǎn)的動力災(zāi)害之一。隨著開采深度不斷增加和地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，由不等寬斷層煤柱誘發(fā)的沖擊地壓災(zāi)害時有發(fā)生，嚴重威脅著礦井的生產(chǎn)安全。如2011年河南義馬千秋煤礦21221工作面F16逆沖大斷層不等寬煤柱在運輸巷道掘進中發(fā)生一次嚴重的沖擊地壓災(zāi)害[1]，多段巷道閉合，10人遇難；山東濟三煤礦6303工作面開采中SF28不等寬斷層煤柱發(fā)生多次小規(guī)模沖擊[2]。此外，遼寧、黑龍江、河北、北京等多個省(市)的一些大采深礦井留設(shè)的不等寬斷層煤柱在工作面采掘中也多次發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。關(guān)于斷層或與斷層有關(guān)的煤柱誘發(fā)沖擊機制國內(nèi)眾多學(xué)者進行了研究，潘一山等[3]認為斷層沖擊地壓是斷層帶與上下盤圍巖變形失穩(wěn)導(dǎo)致，并據(jù)此建立了擾動響應(yīng)判別準則；李鵬等[4]認為斷層沖擊地壓是斷層帶圍巖活化錯動引起，并指出了斷層活化發(fā)生條件、孕育過程；李振雷等[5]研究得出斷層煤柱沖擊地壓與斷層解鎖滑移有關(guān)，通過建立斷層閉鎖與解鎖滑移的力學(xué)模型，得到了斷層閉鎖與解鎖滑移規(guī)律、影響因素及判定準則；曹安業(yè)等[6]認為斷層沖擊地壓是斷層所受載荷達到摩擦強度時突然錯動而釋放彈性能導(dǎo)致；郭壽松[7]認為臨斷層工作面回采導(dǎo)致斷層沿弱面滑動產(chǎn)生礦震而誘發(fā)沖擊地壓。已有研究成果主要側(cè)重于斷層活化錯動方面，但斷層煤柱誘發(fā)沖擊機制復(fù)雜，特別是不等寬斷層煤柱，斷層構(gòu)造應(yīng)力、臨斷層采動工作面上覆大范圍巖層運移等因素將會對不等寬斷層煤柱沖擊危險性產(chǎn)生耦合影響。本文以安居煤礦超千米采深且存在不等寬斷層煤柱工作面為工程背景，通過研究斷層構(gòu)造應(yīng)力，臨斷層采動工作面上覆巖層運移對沖擊地壓的影響，以揭示不等寬斷層煤柱誘沖機理。研究成果對斷層煤柱沖擊地壓防治具有重要意義。

1 工程概況

安居煤礦臨大斷層布置的2311工作面形狀不規(guī)則，整體為“刀把形”，如圖1所示。工作面平均埋深1105m，走向長1880m；工作面寬度由北向南依次為，北部寬段寬度190m，中間窄段寬度99m，南部窄段寬度130m；開采煤層厚度2.2～3.4m，平均2.78m；煤層傾角2°～9°，平均5°；煤體單軸抗壓強度13.79MPa，具有弱沖擊傾向。2311工作面周圍斷層分布及開采情況為，工作面西部為走向多變的F23正斷層(落差0～40m，傾角70°)，與斷層間煤柱寬度38～163m；工作面寬段東部為2313采空區(qū)(采空區(qū)寬度222m)，與采空區(qū)之間區(qū)段煤柱寬度5m；窄段東部為走向逐漸偏離工作面的FX24正斷層(落差20～160m，傾角60°～70°)，與工作面間煤柱最小寬度138m。2311工作面采用一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。

圖1 2311工作面布置

2311運輸巷與F23斷層之間的38～163m不等寬斷層煤柱側(cè)巷幫在巷道掘進中多次出現(xiàn)鉆檢卡鉆、吸鉆、煤炮等礦壓顯現(xiàn)，特別距離斷層較近的含煤巷道。圖1中1#鉆屑孔距下山930m，鉆檢中，0～8m鉆屑正常，9～10m卡鉆；2#鉆屑孔距下山970m，鉆檢中，0～8m鉆屑正常，9m煤炮；3#鉆屑孔距下山1200m，鉆檢中，0～9m鉆屑正常，10m吸鉆。據(jù)此判斷2311運輸巷與F23斷層之間的不等寬斷層煤柱具有較高的應(yīng)力集中，工作面采掘期間不等寬斷層煤柱側(cè)巷幫存在較高的沖擊危險性。

