肖自義，丁希陽，左常清，韓傳磊，王士朋

(1.國(guó)家礦山安全監(jiān)察局山東局，山東省濟(jì)寧市，273500；2.汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司，山東省濟(jì)寧市，272500)

沖擊地壓是煤炭開采過程中出現(xiàn)的一種嚴(yán)重的動(dòng)力災(zāi)害。隨著我國(guó)煤礦開采深度和開采強(qiáng)度的逐年加大，沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生頻次、強(qiáng)度及破壞程度呈上升趨勢(shì)，沖擊地壓已經(jīng)成為我國(guó)深部煤礦開采所面臨的重大安全問題[1-2]。

地塹構(gòu)造是由斷層形成的一種特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)，為兩側(cè)被高角度斷層圍限、中間下降的槽形斷塊構(gòu)造。研究表明，沖擊地壓的空間分布明顯受控于區(qū)域內(nèi)大的斷裂構(gòu)造，當(dāng)采掘工作面臨近斷層時(shí)，工作面或巷道發(fā)生沖擊地壓的概率將明顯增加，且與一般沖擊地壓相比，斷層沖擊地壓破壞性更強(qiáng)、影響范圍更大[3-4]。為揭示斷層構(gòu)造誘發(fā)沖擊地壓機(jī)理，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開展了大量的研究工作。潘一山等[5]開展了斷層沖擊地壓理論試驗(yàn)與研究，初步揭示了采動(dòng)誘發(fā)斷層活化機(jī)制；姜耀東等[6]研究了“兩硬”條件正斷層影響下的沖擊地壓發(fā)生規(guī)律；姜福興等[7]從微震監(jiān)測(cè)角度探究了硬巖斷裂型礦震誘發(fā)沖擊機(jī)制。

多數(shù)學(xué)者對(duì)斷層沖擊地壓的研究是針對(duì)單一斷層展開的，而實(shí)際礦山開采過程中斷層構(gòu)造往往并不是單一存在的，多條斷層組合形成的階梯狀斷層帶、地塹和地壘等地質(zhì)構(gòu)造在礦山開采中較為常見[8-9]。目前，對(duì)這類地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域開采沖擊地壓發(fā)生機(jī)制的研究相對(duì)較少。因此，筆者以義橋煤礦地塹構(gòu)造區(qū)3307工作面為工程背景，運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)的方法分析工作面開采應(yīng)力場(chǎng)分布及斷層活化規(guī)律，揭示地塹構(gòu)造區(qū)綜放工作面開采誘沖機(jī)理，并針對(duì)性提出工作面沖擊地壓防治技術(shù)，確保工作面安全高效生產(chǎn)，同時(shí)為類似地質(zhì)條件下沖擊地壓防治提供參考。

1 工程背景

3307工作面是義橋煤礦三采區(qū)第3個(gè)綜放工作面，整體埋深為390～760 m。工作面四周被斷層切割形成地塹，北側(cè)為SF21斷層(∠60°H，落差33 m)，南側(cè)為SF6(∠60°H，落差40 m)，西側(cè)為YF7斷層(∠70°H，落差>600 m)，東側(cè)為三采區(qū)集中巷，3307工作面位置剖面如圖1所示。

圖1 3307工作面位置剖面

工作面開采3號(hào)煤層，煤層平均厚度4.1 m，平均傾角13°，普氏硬度1.48，采用綜放開采工藝一次采全高。煤層頂?shù)装鍘r層情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層情況表

經(jīng)煤巖層沖擊傾向性鑒定試驗(yàn)，3號(hào)煤層動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間平均值為161 ms，沖擊能量指數(shù)平均值為1.38，彈性能量指數(shù)平均值為2.28，單軸抗壓強(qiáng)度平均值為14.47 MPa，綜合判定3號(hào)煤層具有弱沖擊傾向性；3號(hào)煤層頂板巖層彎曲能量指數(shù)為272.23 kJ，判定頂板巖層具有強(qiáng)沖擊傾向性。

2 地塹區(qū)綜放工作面開采誘沖機(jī)理模擬研究

2.1 三維數(shù)值模型建立

依據(jù)3307工作面工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件[10]，構(gòu)建地塹構(gòu)造區(qū)三維數(shù)計(jì)算模型，如圖2所示。模型4個(gè)側(cè)面為水平位移約束，底面為豎向位移約束，頂面為載荷邊界，煤層埋深按照500 m計(jì)算，重力加速度10 m/s2，模型上邊界施加13.5 MPa的垂直應(yīng)力。

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型

在該數(shù)值模型中，工作面開切眼長(zhǎng)度為200 m，兩側(cè)巷道為4 000 mm×3 000 mm(寬×高)，同時(shí)在斷層上下盤之間添加接觸面模擬斷層帶，兩側(cè)斷層與工作面的水平距離均簡(jiǎn)化為60 m(實(shí)際距離約在20～80 m范圍內(nèi))，斷層傾角60°。模型中未考慮煤巖層傾角變化。巖層性質(zhì)等參數(shù)和斷層面力學(xué)參數(shù)取值見表2和表3。

