劉華博,段翠芳,孟凡凈,花少震

(河南工學(xué)院 機械工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

沖擊地壓是典型的煤礦深部煤巖動力災(zāi)害[1,2]。隨著我國煤炭開采深度以每年約20m的速度向深部延展,沖擊地壓發(fā)生的頻次越來越多,引發(fā)的煤巖體破壞亦越來越嚴(yán)重[3, 4]。

研究表明,沖擊地壓與煤巖體破壞引發(fā)的礦震活動有密切關(guān)系,可通過分析總結(jié)礦震活動規(guī)律對沖擊地壓災(zāi)害進行預(yù)測預(yù)警[5-7]。本文通過統(tǒng)計分析礦井21103工作面沖擊地壓事故與礦震事件時間域的對應(yīng)關(guān)系,探索礦震與沖擊地壓的相關(guān)性[8,9]。

1 工程背景

某礦井井田面積98.08 km2。首采區(qū)21103工作面為礦井第二個回采工作面,西側(cè)為煤礦首采面21102工作面采空區(qū),兩工作面間區(qū)段煤柱寬30 m,東側(cè)為21104準(zhǔn)備工作面,目前處于回采巷道掘進階段。21103工作面設(shè)計長度320 m,設(shè)計推進長度4150 m,工作面巷道布置及鄰近工作面概況如圖1。

圖1 21103工作面平面布置圖

礦井井田總體構(gòu)造形態(tài)為向北西傾斜的單斜構(gòu)造,地層傾角一般小于2°,局部發(fā)育次級平緩褶皺。井田三維地震勘探解釋有6個褶皺,分別為B1背斜、B2背斜、B3背斜、B4背斜、X1向斜、X2向斜。另探測到45條斷層,分別為DF1～DF21、DF101～DF110和F101～F114。建井期間實際揭露斷層47條,分別為F1～F47,均為正斷層,落差在0.5～23.0 m之間。其中H <5 m的斷層32條,占揭露斷層總數(shù)的68.1%;5 m≤H<10 m的斷層7條,占揭露斷層總數(shù)的14.9%;H≥10 m的斷層8條,占揭露斷層總數(shù)的17.0%。斷層傾角在25°～75°之間,53%的斷層傾角大于50°,多為高角度斷層。

對21103工作面具有顯著影響的斷層構(gòu)造有5條,分別為F10、F8、F14、F16、F47,其中F8、F14、F16位于21103工作面內(nèi)。當(dāng)工作面回采臨近這些斷層構(gòu)造時,易引發(fā)斷層構(gòu)造周邊煤巖體破壞,甚至引發(fā)斷層兩側(cè)巖體的整體錯動,加劇工作面應(yīng)力集中程度,增加工作面周邊煤巖體沖擊地壓危險程度。

21103工作面主采2-1煤層的傾角為-3°～+3°,為近水平煤層,煤層厚1.8～2.97 m,平均2.54 m。根據(jù)煤、巖沖擊傾向性鑒定國標(biāo)的測試表明,2-1煤層具有強沖擊傾向性,直接頂具有弱沖擊傾向性,直接底為無沖擊傾向性。直接頂板巖層以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主,厚2.53～7.8 m。老頂巖層以細砂巖、中砂巖為主,厚13.8～23.3 m。2-1煤層上方賦存有厚0.2～0.5 m的砂質(zhì)泥巖薄層。直接底板巖層以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主,厚3.4～8.9 m。2-1煤層覆巖及底板賦存特征如表1。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

2 工作面沖擊地壓顯現(xiàn)特征

21103工作面自開切眼回采以來,已發(fā)生5次較明顯的沖擊地壓動力災(zāi)害,5次沖擊地壓顯現(xiàn)均發(fā)生在臨21102工作面采空區(qū)側(cè)的回風(fēng)巷,超前正回采工作面0～133 m,巷道破壞范圍2～60 m,沖擊破壞范圍跨度較大,同時回采工作面機頭機尾處亦有沖擊破壞顯現(xiàn)。5次沖擊地壓破壞顯現(xiàn)情況各不相同,詳見表2。

