趙華全，楊皓博

(陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713500)

0 引言

隨著采礦活動(dòng)向深部轉(zhuǎn)移，圍巖失穩(wěn)的基礎(chǔ)靜載(自重應(yīng)力)逐漸增大，回采步距的增大使頂板會(huì)產(chǎn)生裂隙，當(dāng)頂板彈性能積累到一定程度會(huì)突然釋放誘發(fā)礦震。在其影響下還可能誘發(fā)斷層活化、冒頂?shù)仁鹿剩踔習(xí)T發(fā)沖擊地壓造成人員傷亡及設(shè)備的損失[1]。由于成煤時(shí)期的各種原因，厚煤層中往往有一層夾矸結(jié)構(gòu)。夾矸的存在破壞了煤層的連續(xù)性，當(dāng)夾矸厚度較大時(shí)，可視為“骨架”提高煤層的穩(wěn)定性，而厚度較小時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響煤層的穩(wěn)定性，尤其在其厚度變化區(qū)，煤巖接觸面位置最易發(fā)生滑移失穩(wěn)[2]，在多輪動(dòng)載作用下夾矸賦存區(qū)損傷破壞加劇，當(dāng)損傷達(dá)到一定程度時(shí)，煤巖接觸面易于活化失穩(wěn)，由起初的靜摩擦轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)摩擦，從而表現(xiàn)為應(yīng)力驟減及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度驟增[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了諸多關(guān)于動(dòng)-靜載荷疊加下圍巖失穩(wěn)機(jī)理。例如，李夕兵等[4]研究了不同類型動(dòng)靜組合加載下圍巖失穩(wěn)力學(xué)機(jī)制，提出了巖爆動(dòng)力判據(jù)和防控方法，為揭示巖爆機(jī)理提供了新的思路與方法；何江[5]研究了動(dòng)-靜載下巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理及其前兆特征，提出了降低動(dòng)載擾動(dòng)的防沖關(guān)鍵技術(shù)，基于現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證提出了“彈性+整體+高強(qiáng)蓄能承載”的巷道支護(hù)新形式，降低動(dòng)載作用下沖擊地壓發(fā)生的概率；宋解放等[6]揭示了頂板破斷過程中夾矸微震演化規(guī)律，并分析了其賦存區(qū)應(yīng)力演化特征；王恩元等[7]基于地震學(xué)位錯(cuò)震源理論，構(gòu)建了堅(jiān)硬頂板破斷震源模型并推導(dǎo)了斷裂，以及滑移時(shí)空分布函數(shù)，同時(shí)也研究了應(yīng)力波遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)；雷文杰等[8]分析了采動(dòng)下地震波傳播及衰減特征，得出頂板巖層的平均波速及加速度高于煤層，震動(dòng)波能量與信號(hào)時(shí)長(zhǎng)受傳播距離分別呈現(xiàn)指數(shù)與線性衰減，且震動(dòng)波在頂板的有效傳播距離大于煤層。

頂板破斷產(chǎn)生的動(dòng)載以波動(dòng)形式向四周傳播，這些波攜帶斷裂所產(chǎn)生的能量以彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間的應(yīng)變(體應(yīng)變、切應(yīng)變)傳遞，與這2種應(yīng)變相對(duì)應(yīng)的稱縱波與橫波。其中，縱波在膨縮力作用下質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致，而橫波在旋轉(zhuǎn)力作用下質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，故縱波傳播速度大于橫波[9-11]。靜載情況下，巖體內(nèi)部應(yīng)力變化較小，工作面夾矸賦存區(qū)損傷只在較小范圍內(nèi)發(fā)生，當(dāng)高位頂板破斷時(shí)，縱波與橫波先后作用到夾矸厚度變化區(qū)，而低位頂板破斷時(shí)，縱波與橫波疊加一起共同作用，震源能量越高，質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度越高。因此，當(dāng)震源距離夾矸厚度變化區(qū)越近煤巖體越易滑移失穩(wěn)[12-13]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于動(dòng)靜載荷對(duì)采場(chǎng)圍巖作用與煤巖組合結(jié)構(gòu)有詳細(xì)的研究，但是對(duì)于動(dòng)-靜疊加下夾矸失穩(wěn)機(jī)理研究較少。為此，在兩者基礎(chǔ)上從應(yīng)力場(chǎng)和速度場(chǎng)角度分析堅(jiān)硬頂板破斷下夾矸滑移失穩(wěn)機(jī)理，以期提出減少?zèng)_擊地壓發(fā)生的防治措施。

