侯曉松,梁 超,劉士磊,牛世偉

(1.棗莊礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 田陳煤礦,山東 棗莊 370400;2.棗莊市能源局,山東 棗莊 277020;3.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院,山東 青島 266590)

沖擊地壓是礦山開(kāi)采中發(fā)生的煤巖動(dòng)力現(xiàn)象,是聚集在礦井巷道和采場(chǎng)周圍煤巖體中的能量突然釋放,是煤礦重大災(zāi)害之一[1]。國(guó)內(nèi)外專家在研究煤層上方覆巖結(jié)構(gòu)時(shí),發(fā)現(xiàn)采空區(qū)上方堅(jiān)硬、厚層砂巖頂板是影響沖擊地壓發(fā)生的主要因素之一[2-3]。特別是對(duì)于存在堅(jiān)硬厚層頂板的煤礦而言,工作面開(kāi)采過(guò)程中存在發(fā)生高能量礦震的風(fēng)險(xiǎn),尤其是大面積采空后,頂板產(chǎn)生大范圍破斷、運(yùn)移,容易形成強(qiáng)礦震,嚴(yán)重時(shí)可能誘發(fā)沖擊地壓事故[4-8]?；谶@一問(wèn)題,竇林名等[9]從彈性能釋放的角度分析了堅(jiān)硬厚層巖層對(duì)發(fā)生沖擊地壓的影響,提出了用離層注漿的方法控制堅(jiān)硬巖層。于斌等[10]以晉華宮煤礦堅(jiān)硬厚層頂板條件為工程背景,通過(guò)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合,研究了厚層堅(jiān)硬頂板的臨界失穩(wěn)條件、失穩(wěn)方式、影響失穩(wěn)的因素以及失穩(wěn)的機(jī)理,提出了厚層堅(jiān)硬頂板失穩(wěn)控制的方法。劉長(zhǎng)友等[11]根據(jù)大同礦區(qū)多采空區(qū)堅(jiān)硬厚層破斷頂板群的賦存條件,采用理論分析、相似模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析相結(jié)合的研究方法,對(duì)多采空區(qū)破斷頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)規(guī)律及其對(duì)工作面來(lái)壓的影響進(jìn)行了研究探討。

綜上所述,對(duì)于堅(jiān)硬厚層頂板工作面,覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及采動(dòng)應(yīng)力分布特征研究成果相對(duì)較多,但是研究的工作面沒(méi)有沖擊地壓危險(xiǎn)性。因此,針對(duì)具有堅(jiān)硬厚層頂板的沖擊地壓危險(xiǎn)工作面,覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其采動(dòng)應(yīng)力分布特征的研究成果相對(duì)較少。田陳煤礦3下煤層7115工作面屬于典型上覆堅(jiān)硬厚巖層條件,研究田陳煤礦工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及采動(dòng)應(yīng)力分布特征,對(duì)礦井防沖技術(shù)體系的建立和工作面的安全高效開(kāi)采具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

田陳煤礦3下7115工作面地面相對(duì)位于北副井東北約2 100 m,地表為農(nóng)田,周邊無(wú)建筑物,井下位于七一采區(qū)東翼,東側(cè)靠近尹家洼斷層(H=40～110 m,∠65～77°),西側(cè)靠近邢寨斷層(H=30～100 m,∠65°),北側(cè)為3下7111工作面集軌。工作面標(biāo)高為-749.4～-806 m,地面標(biāo)高+56.24 m,走向長(zhǎng)度為383 m,傾斜長(zhǎng)度為140 m,面積為53 200 m2,所在煤層厚度為2.2～7.8 m,平均厚度4.16 m,煤層傾角5°～19°,平均12°,可采指數(shù)1.0,煤厚變異系數(shù)20.6%,煤層為穩(wěn)定煤層,煤層上方60 m范圍內(nèi)分別存在厚度30.8 m和20.8 m的中細(xì)砂巖,且在煤層上方90 m左右存在厚度達(dá)63 m的礫巖層,屬于典型的堅(jiān)硬厚巖層,3下7115工作面平面布置圖如圖1所示,工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式采煤法,全部用垮落法處理采空區(qū)。

