王建華 滿 操 翟朝鐸 耿慶超 儲丹東 張鈺庚

（1.濟寧礦業(yè)集團有限公司霄云煤礦；2.山東能源集團沖擊地壓防治研究中心；3.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院）

煤層沖刷變薄區(qū)對工作面回采有一定的影響，增加了割矸難度［1］。另一方面，煤層厚度變化與瓦斯含量有一定的關系［2］，當煤層厚度越大，瓦斯含量越大，煤層厚度由厚變薄的區(qū)域，則容易發(fā)生以突出形式為特征的動力現(xiàn)象［3］，所以瓦斯動力災害發(fā)生地點往往在煤層厚度急劇變化的區(qū)域。沖刷帶破壞了煤層的連續(xù)性，同時影響了正常工作面回采的開采布局，開采過程中給頂板管理、巷道支護和維護等帶來諸多困難，不利于安全生產(chǎn)［4］。基于沖刷帶的復雜性，國內(nèi)外學者開展了大量研究，王宇林等［5］就對沖刷帶形成階段及沉積環(huán)境進行了分類，闡述了煤層沖刷帶的各種特征。趙同彬等［6］揭示了煤層厚度變異區(qū)應力分布情況，在煤厚變化不同情況下會經(jīng)歷“單、雙峰值應力曲線”。曹代勇等［7］發(fā)現(xiàn)構造作用是促成煤層厚度變化的主要因素。牛森營［8］分析了煤厚變化對應力分布、瓦斯突出的影響，并提出了煤厚變化對突出的控制機理。劉憲正等［9］總結了工作面通過沖刷帶的方法，并根據(jù)現(xiàn)場論證探討了如何合理、科學的過沖刷帶。謝廣祥［10］對不同煤厚采高下圍巖應力場進行了分析，隨著開采煤厚的增大，分布影響范圍越大。

綜上可知，目前對沖刷帶煤層厚度變化區(qū)的微震活動規(guī)律研究不足，沒有深入研究應力分布與微震之間的關系。因此，研究煤層沖刷帶附近應力場分布特征和微震活動規(guī)律，對于揭示礦壓顯現(xiàn)規(guī)律具有一定的科學意義。

1 工作面簡介

霄云煤礦1314工作面埋深較大，最大開采深度接近700 m，被評價為弱沖擊地壓危險性。該工作面北為1312工作面采空區(qū)，南為村莊保護煤柱，西至1314膠帶順槽聯(lián)絡巷，東側為采區(qū)邊界煤柱。煤層走向北西，傾向北東，傾角7°～17°，平均傾角14°，煤層為黑色，煤層厚度為2.0～3.7 m，平均2.85 m，較穩(wěn)定。直接頂、直接底、老頂、老底中除直接底為泥巖，其他均為細砂巖，厚度分別為2.7，0.5，10.9，5.9 m。工作面局部區(qū)域內(nèi)煤層中下部有一層夾矸，厚度為0.5 m左右，總體對回采影響較小，但是工作面內(nèi)發(fā)育2條煤層沖刷變薄區(qū)，受沖刷區(qū)影響，工作面內(nèi)局部煤層厚度變化大，對回采有較大影響。工作面平面布置和煤巖層綜合柱狀圖見圖1。

2 沖刷帶區(qū)域應力分布的數(shù)值模擬

2.1 沖刷帶特征

結合三維物探資料，在工作面內(nèi)預計有2個沖刷帶，其中沖刷變薄區(qū)Ⅰ在工作面回采范圍外，對工作面回采影響較小，沖刷變薄區(qū)煤層厚度均小于3 m。沖刷變薄區(qū)Ⅱ變薄長度約200 m，影響面積為48 249 m2。根據(jù)該區(qū)域兩順槽實際揭露情況，沖刷變薄區(qū)Ⅱ內(nèi)煤層頂板均為中砂巖，水平層理發(fā)育，局部夾泥巖薄層，厚度約2.8 m，巖石硬度系數(shù)f=6～8；直接底為粉砂巖，呈層狀結構，裂隙較發(fā)育，厚度為1.0～1.4 m，平均厚1.2 m，巖石硬度系數(shù)f=4～6，巖石較硬；老底為細砂巖，水平層理，厚度約13 m，巖石硬度系數(shù)f=8～10，巖石堅硬（圖2）。

由于沖刷變薄區(qū)Ⅱ內(nèi)煤厚小于2.5 m的范圍較大，底板巖石堅硬，工作面在通過該沖刷變薄區(qū)時增加了割矸難度，同時在沖刷區(qū)起、末兩端最易失穩(wěn)，故該沖刷變薄區(qū)對工作面影響較大。