1 工程背景

1.1 工作面概況

40205綜放工作面對(duì)應(yīng)地表為塬梁溝壑地貌，標(biāo)高912～1 090 m，40205工作面區(qū)域地層含煤2層，分別為4號(hào)煤層及4-1煤層，4號(hào)煤層底板標(biāo)高+370～+386 m，煤層埋深530～710 m，煤層厚度穩(wěn)定，總體為中部厚兩側(cè)薄，厚度21～25 m，平均煤厚23 m，工作面地質(zhì)條件如圖1所示。4-1煤層厚度1.1～1.3 m，距4號(hào)煤層頂板0.8～1.4 m，平均1.1 m。工作面4號(hào)煤層和4-1煤層聯(lián)合開采。4號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，夾矸1～3層。

圖1 工作面地質(zhì)條件

1.2 夾矸分布特征

40205工作面夾矸呈西北東南走向，夾矸厚度從西北向東南逐漸變薄，工作面回采過程中靠皮順處，夾矸厚度0～4 m，由于夾矸較厚，局部頂板有破碎現(xiàn)象。其中，切眼至聯(lián)巷方向上沿工作面走向距離切眼約為40～78 m，向工作面內(nèi)延伸約32 m范圍，煤層中約大于2 m的夾矸，膠帶順槽實(shí)測(cè)剖面圖如圖2所示。在切眼至聯(lián)巷方向上沿工作面走向距離切眼約為160～186 m，向工作面內(nèi)延伸約11 m范圍，由大于2 m的夾矸引起。在切眼至聯(lián)絡(luò)巷方向上沿工作面走向距離切眼約113～268 m，向工作面內(nèi)延伸約23 m范圍，由大于2 m的夾矸引起。

圖2 膠帶順槽實(shí)測(cè)剖面

2 夾矸滑移誘發(fā)沖擊地壓

2.1 強(qiáng)礦震震源分布

該工作面煤層埋深較大，圍巖承受較高的靜載作用。根據(jù)圖1(b)可知，煤層上覆巖層以堅(jiān)硬的細(xì)砂巖、粉砂巖為主，隨著工作面開采，首先在頂板最大彎矩力處隨機(jī)產(chǎn)生裂隙，當(dāng)裂隙逐漸增多并貫通時(shí)，頂板會(huì)逐漸彎曲、斷裂產(chǎn)生沖擊荷載，且破斷過程中產(chǎn)生的大事件較為頻繁，圖3為工作面在回采期間堅(jiān)硬頂板破斷微震事件(E>1×104J)分布。在堅(jiān)硬頂板中大能量事件廣泛存在及沖擊載荷作用下，易于誘發(fā)煤巖接觸面發(fā)生滑移失穩(wěn)，然后反作用使工作面發(fā)生沖擊事故。

圖3 膠帶順槽局部區(qū)強(qiáng)礦震分布

2.2 夾矸滑移失穩(wěn)機(jī)理

當(dāng)應(yīng)力波傳到煤巖接觸面時(shí)，接觸面應(yīng)力及其上下表面煤巖體位移滿足式(1)

(1)

式中，σ為變量；p0為質(zhì)點(diǎn)峰值；Eε為上下表面煤巖體位移；t為單位時(shí)間；u(t)為位移；u0,uc,ur為不同時(shí)間內(nèi)位移；hc,hr為不同層位垂直距離。