表2 斷層物理力學(xué)參數(shù)

表3 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬方案及內(nèi)容

模型采用摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則，每推進(jìn)5 m平衡一次(以y=0為起始點(diǎn)，沿y方向進(jìn)行推進(jìn))，并獲取每一推進(jìn)步距下y=35 m監(jiān)測(cè)斷面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于巷道圍巖、工作面內(nèi)煤體以及斷層帶上)的應(yīng)力參量。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 斷面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

為了便于直觀分析本工作面回采過程中的沖擊危險(xiǎn)性，同時(shí)建立了無斷層開采及靠近斷層開采(工作面距離SF21斷層20 m)的2種數(shù)值模型，對(duì)比分析3種開采工況不同推進(jìn)步距下的巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律及斷層帶上應(yīng)力變化情況。

2.3 地塹區(qū)開采圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

以y=35 m斷面為例，給出了開挖35 m條件下正常開采(距斷層60 m)、靠近斷層開采(距斷層20 m)和無斷層開采3種工況巷道圍巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律。

同工況下巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖如圖4所示，不同工況巷道頂板垂直應(yīng)力(測(cè)點(diǎn)T2)變化如圖5所示。

圖4 不同工況下巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖

圖5 不同工況巷道頂板垂直應(yīng)力(測(cè)點(diǎn)T2)變化

由圖4和圖5可以得出以下結(jié)論：

(1)相比無斷層開采條件，工作面距離斷層60 m和20 m兩種工況下巷道頂板垂直應(yīng)力明顯增加，測(cè)點(diǎn)T2處垂直應(yīng)力分別增加了100%和150%，且距離斷層越近，頂板圍巖垂直應(yīng)力越大，且高應(yīng)力范圍分布也越廣；

(2)工作面靠近斷層時(shí)，采動(dòng)應(yīng)力與斷層構(gòu)造應(yīng)力將產(chǎn)生疊加，容易引起斷層滑移、偏轉(zhuǎn)等，誘發(fā)沖擊事故。

2.4 地塹區(qū)開采斷層誘沖機(jī)制

為分析工作面回采過程中兩側(cè)斷層面附近應(yīng)力變化特征，以測(cè)點(diǎn)F1為例分析應(yīng)力值變化情況。不同工況下斷層面F1測(cè)點(diǎn)垂直應(yīng)力值變化如圖6所示。

圖6 不同工況下斷層面F1測(cè)點(diǎn)垂直應(yīng)力值

由圖6分析可得：隨著推進(jìn)步距增加，工作面開采范圍不斷增大，斷層帶上測(cè)點(diǎn)垂直應(yīng)力呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，且工作面距離斷層越近，測(cè)點(diǎn)垂直應(yīng)力增加速率越高。受地塹區(qū)斷層構(gòu)造應(yīng)力和工作面采動(dòng)應(yīng)力疊加影響，靠近斷層開采時(shí)更易造成煤體承載力降低、斷層帶剪應(yīng)力增大，一旦超過斷層剪切強(qiáng)度，極易誘發(fā)斷層滑移錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致沖擊事故的發(fā)生。

3 工作面沖擊地壓綜合防治技術(shù)體系

根據(jù)上述分析可知，受斷層形成的地塹構(gòu)造影響，3307工作面采掘期間具有一定的沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)，特別是工作面距離巷道較近的區(qū)域沖擊危險(xiǎn)較高?；诖?，3307工作面回采期間采用超前危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測(cè)-大直徑鉆孔強(qiáng)卸壓-多源信息監(jiān)測(cè)預(yù)警于一體的沖擊地壓綜合防治技術(shù)體系[11]，確保了3307工作面安全生產(chǎn)。

3.1 沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)及危險(xiǎn)區(qū)超前預(yù)測(cè)

鑒于3307工作面布置于地塹構(gòu)造區(qū)，受埋深、斷層、頂板強(qiáng)沖擊傾向等影響，工作面回采期間發(fā)生沖擊地壓的風(fēng)險(xiǎn)較高。采用綜合指數(shù)法[12]對(duì)3307工作面沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行了評(píng)定，考慮工作面地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素，綜合評(píng)定3307工作面具有中等沖擊地壓危險(xiǎn)性，沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)Wt為0.57。

考慮3307工作面所處的特殊地質(zhì)構(gòu)造影響，將3307工作面所有巷道均劃分為中等沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)。

3.2 大直徑鉆孔強(qiáng)卸壓

3.2.1 掘進(jìn)期間

工作面巷道掘進(jìn)期間，對(duì)預(yù)先圈定的中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域掘進(jìn)頭和巷道兩幫實(shí)施大直徑鉆孔預(yù)卸壓處理。在巷道掘進(jìn)頭布置1個(gè)鉆孔，孔徑150 mm，孔深20 m，布置在巷道斷面的中部；巷道兩幫鉆孔直徑150 mm，孔深15 m，單排布置，鉆孔間距2 m，垂直于巷幫布置，鉆孔開口位置距煤層底板0.5～1.5 m。