表2 21103回風(fēng)巷強礦壓顯現(xiàn)情況

由表中可知,礦壓顯現(xiàn)情況總體上可劃分為三大類:①以鄰采空區(qū)煤柱側(cè)幫鼓為主,頂?shù)装鍥_擊顯現(xiàn)不明顯;②以頂?shù)装迤茐臑橹?巷道幫鼓不明顯;③巷道幫鼓、頂?shù)装迤茐木^明顯。如2018年2月15日凌晨3∶37發(fā)生的沖擊地壓事故(簡稱“2.15”沖擊),沖擊破壞范圍20 m,以鄰21102工作面采空區(qū)煤柱側(cè)巷道幫鼓為主,造成錨桿、錨索、鋼帶及單體支柱損壞,并引發(fā)工作面機尾處行人通道被堵死,如圖2所示,屬于典型的第一類沖擊顯現(xiàn)類型。2018年2月6日凌晨4∶13發(fā)生的沖擊地壓事故(簡稱“2.6”沖擊),沖擊破壞范圍達48 m,既存在鄰采空區(qū)煤柱側(cè)幫鼓現(xiàn)象,也存在底板鼓起現(xiàn)象,造成煤柱幫單體支柱被拋向回采幫,底板水泥地面明顯突起,如圖3所示,屬于第三類沖擊顯現(xiàn)類型。在5次沖擊破壞事故的部分沖擊破壞區(qū)段,巷道幫鼓現(xiàn)象不明顯,但是頂?shù)装逡平枯^大,個別單體出現(xiàn)穿底現(xiàn)象,屬于第二類沖擊顯現(xiàn)類型。

(a)機尾行人通道堵死 (b)單體被擠彎圖2 “2.15”沖擊破壞現(xiàn)場

(a)單體拋向回采幫 (b)底板開裂、鼓起圖3 “2.6”沖擊破壞現(xiàn)場

3 工作面礦震統(tǒng)計分析

3.1 礦震能量統(tǒng)計分析

工作面周邊巷道內(nèi)安裝有ARAMIS微震監(jiān)測探頭,2018年1月3日監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試完成并開始接收微震信號,至2018年4月16日在21103工作面及其周邊區(qū)域共監(jiān)測到有效礦震事件8331次,能量級及次數(shù)如圖4所示。可見在21103工作面及其周邊區(qū)域,各類采礦活動誘發(fā)的礦震事件以低能級事件為主,能量大于1E4 J的高能級礦震事件頻次較少。

圖4 21103工作面礦震頻次及能量級分布

3.2 礦震震源分布統(tǒng)計分析

21103工作面2018年1月16日至2018年2月16日共進尺134.25 m,工作面回采范圍如圖1中2月份進尺范圍;2月16日至3月16日共進尺132.15 m,工作面回采范圍如圖1中3月份進尺范圍;3月16日至4月16日共進尺195.65 m,工作面回采范圍如圖1中4月份進尺范圍。2～4月份21103工作面及其周邊區(qū)域監(jiān)測到的礦震事件震源平面分布如圖5所示。容易看出,礦震事件存在4處明顯叢集區(qū)域,主要分布在:① F14斷層周邊區(qū)域;② F16斷層周邊區(qū)域;③ 21103工作面臨采空區(qū)側(cè)回風(fēng)巷道周邊區(qū)域;④ 21102工作面采空區(qū)?？梢姅鄬訕?gòu)造、鄰采空區(qū)側(cè)煤柱應(yīng)力集中是21103工作面礦震事件的主要誘發(fā)因素[10, 11]。

圖5 21103工作面2～4月礦震震源分布

礦震叢集區(qū)域煤巖體是礦震能量釋放的主體,受采掘擾動影響最為顯著,煤巖體破壞更加劇烈,載荷積聚、調(diào)整及能量釋放更為劇烈,為沖擊地壓高危區(qū)域,在沖擊地壓監(jiān)測防范工作中應(yīng)被重視。

4 礦震活動與沖擊顯現(xiàn)相關(guān)性分析

為探索煤巖體礦震活動規(guī)律與沖擊地壓顯現(xiàn)之間的相關(guān)性[12,13],分別統(tǒng)計了2～4月份21103工作面回采期間誘發(fā)礦震事件每日累計能量、平均能量、最大能量、震動頻次及沖擊地壓顯現(xiàn)在時間域上的分布,以分析礦震活動參數(shù)與沖擊地壓顯現(xiàn)的相關(guān)性,統(tǒng)計結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 礦震累計能量及平均能量變化規(guī)律