應(yīng)力波的存在不僅會(huì)改變煤巖接觸面的應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)接觸面空隙也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)接觸面較粗糙時(shí)，較小的動(dòng)載作用下就會(huì)發(fā)生較大的變形，同時(shí)阻礙震動(dòng)波由煤體傳遞到夾矸層，振動(dòng)速度及強(qiáng)度產(chǎn)生差異；相反，當(dāng)接觸面較為光滑時(shí)，較大的動(dòng)載可能誘發(fā)較小的變形。當(dāng)頂板斷裂產(chǎn)生較大震級(jí)礦震有可能使煤巖接觸面處于非平衡穩(wěn)定狀態(tài)誘發(fā)滑移失穩(wěn)，可描述為當(dāng)接觸面剪應(yīng)力大于粘聚力時(shí)，不連續(xù)接觸面易于發(fā)生穩(wěn)定的剪切變形，當(dāng)剪應(yīng)力等于粘聚力時(shí)，剪切變形處于臨界狀態(tài)，在較小應(yīng)力擾動(dòng)下就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)?；谀芰繙?zhǔn)則-Dirichlet平衡穩(wěn)定性準(zhǔn)則，如果煤巖體系統(tǒng)總勢(shì)能存在極小值，則處于穩(wěn)定狀態(tài)，即為二階導(dǎo)函數(shù)，反之，滿足式(2)將發(fā)生滑移失穩(wěn)。

(2)

式中，ξ為滑移失穩(wěn)距離。根據(jù)彈性力學(xué)，煤巖體系統(tǒng)內(nèi)總勢(shì)能為外力勢(shì)能W與變形勢(shì)能U之和，分別可表示為

(3)

(4)

式中，{u},{f},{T},{ε}分別為位移、體積力、面積力及應(yīng)變；|Dc|和|Dr|分別為強(qiáng)度極限前后的力學(xué)矩陣；Vc和Vr分別為煤巖體的體積，總體積為V；S為煤巖體受力面積。

(5)

根據(jù)式(2)系統(tǒng)的平衡條件可得，當(dāng)式(5)達(dá)到該條件時(shí)，煤巖接觸面將可能活化失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓，即材料性質(zhì)矩陣|Dr|為負(fù)值，且當(dāng)Vr足夠大時(shí)，第2項(xiàng)絕對(duì)值將大于第1項(xiàng)，局部區(qū)域煤巖應(yīng)力超過峰值強(qiáng)度達(dá)到礦震發(fā)生的必要條件。

3 動(dòng)-靜載下夾矸賦存區(qū)圍巖失穩(wěn)分析

3.1 建立模型及方案

以工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)建立三維模型，根據(jù)研究目的，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，工作面上方0.4～1.1 m厚的泥巖和煤層傾角不作考慮，主要研究煤層頂板具有沖擊傾向性厚而堅(jiān)硬的粉、細(xì)砂巖破斷對(duì)夾矸厚度變化區(qū)的影響，模型尺寸為300 m×220 m×54 m(X×Y×Z)，局部示意如圖4所示。在模型上部施加垂直應(yīng)力為15.25 MPa，模型底部及四周均采用固支的方式，為了探討頂板破斷夾矸變化區(qū)應(yīng)力及質(zhì)點(diǎn)演化趨勢(shì)，模型局部示意如圖4所示。

圖4 模型局部示意

為了模擬堅(jiān)硬的頂板(粉砂巖和細(xì)砂巖)破斷產(chǎn)生的震源對(duì)夾矸賦存變化區(qū)的影響，在FLAC3D中施加一個(gè)FISH函數(shù)的應(yīng)力時(shí)程，將動(dòng)力載荷直接施加在模型內(nèi)部節(jié)點(diǎn)上，頻率為50 Hz，通過標(biāo)量變量Dytime來存取動(dòng)態(tài)時(shí)間并計(jì)算相應(yīng)動(dòng)態(tài)時(shí)間，施加5個(gè)周期的正弦波動(dòng)載，加載時(shí)程為0.5 s，并在模型四周設(shè)置安靜邊界條件來減少模型邊界處的地震波的反射。

應(yīng)力波在煤巖體中產(chǎn)生的動(dòng)載可表示為

(6)