2 不等寬斷層煤柱沖擊地壓影響因素分析

2.1 F23正斷層構(gòu)造應(yīng)力影響

F23正斷層附近存在斷層構(gòu)造應(yīng)力，構(gòu)造應(yīng)力主要是受垂直擠壓作用形成的[8]。在斷層形成過程中，巖層上下盤沿著斷層面滑動，其中上盤相對下降，下盤相對上升，上下盤相對滑動中在斷層面附近形成破碎帶。由于破碎帶的影響，煤層上下盤的均布載荷將重新分布，依次形成應(yīng)力降低區(qū)(A區(qū))、應(yīng)力升高區(qū)(B區(qū))和原巖應(yīng)力區(qū)(C區(qū))。2311工作面與F23斷層之間煤柱位于應(yīng)力升高區(qū)，將受到斷層構(gòu)造應(yīng)力影響。

2.2 工作面開采導(dǎo)致上覆懸露巖層載荷影響

2311工作面開采中，采空區(qū)上方覆巖不斷由低位向高位垮落運動，達到動態(tài)平衡后，根據(jù)覆巖垮落形態(tài)，在垂直方向由下向上依次形成層次分明的垮落帶(Ⅰ帶)、離層帶(Ⅱ帶)和未動帶(Ⅲ帶)[9]，如圖2所示?？迓鋷槟軌螂S著煤層開采而及時垮落的巖層，盡管垮落效果較好，但靠近斷層煤柱區(qū)域巖層由于煤柱邊界效應(yīng)不能充分垮落，每層懸露巖層重量的一半由斷層煤柱承載，另一半由觸矸線附近支撐點巖層承載。離層帶為垮落帶上方向下沉降彎曲而與上覆巖層離層的巖層，離層帶巖層雖然裂隙發(fā)育，并向下大幅彎曲沉降，但仍然處于懸空狀態(tài)，該帶巖層重量一半作用于斷層煤柱。未動帶為離層帶上方至地表未出現(xiàn)離層的巖層，未動帶巖層通過下方傳力巖層對斷層煤柱施加靜載影響。

圖2 2311工作面開采中煤層上方覆巖結(jié)構(gòu)模型

綜合上述分析，2311工作面開采前，斷層煤柱承載F23斷層構(gòu)造應(yīng)力，導(dǎo)致運輸巷掘進中出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)；工作面開采后，采空區(qū)上方懸露覆巖所產(chǎn)生的應(yīng)力參與應(yīng)力疊加，被影響下的運輸巷在工作面回采中具有發(fā)生沖擊地壓的危險。

3 深井不等寬斷層煤柱誘發(fā)沖擊地壓機理及危險區(qū)劃分

3.1 斷層煤柱承載的F23斷層構(gòu)造應(yīng)力估算

為了得到F23正斷層構(gòu)造應(yīng)力分布的量化表達，將斷層兩側(cè)應(yīng)力分布近似為等腰三角形分布，則斷層上盤或下盤應(yīng)力分布狀態(tài)如圖3所示。由圖3可知，采用數(shù)學(xué)知識計算得到F23正斷層上盤或下盤應(yīng)力分布的分段函數(shù)表達式見式(1)。

式中，k為斷層構(gòu)造應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層容重，N/m3；x為距離斷層的水平距離，m；L為斷層單側(cè)影響范圍，m。

圖3 斷層上盤或下盤構(gòu)造應(yīng)力分布模型

3.2 不等寬斷層煤柱承載采空區(qū)上方懸露覆巖應(yīng)力估算

由圖3可知，不等寬斷層煤柱承載的采空區(qū)上方懸露覆巖應(yīng)力由兩部分組成，分別為采空區(qū)垮落帶、離層帶懸露巖層產(chǎn)生的應(yīng)力。

3.2.1 采空區(qū)垮落帶懸露巖層產(chǎn)生的應(yīng)力估算

采空區(qū)垮落帶內(nèi)每層懸露巖層重量的一半由斷層煤柱承擔(dān)，則垮落帶內(nèi)所有懸露巖層在斷層煤柱上產(chǎn)生的平均應(yīng)力σK為：

