李劍鋒，羅武賢，李 兵，朱金標(biāo)，朱彥飛，賀 虎

(1.徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221018；2.江蘇徐礦能源股份有限公司 張雙樓煤礦，江蘇 徐州 221616；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤礦開采導(dǎo)致煤巖應(yīng)力重新分布，煤巖中積聚的大量彈性能突然釋放導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生[1-3]。根據(jù)相關(guān)研究，局部應(yīng)力異常易誘發(fā)沖擊地壓，沖擊地壓發(fā)生區(qū)與斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造息息相關(guān)[4-7]。煤層合并屬于地質(zhì)構(gòu)造形式之一，通常情況下該區(qū)域地應(yīng)力分布異常，在此區(qū)域進(jìn)行采掘作業(yè)，容易發(fā)生沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害事故，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一定的研究[8-9]。宋振騏[10]統(tǒng)計(jì)了四川天池煤礦沖擊地壓事件，發(fā)現(xiàn)30%以上沖擊地壓發(fā)生在煤厚變異區(qū)。牛森營(yíng)[11]同樣發(fā)現(xiàn)一半以上的沖擊地壓事件發(fā)生在煤厚變異區(qū)。趙同彬等[12]研究了煤厚變化對(duì)超前支承壓力分布特征和能量演化規(guī)律的影響，揭示了煤厚變異區(qū)煤層開采沖擊地壓發(fā)生的力學(xué)機(jī)制。孫振武[13]根據(jù)地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量和礦壓觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在煤層厚度變化的局部區(qū)域往往會(huì)發(fā)生構(gòu)造應(yīng)力異常現(xiàn)象，即應(yīng)力集中。任衷平等[14]針對(duì)煤層厚度變化對(duì)煤礦沖擊危險(xiǎn)的影響，采用數(shù)值模擬方法，分析了不同煤層厚度變化條件下應(yīng)力和彈性應(yīng)變能分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)工作面推進(jìn)至煤層厚度變化處時(shí)，其應(yīng)力是煤層未開挖時(shí)的1.37倍；而彈性應(yīng)變能是煤層未開挖時(shí)的2倍。陳峰等[15]研究了不同底煤厚度作用下應(yīng)力波誘發(fā)特厚煤層巷道底板沖擊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力擾動(dòng)的作用是使處于極限應(yīng)力下的煤體應(yīng)力增加并打破平衡狀態(tài)從而誘發(fā)底板沖擊。劉廣建等[16]利用了黏滑模型解釋煤層分叉引發(fā)的沖擊地壓?jiǎn)栴}，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵層斷裂動(dòng)載和煤體高靜載應(yīng)力疊加易引發(fā)沖擊地壓。以徐州張雙樓煤礦為工程背景，利用FLAC3D模擬研究煤層合并區(qū)煤厚變化對(duì)煤體應(yīng)力演化的影響規(guī)律，分析煤層合并區(qū)礦震能量、頻次及空間分布特征，提出了采用沖擊變形能評(píng)價(jià)合并區(qū)沖擊危險(xiǎn)性的方法，制定了煤層合并區(qū)沖擊地壓防治技術(shù)，以期為類似條件的沖擊地壓防治提供借鑒與指導(dǎo)。

1 工程概況

江蘇徐礦能源股份有限公司張雙樓煤礦主采7煤和9煤，平均間距約20 m，在部分區(qū)域出現(xiàn)2層煤合并現(xiàn)象。74102工作面主采煤層為7煤，平均厚度約2.85 m，煤層埋藏深度為1 020～1 132 m。在其東北部存在大面積7、9煤合并區(qū)，如圖1所示。由歷史統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，煤層合并區(qū)的沖擊地壓發(fā)生概率高于其他區(qū)域。張雙樓煤礦西一采區(qū)采掘過(guò)程中共發(fā)生了20次能量高于105J的礦震，其中15次位于煤層合并區(qū)及其邊緣，研究煤層合并區(qū)沖擊機(jī)理與監(jiān)測(cè)防治技術(shù)，對(duì)張雙樓煤礦具有重要指導(dǎo)意義。

圖1 74102工作面布置Fig.1 Layout of No.74102 working face

2 煤層合并區(qū)煤體應(yīng)力演化規(guī)律

2.1 數(shù)值模型及參數(shù)

數(shù)值模擬方法是研究構(gòu)造沖擊問(wèn)題的重要手段[17-19]，采用FLAC3D有限差分軟件，模型包含74102工作面非合并區(qū)(至開切眼距離0～200 m)、煤厚6 m合并區(qū)(至開切眼距離200～390 m)、煤厚8 m合并區(qū)(至開切眼距離390～780 m)以及出合并區(qū)(至開切眼距離780～900 m)，模型尺寸1 000 m×385 m×156 m。選擇摩爾-庫(kù)侖塑性本構(gòu)模型，節(jié)理采用面-面接觸的方式，模型頂部施加等效地應(yīng)力24.5 MPa，模型如圖2所示。