式中，σdp,σds分別為P、S波產(chǎn)生的動(dòng)載；vp,vs分別為P、S波傳播速度；vpp,vss分別為P、S波引起的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度；根據(jù)該工作面實(shí)際情況，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度取8 m/s，巖體密度取2 500 kg/m3，P波波速取 3 000 m/s，故由式(6)計(jì)算得，在模型中震源處施加的動(dòng)載為60 MPa，施加震源應(yīng)力波形如圖5所示，煤巖力學(xué)參數(shù)見表1。制定模擬流程為：建模模型→施加邊界條件及應(yīng)力→求解原巖應(yīng)力平衡→工作面進(jìn)行回采→求解應(yīng)力平衡→頂板破斷施加動(dòng)載→分析夾矸賦存區(qū)中應(yīng)力傳遞規(guī)律以及動(dòng)力響應(yīng)特征。

圖5 夾矸賦存區(qū)應(yīng)力場(chǎng)分布云圖

表1 數(shù)值模擬中煤巖力學(xué)參數(shù)

3.2 夾矸區(qū)圍巖速度、應(yīng)力場(chǎng)演化特征

3.2.1 應(yīng)力波對(duì)夾矸厚度變化區(qū)圍巖應(yīng)力影響

根據(jù)前面理論分析可得，沖擊動(dòng)載對(duì)煤巖體穩(wěn)定性具有重要的影響，以下通過改變模型中自重應(yīng)力大小，分析地震波作用不同時(shí)刻下夾矸厚度變化區(qū)剪應(yīng)力變化趨勢(shì)以及作用前后采場(chǎng)剪應(yīng)力變化情況，進(jìn)而預(yù)測(cè)夾矸賦存區(qū)圍巖的穩(wěn)定。

由圖5可知，隨時(shí)間步數(shù)的增加，工作面夾矸賦存區(qū)圍巖應(yīng)力剪應(yīng)力逐漸減少，主要表現(xiàn)為震源處及工作面前方高應(yīng)力集中范圍縮小，但是其煤層底板的沖擊響應(yīng)程度明顯增加，越往深處沖擊響應(yīng)越小。可以看出，動(dòng)載前圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，動(dòng)載施加后，由于震源距工作面位置及夾矸厚度變化區(qū)較近，縱波和橫波以頂板斷裂部位為中心同時(shí)在巖體內(nèi)部傳播，使開采空間的圍巖受力狀態(tài)變得更加復(fù)雜，時(shí)間越長(zhǎng)破裂致塑性區(qū)范圍越大，應(yīng)力波得到更好地吸收，應(yīng)力明顯降低，當(dāng)其圍巖穩(wěn)定以后應(yīng)力略有回升。

3.2.2 變化區(qū)應(yīng)力變化

堅(jiān)硬頂板破裂產(chǎn)生的震源對(duì)夾矸賦存區(qū)圍巖進(jìn)行了復(fù)雜的動(dòng)態(tài)動(dòng)載過程，通過提取動(dòng)載作用后工作面夾矸厚度變化區(qū)內(nèi)不同的應(yīng)力數(shù)據(jù)，對(duì)夾矸煤層圍巖失穩(wěn)機(jī)理特性進(jìn)行探討。垂直應(yīng)力變化如圖6所示。

圖6 垂直應(yīng)力變化

根據(jù)圖7震源施加后應(yīng)力變化趨勢(shì)可得：在首次沖擊期間，剪應(yīng)力先上升，隨后在0.05 s左右剪應(yīng)力迅速下降，且b點(diǎn)應(yīng)力集中程度明顯大于a點(diǎn)。由于夾矸厚度變化區(qū)距工作面距離為40 m，工作面超前應(yīng)力與夾矸厚度變化區(qū)“雙峰值應(yīng)力”尚未疊加，應(yīng)力增加并不明顯，當(dāng)堅(jiān)硬頂板斷裂產(chǎn)生震動(dòng)波在首次沖擊作用后，0～0.05 s內(nèi)，夾矸完成了滑移前蓄能及啟動(dòng)過程，煤巖接觸面“微裂紋”逐漸擴(kuò)展并活化，且損傷程度一直呈遞增趨勢(shì)，由于地震波衰減程度與損傷程度呈負(fù)相關(guān)，故次沖擊過程中振幅波動(dòng)逐漸趨緩，最終接觸面發(fā)生滑移產(chǎn)生應(yīng)力降，同時(shí)沖擊能與儲(chǔ)存在巖體中的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為斷裂表面能和滑移動(dòng)能。因此，動(dòng)載多輪沖擊是夾矸滑移失穩(wěn)破壞的主要原因，通過監(jiān)測(cè)剪應(yīng)力并結(jié)合水平垂直應(yīng)力時(shí)程變化趨勢(shì)可以預(yù)測(cè)夾矸滑移失穩(wěn)啟動(dòng)前兆。