式中，α為巖層觸矸角，(°)；β為巖層巖移角，(°)；h1為巖層垮落帶高度，m。

巖層垮落帶高度為[10]：

h1=M/(KA-1)

(3)

式中，M為煤層厚度，m；KA為垮落帶巖石碎脹系數(shù)。

3.2.2 采空區(qū)離層帶懸露巖層產(chǎn)生的應(yīng)力估算

采空區(qū)離層帶懸露巖層重量的一半作用于斷層煤柱，其在斷層煤柱上產(chǎn)生的平均應(yīng)力σL為：

式中，a為采空區(qū)寬度，m；h2離層帶高度，非充分采動下，采場上方破裂巖層最大高度約為采空區(qū)寬度a的1/2[11，12]，則h2=a/2-h1，m。

3.3 不等寬斷層煤柱誘發(fā)沖擊地壓機理

不等寬斷層煤柱沖擊地壓發(fā)生仍然是應(yīng)力問題，深井高應(yīng)力條件下的不等寬斷層煤柱往往具有整體失穩(wěn)沖擊特征[13，14]。2311工作面開采中，斷層構(gòu)造應(yīng)力和采空區(qū)上方失穩(wěn)運動覆巖產(chǎn)生的應(yīng)力疊加后形成高支承壓力，不等寬斷層煤柱在高支承壓力下不斷積聚彈性能，當作用在其上的載荷超過極限綜合承載強度后，不等寬斷層煤柱被壓垮產(chǎn)生橫向變形，其中靠近開采空間的煤巖體沖擊破壞，積聚的高能量將煤巖體向巷道空間拋出而發(fā)生沖擊地壓。設(shè)不等寬斷層煤柱承載的高支承壓力為P，極限綜合承載強度為R，則不等寬斷層煤柱發(fā)生整體失穩(wěn)沖擊的力學(xué)條件可表示為：

P/R>1.0

(5)

式(5)中R未知，下面結(jié)合F23斷層與2311工作面實際地質(zhì)及開采條件分析不等寬斷層煤柱的綜合承載強度R。

將式(1)—(6)聯(lián)立可得深井不等寬斷層煤柱能否發(fā)生沖擊的力學(xué)判別式，據(jù)此可圈定危險巷道。但由于斷層煤柱寬度不斷變化，導(dǎo)致臨斷層巷道所處的斷層構(gòu)造應(yīng)力函數(shù)分段不同，實際應(yīng)用中需結(jié)合具體條件進行聯(lián)立計算。

圖4 斷層煤柱綜合承載強度模型

3.4 不等寬斷層煤柱導(dǎo)致的沖擊危險區(qū)劃分

3.4.1 2311不等寬斷層煤柱綜合承載強度估算

根據(jù)F23斷層地質(zhì)情況，斷層破碎帶取10m；除圖5中1#橢圓標注區(qū)域巷道塑性區(qū)寬度取5m外(由于巷道圍巖為巖層未卸壓)，其它區(qū)域的卸壓帶寬度為15m；煤體單軸抗壓強度為13.79MPa；F23斷層破碎區(qū)、不等寬斷層煤柱卸壓塑性區(qū)和彈性區(qū)煤體抗壓系數(shù)λp、λs、λe分別取1、1、4。將參數(shù)代入式(6)得到不等寬斷層煤柱卸壓區(qū)(RXY)和未卸壓區(qū)(RWXY)綜合承載強度與其寬度x的函數(shù)式分別為式(7)和式(8)。

圖5 等寬斷層煤柱綜合承載強度和支承壓力計算模型

3.4.2 2311運輸巷斷層構(gòu)造應(yīng)力估算

2311工作面采深為1105m；F23斷層構(gòu)造應(yīng)力集中系數(shù)取1.9；斷層單側(cè)構(gòu)造應(yīng)力影響范圍取100m；上覆巖層平均容重取25kN/m3。將參數(shù)代入式(1)得到F23斷層構(gòu)造應(yīng)力分布的分段函數(shù)如式(9)。

根據(jù)式(9)可得到2311運輸巷不同位置受F23斷層構(gòu)造應(yīng)力影響大小。

3.4.3 不等寬斷層煤柱承載的上方懸露覆巖應(yīng)力估算

由圖6可知，2311工作面寬度存在變化，導(dǎo)致不同寬度采空區(qū)上方懸露覆巖向不等寬斷層煤柱轉(zhuǎn)移的應(yīng)力不同，為此將工作面分為M、N和Q區(qū)域分別計算。