圖2 74102工作面Fig.2 No.74102 working face

2.2 煤厚變化區(qū)對(duì)應(yīng)力的影響

以圖2中非合并區(qū)邊界為起點(diǎn)(起始位置)，不同推進(jìn)距離工作面煤壁前方煤層垂直應(yīng)力變化曲線如圖3所示。由圖3可知，工作面接近合并區(qū)100 m時(shí)，煤體應(yīng)力開始急劇上升，表明合并區(qū)超前影響范圍約為100 m。當(dāng)接近合并區(qū)50 m時(shí)，受煤層合并影響達(dá)到最大值，此時(shí)應(yīng)力梯度最大，沖擊危險(xiǎn)程度最高。隨著合并區(qū)煤層厚度變大，應(yīng)力緩慢上升，但上升幅度不大，此時(shí)應(yīng)力梯度較小，沖擊危險(xiǎn)程度高，但沖擊危險(xiǎn)性變化不大。工作面遠(yuǎn)離合并區(qū)60 m范圍內(nèi)，應(yīng)力依然處于較高水平，80 m以后應(yīng)力恢復(fù)至正常值，表明合并區(qū)滯后影響范圍約80 m，強(qiáng)烈影響范圍為60 m。

圖3 工作面前方煤壁垂直應(yīng)力Fig.3 Vertical stress in front of working face at different positions

不同推進(jìn)距離巷道垂直應(yīng)力變化曲線如圖4所示。由圖4a可知，在距合并區(qū)120 m時(shí)，煤層合并開始影響巷道應(yīng)力分布，運(yùn)輸巷垂直應(yīng)力峰值為112.4 MPa；隨著與合并區(qū)距離的減小，運(yùn)輸巷垂直應(yīng)力逐漸增加；當(dāng)即將進(jìn)入合并區(qū)時(shí)，運(yùn)輸巷垂直應(yīng)力峰值增加至120.1 MPa。進(jìn)入煤厚6 m合并區(qū)時(shí)，運(yùn)輸巷垂直應(yīng)力峰值為125.3 MPa，大于非合并區(qū)峰值，如圖4b所示。進(jìn)入煤厚8 m合并區(qū)域時(shí)，運(yùn)輸巷垂直應(yīng)力峰值進(jìn)一步增加至129 MPa，如圖4c所示。穿過(guò)煤層合并區(qū)后再次進(jìn)入非合并區(qū)時(shí)，應(yīng)力逐漸由119.3 MPa逐漸降低至111.5 MPa(圖4d)，滯后影響范圍為80 m。結(jié)果表明，工作面在煤層合并區(qū)推進(jìn)時(shí)的峰值應(yīng)力大于非煤層合并區(qū)，且合并區(qū)煤層越厚，峰值應(yīng)力越大。合并區(qū)超前與滯后影響區(qū)范圍的確定為合理確定防沖監(jiān)測(cè)與防治技術(shù)提供了依據(jù)。

圖4 不同推進(jìn)距離巷道底板垂直應(yīng)力Fig.4 Vertical stress of roadway floor at different positions

3 基于沖擊變形能的煤層合并區(qū)沖擊危險(xiǎn)變化規(guī)律

根據(jù)上述模擬結(jié)果，煤層合并區(qū)對(duì)煤體應(yīng)力集中具有增大作用，尤其在進(jìn)出合并區(qū)階段應(yīng)力梯度大，同時(shí)超前與滯后影響范圍大。因此，對(duì)于合并區(qū)的沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警需要能夠反映應(yīng)力集中與能量釋放的指標(biāo)。沖擊變形能指標(biāo)[20]能夠反映出煤體內(nèi)應(yīng)力的積聚狀況，數(shù)值越大，說(shuō)明其越接近沖擊狀態(tài)，沖擊變形能預(yù)警指標(biāo)值Wε計(jì)算方法為

(1)

其中：N為上一次宏觀破裂之后礦震事件總數(shù)；Ei為上一次宏觀破裂之后第i次礦震事件所釋放的能量；Eεt為沖擊變形能的當(dāng)前值；Eεl為沖擊變形能的臨界值；E0為沖擊變形能的初始值。沖擊變形能0～<0.25為無(wú)沖擊危險(xiǎn)；0.25～<0.50為弱沖擊危險(xiǎn)；0.50～<0.75為中等沖擊危險(xiǎn)；≥0.75為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。以74102工作面進(jìn)入合并區(qū)前、進(jìn)入合并區(qū)、出合并區(qū)3個(gè)階段繪制沖擊變形能變化如圖5所示。如圖5a所示，工作面在距離合并區(qū)200 m時(shí)，合并區(qū)邊緣已經(jīng)開始出現(xiàn)能量集中，在合并區(qū)邊緣沖擊變形能最大值為0.26，處于弱沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)；圖5b為工作面回采進(jìn)入煤層合并區(qū)時(shí)沖擊變形能預(yù)警圖，可以看出，在合并區(qū)邊緣出現(xiàn)局部高沖擊變形能區(qū)域，雖然范圍小，但是高于0.75，即強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)，反映了高應(yīng)力梯度導(dǎo)致的局部能量異常釋放。圖5c為工作面距離出合并區(qū)100 m的沖擊變形能預(yù)警，可以看出煤層合并區(qū)整體應(yīng)力與能量聚集程度較高，但分布較為均勻，反映了進(jìn)入煤層合并區(qū)后沖擊危險(xiǎn)性整體較高，但是分布均勻穩(wěn)定，沒(méi)有大的突變，沖擊變形能預(yù)警指數(shù)最大值為0.6，為中等沖擊危險(xiǎn)性。沖擊變形能的演化規(guī)律與數(shù)值模擬的結(jié)果具有一定的相似性。