圖7 剪應(yīng)力變化

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和防治

40205綜放工作面監(jiān)測(cè)方法主要為：區(qū)域監(jiān)測(cè)采用ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，覆蓋整個(gè)回采工作面；局部監(jiān)測(cè)采用ARES-5/E地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)回采工作面超前區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；采用KJ649應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面超前300 m范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.1 工作面液壓支架工作阻力

圖8為回采期間工作面支架阻力演化趨勢(shì)。采動(dòng)影響下工作面圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改變會(huì)誘發(fā)巖體內(nèi)部微破裂的產(chǎn)生。可見，在夾矸區(qū)域部分容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，支架阻力較高，在無夾矸區(qū)域部分，支架阻力較低，因此在夾矸賦存區(qū)域要加強(qiáng)卸壓，以降低沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。

圖8 工作面支架阻力變化

4.2 煤體卸壓措施

4.2.1 卸壓方式

運(yùn)順采取爆破卸壓方式，回順采用大直徑卸壓鉆孔方式，兩順槽均采取頂板深孔爆破預(yù)裂弱化措施。同時(shí)，采用地面水平井分段壓裂技術(shù)對(duì)工作面煤層上方上覆巖層進(jìn)行弱化改性，有效降低上覆巖層的沖擊地壓危險(xiǎn)程度。

4.2.2 大直徑鉆孔卸壓

在工作面兩順槽進(jìn)行大直徑鉆孔卸壓。兩順槽大直徑鉆孔孔深25 m，弱、中等、強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域順槽兩幫孔間距分別為3 m、2 m、1 m，滯后工作面分別不超過20 m、10 m、5 m。

4.2.3 煤體卸壓爆破技術(shù)

煤層卸載爆破鉆孔孔徑為44 mm，單孔裝藥量為4 kg，封孔長(zhǎng)度7 m。每10 m布置一個(gè)煤層卸載爆破鉆孔，鉆孔距底板為1.5 m；兩幫鉆孔與煤層平行，距底板為1.5 m，孔間距為5 m，滯后迎頭不超過30 m。底板爆破鉆孔(當(dāng)?shù)酌汉穸却笥?.5 m時(shí)需實(shí)施)深度為孔深6 m，間距為5 m，孔徑為44 mm，單孔裝藥量為2 kg，封孔長(zhǎng)度3 m，滯后工作面不超過30 m。

5 結(jié)論

(1)隨著沖擊載荷作用時(shí)間的增加，夾矸厚度變化區(qū)圍巖剪應(yīng)力逐漸降低，沖擊震源處及工作面前方高應(yīng)力集中范圍逐漸縮小，但是煤層底板的沖擊響應(yīng)程度明顯增加，越往深處沖擊響應(yīng)越??；同時(shí)靜力大小不同，剪應(yīng)力下降程度明顯不同，以靜力為1.5σ時(shí)下降最大。

(2)地震波作用時(shí)煤巖接觸面垂直、剪切應(yīng)力變化尤為明顯，在首次沖擊期間水平、垂直應(yīng)力及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度變化波動(dòng)劇烈，產(chǎn)生較大應(yīng)力降/速度降，隨后急劇下降，最終在次沖擊期間(0.15 s后)圍繞一固定值輕微波動(dòng)，顯示明顯滑移現(xiàn)象。

(3)根據(jù)夾矸厚度變化區(qū)剪應(yīng)力變化趨勢(shì)，在0～0.05 s內(nèi)夾矸滑移前有“蓄能”啟動(dòng)前兆，在次過程中剪應(yīng)力逐漸增大，完成失穩(wěn)滑移前蓄能過程，夾矸滑移過程中應(yīng)力逐漸降低。