2.2 沖刷帶應力模型

圖3為沖刷帶應力分布示意圖，工作面前方到?jīng)_刷帶區(qū)域之間會出現(xiàn)雙應力峰值，當煤層局部厚度變薄前應力會緩慢下降，在變化區(qū)域端點下降至最低值，然后在煤層局部變薄過程中逐漸增加。總之，煤層厚度變化區(qū)域應力強度在超前峰值以后都經(jīng)歷先減少到增加的過程，并且厚度變化區(qū)有較大的應力落差。煤層厚度變化區(qū)的起始位置應力突然增加，然后劇烈下降，且在逐漸變薄后應力逐漸增加，最終趨于某一值。應力差值越大，煤層越不穩(wěn)定，在較大應力差處容易失穩(wěn)。

2.3 沖刷帶區(qū)域應力演化數(shù)值模擬結果

沖刷帶應力分布云圖見圖4，對于原巖垂直應力，當煤層進入沖刷帶起始段應力會稍微下降，其后應力發(fā)生明顯的增加，在厚度變化區(qū)，應力隨著距沖刷帶距離的減小而增加，并在變化區(qū)末端達到峰值（16.3 MPa），工作面回采進入沖刷帶區(qū)域，垂直應力變化趨勢與原巖應力變化大致相同，其中沖刷帶厚度變化起始點垂直應力為13.4 MPa，末端垂直應力為15.4 MPa。在進入沖刷帶厚度變化區(qū)時，垂直應力會有較大的落差，落差越大，煤層越易失穩(wěn)。對于煤層水平應力，未開采前與回采時水平應力變化趨勢大致相同，在起始點先稍微下降然后再逐漸顯著增加。但是在垂直方向上，沖刷帶厚度變化區(qū)煤層應力與上下巖層的水平壓力有著明顯的差異，未回采前煤層水平應力明顯大于上下巖層的水平壓力，但是回采過程中與之相反。根據(jù)煤層的受力情況，當煤層的厚度發(fā)生變化后，煤層的內(nèi)部附加水平應力會發(fā)生變化，而且水平應力的變化程度明顯大于垂直應力。

不同產(chǎn)狀下應力情況見圖5。兩種情況下應力變化趨勢大致相同，其中5 m變化區(qū)比10 m變化區(qū)附加水平應力變化劇烈，應力落差較大，且煤層頂板應力大于底板應力。在5 m變化區(qū)起點、中部、末端，煤層上部應力分別為11.34，13.05，12.16 MPa；在10 m變化區(qū)起點、中部、末端，煤層上部應力分別為9，11.9，11.7 MPa，5 m變化區(qū)應力明顯大于10 m變化區(qū)。因此，對于沖刷帶煤層厚度變化區(qū)，產(chǎn)狀變化程度越大，水平應力變化越劇烈，煤層越不穩(wěn)定。

3 沖刷帶附近微震活動規(guī)律

霄云煤礦安裝有KJ648型微震監(jiān)測系統(tǒng)，通過分析震動能量、震源及釋放能量的大小，可以揭示1314工作面沖刷帶分布對微震活動規(guī)律的影響，確定和分析礦山震動進一步發(fā)展的趨勢，從而對可能發(fā)生的沖擊地壓危險進行預測。1314工作面回采過程中經(jīng)過沖刷帶的微震震源定位如圖6所示。震源統(tǒng)計結果見表1。

利用微震系統(tǒng)進行震源定位，從而劃分出微震活動帶。通過定位可以得出微震事件普遍分布在橢圓形（沖刷帶）區(qū)域（圖6），一少部分分布在煤柱區(qū)域，厚煤層穩(wěn)定性大于薄煤層，當煤層厚度由厚變薄后，煤層應力會顯著增加，故在沖刷帶內(nèi)部微震事件明顯大于煤層較厚區(qū)域。

根據(jù)1314工作面沖刷帶應力分布規(guī)律得出，沖刷帶煤層厚度變化區(qū)內(nèi)部會產(chǎn)生較大的應力差，故沖刷帶邊緣區(qū)域微震事件相對集中，微震事件數(shù)明顯大于沖刷帶內(nèi)部。通過表1可知，回采過程中微震事件數(shù)量相對較多，但是事件能量相對較小。

4 結論

（1）煤層通過構造作用形成沖刷帶后，隨著煤層厚度發(fā)生變化，煤層內(nèi)部附加水平應力會發(fā)生變化，而且水平應力的變化程度明顯大于垂直應力，工作面前方到?jīng)_刷帶區(qū)域會出現(xiàn)2個峰值應力區(qū)。

（2）對于沖刷帶煤層厚度變化區(qū)，產(chǎn)狀變化程度越大，附加水平應力變化越劇烈，煤層穩(wěn)定性越差，同時工作面前方第二個峰值應力越大。

（3）1314工作面回采過程中微震事件數(shù)量相對較多，但是事件能量相對較小。微震事件相對集中在沖刷帶邊緣，故在回采過程中沖刷帶邊緣區(qū)煤層較容易變形破壞，并且厚煤層穩(wěn)定性大于薄煤層。

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