根據(jù)2311工作面地質(zhì)條件及設(shè)計，采深為1105m，M區(qū)域采空區(qū)寬度為130m；開采煤層厚度M為2.78m；垮落帶巖石碎脹系數(shù)KA取1.1；N區(qū)域采空區(qū)寬度為99m；Q區(qū)域采空區(qū)寬度為417m；上覆巖層巖移角β和觸矸角α分別取76°、65°；上覆巖層平均容重取25kN/m3。將相關(guān)參數(shù)代入式(2)和式(3)并疊加，得到M、N(分為卸壓和未卸壓)和Q區(qū)域采空區(qū)上方懸露覆巖轉(zhuǎn)移到不等寬斷層煤柱上的總應(yīng)力分別為式(10)—(13)。

3.4.4 沖擊危險區(qū)劃分

2311不等寬斷層煤柱形狀不規(guī)則，無法建立基于煤柱寬度x的函數(shù)式。為了運用式(7)—(13)計算，同時滿足防沖需要，采用窮舉法。以運輸巷和切眼交叉點為坐標原點，以水平運輸巷為x軸，過坐標原點垂直運輸巷向上為y軸建立坐標系，如圖7所示；然后從坐標原點開始每隔100m分別量取煤柱寬度70m、88m、93m、104m、120m、139m、156m、144m、81m、36m、38m、80m、102m、100m、82m、76m、78m、78m、79m、77m。將參數(shù)分別代入式(7)—(8)，并用平滑曲線將計算結(jié)果點連接，得到不等寬斷層煤柱綜合承載強度曲線如圖6所示。將參數(shù)代入式(9)～(13)并疊加，并用平滑曲線連接，得到不等寬斷層煤柱高支承壓力分布曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，2311運輸巷距切眼870～1044m和1330～1880m為沖擊危險區(qū)域。

圖6 不等寬斷層煤柱綜合承載強度和 支承壓力分布曲線

4 工程驗證

2311運輸巷在巷道掘進期間除圖5中1#橢圓標注區(qū)域巷道為巖巷未對巷道煤柱幫實施卸壓外(圍巖穩(wěn)定，實施了普通錨網(wǎng)索支護)，其它區(qū)域均施工了孔深15m、孔徑125mm、孔間距3m的大直徑鉆孔預(yù)卸壓措施；并在煤柱內(nèi)布置了應(yīng)力測點加強監(jiān)測。為防止圖5中1#、2#橢圓標注區(qū)域巷道在工作面回采期間發(fā)生沖擊，對1#區(qū)域?qū)嵤┝溯o助單體補強支護措施；將2#區(qū)域卸壓孔深度增至20m，同時將鉆孔間距加密到1.5m。2311運輸巷在工作面回采中除圖5中1#區(qū)域巖巷斷層側(cè)巷幫出現(xiàn)輕微礦壓顯現(xiàn)(金屬網(wǎng)破裂4m2)外，2#區(qū)域一切正常。

由于精確圈定了危險區(qū)，提前針對性地采取了預(yù)卸壓和補強支護措施，實現(xiàn)了2311工作面的安全開采。

5 結(jié) 論

1)大埋深斷層附近依次形成應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，構(gòu)建了斷層構(gòu)造應(yīng)力分布模型并提出了量化估算方法。

2)深井臨斷層工作面開采導(dǎo)致采空區(qū)上方懸露覆巖應(yīng)力和斷層構(gòu)造應(yīng)力疊加超過不等寬斷層煤柱綜合強度，是導(dǎo)致不等寬斷層煤柱沖擊地壓發(fā)生的根本原因。

3)基于不等寬斷層煤柱沖擊機理推導(dǎo)了不等寬斷層煤柱能否發(fā)生沖擊的力學(xué)判別式，并據(jù)此精確劃分沖擊危險區(qū)，可以指導(dǎo)現(xiàn)場提前采取針對性防治措施。

4)研究的不等寬斷層煤柱能否發(fā)生沖擊的力學(xué)判別方法是初步的，需要在工程實踐中不斷優(yōu)化。