圖1 3下7115工作面平面布置圖

2 工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律

根據(jù)成巖時(shí)間與礦物組成成分的不同,井下各巖層之間的厚度、物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)存在很大的差異。工作面上方全部的堅(jiān)硬厚巖層決定著采動(dòng)巖體變形和破壞程度,它們?cè)谄矫嫔闲纬梢环N類似連續(xù)梁的力學(xué)結(jié)構(gòu)支承上部巖層,連續(xù)梁破斷后變?yōu)槠鲶w梁,同時(shí)梁的破斷與巖層位移、工作面壓力和地表沉陷存在密切關(guān)系。

由3下7115工作面鉆孔數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)力學(xué)參數(shù)可知,關(guān)鍵層為工作面上覆厚層礫巖,結(jié)合工作面開(kāi)采實(shí)際情況,厚層礫巖可作為彈性基礎(chǔ)上的梁,根據(jù)Winkler假設(shè),厚礫巖關(guān)鍵層的初次破斷即為彈性巖梁的極限破斷步距。根據(jù)梁的對(duì)稱性,在支撐梁破斷之前,可對(duì)二分之一的梁進(jìn)行力學(xué)分析,通過(guò)平衡原理支撐梁的撓度方程[12-13],代入邊界條件和連續(xù)條件即可得到彈性巖梁的極限破斷步距,如式(1)所示:

(1)

開(kāi)采煤層上方覆巖力學(xué)參數(shù),見(jiàn)表1.把相關(guān)參數(shù)代入式(1)計(jì)算可得最大厚度為76 m的礫巖層在彈性基礎(chǔ)上的極限破斷步距約為43.5 m.

表1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)綜合

工作面開(kāi)采后,在礦山壓力作用下,煤層上方懸露的頂板會(huì)發(fā)生垮落。由于垮落特征的不同,將上覆巖層的垮落分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。其中,彎曲下沉帶的下沉范圍直接影響著地表沉陷的范圍,若采場(chǎng)采高過(guò)大,采深較小,彎曲下沉帶影響范圍就會(huì)較大,地表沉陷量也隨之較大。此外,開(kāi)采方式和巖體的碎脹性也影響著地表沉陷量。

由于頂板巖性為中細(xì)砂巖,用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[14],可得工作面垮落帶高度為25.22 m,導(dǎo)水裂縫帶高度為65.14 m.

3 工作面采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律

3.1 圍巖支承壓力分布規(guī)律

采場(chǎng)開(kāi)挖后,煤層上覆頂板運(yùn)動(dòng)以巖層組為單位,其中關(guān)鍵層的運(yùn)動(dòng)決定巖層組的整體運(yùn)動(dòng)。由于采空區(qū)上方煤層上覆頂板均布載荷狀態(tài)被破壞,致使頂板巖層載荷向采空區(qū)兩幫轉(zhuǎn)移,采空區(qū)以及采空區(qū)兩幫煤壁同時(shí)支承頂板巖層載荷[15-16]。根據(jù)關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)規(guī)律和上覆巖運(yùn)移特點(diǎn),建立支承壓力計(jì)算模型。分析田陳煤礦3下7115工作面中地質(zhì)結(jié)構(gòu),經(jīng)計(jì)算得出,田陳煤礦3下7115工作面采場(chǎng)傾向支承壓力峰值大小約為40 MPa,峰值點(diǎn)到煤壁距離約為10 m,峰值影響范圍約60 m;走向支承壓力峰值出現(xiàn)在距煤壁25 m處,峰值約為51 MPa,支承壓力傳遞范圍可達(dá)到100 m.相對(duì)于傳統(tǒng)走向支承壓力特征,厚層礫巖層走向支承壓力分布具有峰值位置距離煤壁距離遠(yuǎn)、影響范圍大等特征。