3.2.2 回采期間

工作面回采期間兩巷道超前300 m范圍內(nèi)，在掘進(jìn)期間施工預(yù)卸壓鉆孔的基礎(chǔ)上，在兩幫錯(cuò)開施工預(yù)卸壓鉆孔，鉆孔間距不大于2.0 m，直徑150 mm，孔深20 m。同時(shí)對(duì)于該區(qū)域內(nèi)塌孔的預(yù)卸壓鉆孔實(shí)施了復(fù)孔或補(bǔ)打措施。

3.3 多源信息監(jiān)測(cè)預(yù)警

3307工作面回采期間采用微震監(jiān)測(cè)+地震波CT探測(cè)+鉆屑法檢測(cè)+應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)構(gòu)建了工作面區(qū)域與局部結(jié)合的多源信息監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，如圖7所示。

SOS高精度微震系統(tǒng)對(duì)3307工作面實(shí)施區(qū)域監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面范圍內(nèi)及周邊區(qū)域的震動(dòng)事件。應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)和鉆屑法為局部監(jiān)測(cè)，其中應(yīng)力監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和在線傳輸，監(jiān)測(cè)范圍為掘進(jìn)工作面后方200 m和回采工作面超前300 m；鉆屑法通常為間隔監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍為掘進(jìn)工作面后方60 m和回采工作面超前100 m。支架工作阻力監(jiān)測(cè)作為輔助監(jiān)測(cè)手段，用以分析工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)防沖措施的實(shí)施。

圖7 工作面多源信息監(jiān)測(cè)預(yù)警體系

微震監(jiān)測(cè)、應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)和鉆屑法監(jiān)測(cè)為3307工作面沖擊危險(xiǎn)的日常監(jiān)測(cè)手段。在此基礎(chǔ)上，再定期采用地震波CT反演探測(cè)工作面潛在的危險(xiǎn)區(qū)，3307工作面CT探測(cè)危險(xiǎn)區(qū)示意如圖8所示。對(duì)探測(cè)出的危險(xiǎn)區(qū)采取如下措施，強(qiáng)化沖擊地壓危險(xiǎn)治理效果：

(1)加密實(shí)施大直徑鉆孔，卸壓鉆孔與巷幫垂直，與原卸壓鉆孔呈“三花”布置，兩排卸壓鉆孔垂直間距0.5 m，孔徑150 mm，鉆孔間距1.5 m，孔深20 m；

(2)強(qiáng)化該區(qū)域超前支護(hù)強(qiáng)度，確保超前支護(hù)質(zhì)量；

(3)強(qiáng)化限員管理，工作面生產(chǎn)期間該區(qū)域嚴(yán)禁通行。

圖8 3307工作面CT探測(cè)危險(xiǎn)區(qū)示意

4 工作面沖擊地壓治理效果驗(yàn)證

3307工作面從2019年11月開始回采，至2021年5月工作面已安全回采完畢。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及記錄，采用超前危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測(cè)-大直徑鉆孔強(qiáng)卸壓-多源信息監(jiān)測(cè)預(yù)警于一體的沖擊地壓綜合防治技術(shù)后，3307工作面生產(chǎn)過程中未出現(xiàn)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)及沖擊地壓事件。

3307工作面微震活動(dòng)規(guī)律分析(部分)如圖9所示。由圖9可知，在工作面生產(chǎn)期間，微震活動(dòng)始終較平緩，微震事件數(shù)波動(dòng)較大，但微震總能量一直處于較低水平(<1.0×104J)，僅在工作面回采過斷層期間出現(xiàn)2個(gè)大能量事件，但微震能量未超過1.5×104J，并進(jìn)行了及時(shí)處理，保障了工作面的安全高效開采。

圖9 3307工作面微震活動(dòng)規(guī)律分析(部分)

5 結(jié)語

(1)根據(jù)義橋煤礦3307工作面工程地質(zhì)條件，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，構(gòu)建了地塹構(gòu)造區(qū)三維數(shù)計(jì)算模型，模擬研究表明：受地塹區(qū)斷層構(gòu)造應(yīng)力和工作面采動(dòng)應(yīng)力疊加影響，靠近斷層開采時(shí)更易造成煤體承載力降低、斷層帶剪應(yīng)力增大，超過斷層剪切強(qiáng)度誘發(fā)斷層滑移錯(cuò)動(dòng)，進(jìn)而極易誘導(dǎo)沖擊地壓發(fā)生。

(2)針對(duì)3307工作面復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，構(gòu)建了工作面“超前危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測(cè)-大直徑鉆孔強(qiáng)卸壓-多源信息監(jiān)測(cè)預(yù)警”于一體的沖擊地壓綜合防治技術(shù)體系。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，3307工作面生產(chǎn)期間，微震活動(dòng)始終較平緩，微震總能量一直處于較低的水平(1.0×104J)，表明該技術(shù)體系可以有效預(yù)防與消除工作面存在的沖擊地壓危險(xiǎn)，保證了工作面的安全高效生產(chǎn)，為類似工作面開采提供了重要參考。