圖5 工作面至合并區(qū)不同距離時(shí)沖擊變形能分布Fig.5 Distribution of strain energy at different distances between working face and composite zone

4 煤層合并區(qū)沖擊防治和效果

4.1 超深穿層底煤卸壓-注水防沖技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果表明，煤層合并區(qū)高應(yīng)力導(dǎo)致煤體中存儲(chǔ)較大能量，回采過(guò)程震動(dòng)頻次高，震動(dòng)能量大，易誘發(fā)沖擊地壓。因此需要采取降低煤體應(yīng)力和彈性儲(chǔ)能能力措施，以達(dá)到降低沖擊危險(xiǎn)的目的。為了對(duì)合并區(qū)的底煤進(jìn)行全面卸壓處理，提出煤層合并區(qū)超深孔底煤卸壓-注水防沖技術(shù)，配合順層大直徑鉆孔卸壓，如圖6所示。根據(jù)模擬結(jié)果，74102工作面距離合并區(qū)200 m時(shí)開始進(jìn)行預(yù)卸壓工作，在軌道巷和運(yùn)輸巷工作面前方施工長(zhǎng)距離預(yù)卸壓鉆孔，并對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔、采用高壓、低壓相結(jié)合的方式進(jìn)行注水預(yù)卸壓。鉆孔垂直巷幫(誤差±5°)，平行煤層層面(施工至煤層合并區(qū)時(shí)，仰角比頂板傾角小2°～3°)，鉆孔直徑129 mm；回風(fēng)巷全程孔深80 m，運(yùn)輸巷距離開切眼600～880 m孔深80 m，在距離開切眼1 024～1 294 m孔深110 m。同時(shí)，配合巷道內(nèi)底煤爆破、底煤大直徑鉆孔卸壓等防沖技術(shù)，成功控制沖擊地壓的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了安全高效開采。

圖6 超深穿層底煤卸壓-注水與順層鉆孔卸壓技術(shù)Fig.6 Super-deep crossing-seam destress-water injection hole and parallel-seam drilling destress technology

4.2 防治效果

回采過(guò)程中，采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)震動(dòng)頻次與能量進(jìn)行分析，如圖7所示。工作面在非煤層合并區(qū)推進(jìn)時(shí)，礦震每日頻次約10次，能量約20 kJ，最大能量為60 kJ，累計(jì)能量和震動(dòng)頻次均較小。進(jìn)入煤層合并區(qū)微震事件累計(jì)能量和震動(dòng)頻次顯著增大，礦震每日頻次約20次，能量約50 kJ，最大能量約140 kJ，其值均為非合并區(qū)的2倍以上。同樣反映出煤層合并區(qū)礦震活動(dòng)頻繁，應(yīng)力高，但是74102工作面在掘進(jìn)和回采穿過(guò)煤層合并區(qū)時(shí)未發(fā)生沖擊地壓事故。工作面進(jìn)入并穿過(guò)7、9煤煤層合并區(qū)時(shí)，雖然礦震頻次較高，但是主要以小能量礦震為主。說(shuō)明所采取的卸壓措施有效減小了應(yīng)力集中和能量積聚，降低了沖擊地壓發(fā)生的可能性，保證了工作面安全回采。

圖7 74102工作面微震事件累計(jì)能量、震動(dòng)頻次變化Fig.7 Accumulated energy and frequency of microseismic events in No.74102 working face

5 結(jié) 論

1)模擬研究了煤層合并區(qū)對(duì)煤層應(yīng)力演化規(guī)律的影響，確定了煤層合并區(qū)超前與滯后影響范圍。工作面接近合并區(qū)時(shí)應(yīng)力梯度最大，沖擊危險(xiǎn)程度最大；進(jìn)入合并區(qū)后隨著底煤厚度變大，應(yīng)力緩慢上升，但上升幅度不大，此時(shí)應(yīng)力梯度較小，沖擊危險(xiǎn)程度高，但沖擊危險(xiǎn)性變化不大；出合并區(qū)后一定范圍內(nèi)依然會(huì)受合并區(qū)影響，具有明顯的滯后性。

2)提出了采用沖擊變形能對(duì)煤層合并區(qū)進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警的方法。沖擊變形能能夠有效顯示工作面距離合并區(qū)不同階段的能量演化規(guī)律。

3)提出了合并區(qū)超深穿層底煤卸壓-注水與順層鉆孔卸壓相結(jié)合的防沖技術(shù)方案，通過(guò)在煤層中實(shí)施超深穿層卸壓-注水孔，實(shí)現(xiàn)了工作面底煤的全覆蓋卸壓處理，取得了顯著防沖效果。