3.2 支承壓力在底板巖層中傳播規(guī)律

工作面開(kāi)采一定距離后,上覆巖層會(huì)對(duì)采空區(qū)和其一定范圍內(nèi)的煤體形成支承壓力,支承壓力不僅會(huì)在采空區(qū)前方煤體內(nèi)集中,而且還會(huì)導(dǎo)致底板下巖層的應(yīng)力重新分布[17-18],進(jìn)而對(duì)下方的工作面產(chǎn)生影響。用應(yīng)力增量的形式來(lái)表現(xiàn)重新分布的垂直壓力,假設(shè)應(yīng)力峰值位于煤壁前方12 m,在煤壁前方70 m左右應(yīng)力保持相對(duì)穩(wěn)定。參考文獻(xiàn)[11]距煤壁60 m時(shí)應(yīng)力保持穩(wěn)定,參考文獻(xiàn)[12]距煤壁12 m時(shí)應(yīng)力保持穩(wěn)定,參考文獻(xiàn)[13] 距煤壁58 m時(shí)應(yīng)力保持穩(wěn)定。當(dāng)x取-140～160 m,z取0～100 m,峰值應(yīng)力集中系數(shù)k為3時(shí),煤柱下方附加應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 附加應(yīng)力集中系數(shù)分布圖

由圖2可知采空區(qū)下方的附加應(yīng)力集中系數(shù)是負(fù)值,其意義是工作面的開(kāi)采對(duì)下方底板起到卸壓作用。在采空區(qū)前方應(yīng)力達(dá)到峰值處下部附加應(yīng)力集中系數(shù)為正值,其意義是前方煤柱應(yīng)力集中導(dǎo)致下方應(yīng)力增大。分析應(yīng)力峰值下方附加應(yīng)力系數(shù)可知,隨著埋深的增加,應(yīng)力集中程度持續(xù)減弱,但影響范圍慢慢擴(kuò)大。同一水平下,附加應(yīng)力在超前峰值下方達(dá)到最大值,向兩側(cè)逐漸降低。

根據(jù)3下7115工作面底板微震監(jiān)測(cè)結(jié)果結(jié)合底板破壞深度分析,3下7115工作面底板微震事件最深距煤層為60 m,則支承壓力峰值對(duì)底板破壞深度為60 m.

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

田陳煤礦3下7115工作面自2020年8月份開(kāi)始回采,到11月為止,本次工作面檢測(cè)包括微震監(jiān)測(cè)、CT反演、鉆孔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)以及鉆屑量監(jiān)測(cè)等。

4.1 微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

由圖3微震分析結(jié)果可知,8月份開(kāi)采初期,工作面推進(jìn)長(zhǎng)度較小,巖層垮落強(qiáng)度不高,懸頂面積小,上方巖層尚未發(fā)生較大的斷裂,因此震源事件相對(duì)較少,且分布較為分散。9月份開(kāi)采時(shí),煤壁前方區(qū)域微震事件逐漸增加,局部區(qū)域微震事件存在明顯集中。10月、11月回采時(shí),微震事件隨工作面推進(jìn)繼續(xù)向前移動(dòng),但采空區(qū)后方微震事件較少,采空區(qū)巖層垮落強(qiáng)度不高(微震事件能量普遍不超過(guò)1×104J),微震震源主要集中在煤壁前方區(qū)域,這與巖層垮落不充分有關(guān)。工作面采動(dòng)造成了煤壁前方約500 m范圍的上覆巖層產(chǎn)生了變形和破壞。

圖3 3下7115工作面微震監(jiān)測(cè)平面圖

3下7115工作面震源主要集中在距煤層上方40 m、下方60 m左右范圍內(nèi),主要為直接頂和老頂?shù)牧严栋l(fā)育、底板破壞產(chǎn)生的微震事件,而未接收到高位礫巖層的活動(dòng)情況。工作面直接頂及老頂分別為0.9 m厚的砂質(zhì)泥巖和30 m厚的中細(xì)砂巖,老頂強(qiáng)度與厚度均較大。從走向方向上看,震源主要集中在煤壁前方500 m范圍內(nèi),影響范圍大,見(jiàn)圖4.