圖7 礦震最大能量及頻次變化規(guī)律

容易看出,在一段時間域內(nèi),礦震活動參數(shù)變化與煤巖體發(fā)生沖擊地壓事故存在三種典型的相關(guān)形式:①高頻低能弱沖擊危險。該類型表現(xiàn)形式為:一段時間域內(nèi),礦震事件日發(fā)生頻次較多,但礦震日平均能量、日累計能量、日最大能量較低,即單個礦震事件能量較低,但總體個數(shù)較多。出現(xiàn)該礦震活動形式時,煤巖體表現(xiàn)為穩(wěn)定的能量釋放,沖擊危險性較低。②低頻高能強沖擊危險。該類型表現(xiàn)形式為:在固定時間域內(nèi),礦震事件日發(fā)生頻次較少,但礦震日平均能量、日累計能量、日最大能量較高,即單個礦震事件能量較高,表現(xiàn)為高能量強礦震事件,對工作面圍巖應(yīng)力波擾動明顯,煤巖體易發(fā)生沖擊地壓事故,如“2.15”沖擊事故、“3.8”沖擊事故[14,15]。③高頻高能強沖擊危險。該類型表現(xiàn)形式為:在固定時間域內(nèi),不僅礦震事件日發(fā)生頻次較高,而且礦震日平均能量、日累計能量、日最大能量較高,常連續(xù)出現(xiàn)高能量強礦震事件,對工作面圍巖應(yīng)力波擾動劇烈,煤巖體沖擊危險性較高,如“2.6”沖擊事故、“3.30”沖擊事故。

容易看出,“2.6”、“2.15”、“3.8”、“3.30”四次沖擊地壓顯現(xiàn)時,礦震累計能量及平均能量均呈現(xiàn)升高趨勢,可見當(dāng)?shù)V震日平均能量及日累計能量升高時,煤巖體受礦震應(yīng)力波擾動劇烈,發(fā)生沖擊地壓危險性較高?！?.30”沖擊發(fā)生時,礦震日平均能量及日累計能量相對其余三次沖擊事故較低,但仍發(fā)生沖擊顯現(xiàn),可見即使在相對低能量礦震擾動下,若礦震頻次較高,煤巖體在連續(xù)礦震應(yīng)力波擾動下亦可能發(fā)生沖擊地壓事故。

針對礦震日震動頻次及日最大能量,四次沖擊事件均對應(yīng)大能量礦震事件,“2.6”沖擊事件發(fā)生時礦震日震動頻次呈上升趨勢,而“2.15”、“3.8”、“3.30”沖擊事件發(fā)生時礦震日震動頻次呈下降趨勢,可見整體上日礦震頻次與最大能量呈相反關(guān)系,即每日礦震事件數(shù)量顯著降低時,可能發(fā)生高能量礦震事件,同時,沖擊地壓事故并非一定誘發(fā)大能量礦震,這與礦震震源與工作面距離相關(guān),距離遠應(yīng)力波衰減嚴(yán)重,對煤巖體擾動作用小,沖擊危險性低,距離近應(yīng)力波衰減削弱,對煤巖體振動作用強,沖擊危險性高。

5 結(jié)論

(1)單側(cè)采空工作面鄰空側(cè)巷道沖擊危險性高于實體煤側(cè)巷道。鄰空側(cè)巷道沖擊地壓破壞顯現(xiàn)特征可劃分為三大類:孩以鄰空側(cè)巷道幫鼓為主,頂?shù)装鍥_擊破壞不明顯;虎以頂?shù)装迤茐臑橹?巷道幫鼓不明顯;虎巷道幫鼓、頂?shù)装迤茐木^明顯。

(2)單側(cè)采空工作面礦震活動以低能量礦震事件為主,能量級大于1E4 J的高能量礦震較少。斷層構(gòu)造、鄰空側(cè)煤柱是礦震活動的主要誘發(fā)因素。

(3)單側(cè)采空工作面礦震活動與沖擊地壓存在三種相關(guān)形式:孩高頻低能弱沖擊危險;虎低頻高能強沖擊危險;虎高頻高能強沖擊危險。