圖4 3下7115工作面微震分布剖面圖

4.2 工作面震動(dòng)波CT反演

工作面開(kāi)采期間(2020年8月—11月),微震震源波速的被動(dòng)反演結(jié)果如圖5所示。

圖5 3下7115工作面震動(dòng)波CT反演

根據(jù)圖5所示,從微震波速的CT反演結(jié)果來(lái)看,工作面回采距離小,8月份微震事件較少,分布散亂,應(yīng)力集中區(qū)相對(duì)不明顯。自9月開(kāi)始到11月為止,煤壁前方均出現(xiàn)了一定區(qū)域由超前支承壓力引起的高應(yīng)力集中區(qū),并隨著工作面的推進(jìn)逐漸前移。

4.3 鉆孔應(yīng)力與鉆屑法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

鉆孔應(yīng)力在線對(duì)3下7115工作面兩巷道鉆孔應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果表示工作面運(yùn)輸巷和軌道巷超前鉆孔應(yīng)力基本平穩(wěn),沒(méi)有出現(xiàn)異常報(bào)警的情況,說(shuō)明煤層大直徑卸壓效果好,工作面整體應(yīng)力水平降低,支承壓力影響范圍較遠(yuǎn),但是沒(méi)有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中和峰值現(xiàn)象。

3下7115工作面軌道巷268～288 m處巷道地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單,距離邢寨斷層142 m,相鄰區(qū)域無(wú)沖刷等地質(zhì)構(gòu)造,煤層賦存穩(wěn)定,無(wú)壓力顯現(xiàn),周圍無(wú)采掘活動(dòng),對(duì)該處煤體側(cè)施工了標(biāo)準(zhǔn)煤粉采樣鉆孔5個(gè),孔深14 m,孔徑45 mm,間距平均5 m,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示,數(shù)據(jù)結(jié)果表明煤粉量最大值出現(xiàn)在8～9 m位置,即工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ逯滴恢?鉆屑量為3.75 kg,去掉最開(kāi)始1 m參考值,最小值為2.70 kg/m,并且分布不規(guī)律,所有煤粉平均值為3.21 kg/m,分析該巷道周邊無(wú)其他采掘活動(dòng),變化相對(duì)較為穩(wěn)定,該范圍即為工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ逯滴恢谩?/p>

圖6 鉆屑法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)折線圖

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 根據(jù)田陳煤礦3下7115工作面鉆孔柱狀圖和實(shí)測(cè)力學(xué)參數(shù)分析,確定了工作面上覆厚層礫巖為關(guān)鍵巖層。通過(guò)理論計(jì)算得到3下煤層工作面上覆厚層礫巖層在彈性基礎(chǔ)上的極限破斷步距約為43.5 m,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到3下7115工作面垮落帶高度為25.22 m,導(dǎo)水裂隙帶高度為65.14 m.

2) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出,田陳煤礦3下7115工作面底板微震事件最深距煤層約為60 m,采場(chǎng)支承壓力對(duì)底板破斷的深度約為60 m.3下煤層工作面采動(dòng)應(yīng)力在垂直方向約為煤層上方40 m,下方60 m范圍內(nèi),主要為直接頂和老頂?shù)牧严栋l(fā)育、底板破壞產(chǎn)生的微震事件。微震震源波速的被動(dòng)反演結(jié)果表明煤壁前方出現(xiàn)了一定區(qū)域由超前支承壓力引起的高應(yīng)力集中區(qū),并隨著工作面的推進(jìn)逐漸前移。

3) 根據(jù)鉆孔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)結(jié)果表明工作面運(yùn)輸巷和軌道巷超前鉆孔應(yīng)力基本平穩(wěn),說(shuō)明煤層大直徑卸壓效果好,工作面整體應(yīng)力水平降低,支承壓力影響范圍較遠(yuǎn),無(wú)明顯的應(yīng)力集中和峰值現(xiàn)象。在3下7115工作面軌道巷268～288 m處進(jìn)行了鉆屑法取樣,結(jié)果表明煤粉量最大值出現(xiàn)在8～9 m位置,該范圍即為工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ逯滴恢?。?cè)向支承壓力峰值位于煤壁深處8～9 m.