特厚近直立煤層上覆煤柱誘發(fā)沖擊地壓的機制研究及應(yīng)用

楊　磊，藍　航，杜濤濤

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

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特厚近直立煤層上覆煤柱誘發(fā)沖擊地壓的機制研究及應(yīng)用

楊磊，藍航，杜濤濤

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

［摘要］通過建立特厚近直立煤層開采中上覆煤柱的力學(xué)模型與數(shù)值模型，分析了上覆煤柱及其圍巖的力學(xué)狀態(tài)，得出上覆殘留煤柱的存在對沖擊地壓有明顯影響，其誘發(fā)沖擊地壓的機制為在高水平應(yīng)力作用下，在煤柱邊緣形成剪切區(qū)，剪切區(qū)的煤巖層存在應(yīng)力集中并積聚了大量的彈性能，容易失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓。通過分析高能量微震事件的分布規(guī)律及沖擊顯現(xiàn)的震源定位，驗證了煤柱誘發(fā)沖擊地壓的機制。針對這一誘發(fā)機制，對剪切區(qū)應(yīng)用巖層注水及煤巖深孔爆破措施，有效地降低煤柱剪切區(qū)的應(yīng)力集中程度，使煤巖層平穩(wěn)地釋放彈性能，降低了沖擊危險性。

［關(guān)鍵詞］特厚近直立煤層;上覆煤柱;沖擊地壓;誘發(fā)機制

［引用格式］楊磊，藍航，杜濤濤.特厚近直立煤層上覆煤柱誘發(fā)沖擊地壓的機制研究及應(yīng)用［J］.煤礦開采，2015，20(2) : 75－77.

沖擊地壓是聚積在礦井巷道和采場周圍煤巖體中的能量突然釋放而產(chǎn)生的具有破壞性的動力現(xiàn)象［1］。隨著開采深度的增加，我國煤礦的沖擊地壓災(zāi)害日趨嚴重。由于沖擊地壓的復(fù)雜性與瞬時突發(fā)性，沖擊地壓的研究已成為煤礦開采過程中最亟需解決的難題之一［2－7］。沖擊地壓的發(fā)生機理與類型多種多樣，其中煤柱型(壓力型)沖擊地壓較為常見。在緩傾斜煤層開采中，受開采技術(shù)條件及煤層賦存的限制，不可避免地需要留設(shè)煤柱，在支承壓力疊加與頂?shù)装鍔A持效應(yīng)的作用下，煤柱長期處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，當受到外界干擾時，極易由亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)為極限應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)生沖擊地壓［8－9］。對于特厚近直立煤層，目前主要采用水平分段開采，開采過程中其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及沖擊地壓的發(fā)生機制與緩傾斜煤層開采有所不同，煤柱的存在形式也不同，但上覆殘留煤柱的存在是否對沖擊地壓的發(fā)生有所影響尚不清楚［10］。因此，以神華新疆能源有限責(zé)任公司烏東煤礦南采區(qū)特厚近直立煤層為例，建立了力學(xué)模型與數(shù)值模型，運用力學(xué)原理及數(shù)值模擬分析了上覆煤柱及煤柱圍巖的力學(xué)狀態(tài)，認為上覆殘留煤柱的存在對沖擊地壓有明顯影響，在高水平應(yīng)力作用下，煤柱邊緣形成剪切區(qū)，剪切區(qū)的煤巖層存在應(yīng)力集中并積聚了大量的彈性能，容易失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓。

1　煤柱誘發(fā)沖擊地壓機制分析

1.1上覆煤柱基本情況

神華新疆能源有限責(zé)任公司烏東煤礦南采區(qū)開采八道灣向斜南翼特厚近直立煤層，煤巖層平均傾角87°，其中B1+2煤層平均厚度37.45m，B3+6煤層平均厚度48.87m，兩層煤之間的巖柱平均80m左右，采用水平分段綜放開采方法，共布置2個工作面，分別為B1+2與B3+6工作面，地表標高+850m左右，目前已開采至+500m水平。礦井淺部早期為小煤窯倉儲式開采，開采不充分，經(jīng)地表勘測，未出現(xiàn)明顯沉陷，因此將小煤窯開采區(qū)域及其兩側(cè)保護煤柱區(qū)域統(tǒng)稱為上覆煤柱區(qū)域。+500m水平B1+2與B3+6工作面在回采過程中均要經(jīng)歷上覆煤柱區(qū)域，如圖1所示為+500m水平B3+6工作面走向平剖面圖。

圖1　+500m水平B3+6工作面走向平剖面

1.2煤柱影響區(qū)域力學(xué)分析

根據(jù)烏東煤礦南采區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果，最大水平應(yīng)力最大為14.31MPa，最小水平主應(yīng)力最大為8.05MPa，垂直主應(yīng)力最大為7.16MPa。從量級上劃分地應(yīng)力水平屬于中等地應(yīng)力區(qū)。最大和最小水平主應(yīng)力均大于垂直主應(yīng)力，總體上屬于σH＞σh＞σV應(yīng)力場，依此以B3+6煤層為例建立上覆煤柱區(qū)域的力學(xué)模型如圖2 (a)所示。上覆煤柱走向方向兩側(cè)均已采空，主要受水平應(yīng)力σH與垂直應(yīng)力σV的作用，圖2 (b)所示為沿煤柱走向的平面示意圖。由圖2可知，在高水平應(yīng)力下，煤柱受頂?shù)装鍘r層“夾持”，在煤柱邊緣形成剪切區(qū);同時類似于緩傾斜煤層開采中的支承壓力，近直立煤層中由水平應(yīng)力及采空側(cè)懸頂作用，從煤柱邊緣到煤柱深部，同樣會出現(xiàn)塑性區(qū)、彈性區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)，由于兩側(cè)受力的不同，兩側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)不同，得出水平方向峰值應(yīng)力分別為KσH和kσH;加上煤柱自身的上覆載荷在垂直方向形成的支承壓力區(qū)，使得煤柱邊緣的受力特征更加復(fù)雜，增加了煤柱邊緣煤體的不穩(wěn)定性。

圖2　煤柱區(qū)域力學(xué)模型

1.3煤柱區(qū)域應(yīng)力分布數(shù)值模擬分析

為了進一步分析煤柱誘發(fā)沖擊地壓的機制，針對B3+6煤層建立FLAC3D數(shù)值模型，全面、直觀地對煤柱區(qū)域的應(yīng)力分布特征進行分析，圖3所示為沿煤柱走向剖面的應(yīng)力分布云圖。由圖3可知，煤柱兩側(cè)邊緣處的垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力均出現(xiàn)較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤柱內(nèi)部煤體的應(yīng)力隨著遠離煤柱邊緣而有所降低。為了準確對比煤柱區(qū)域內(nèi)與煤柱外的受力特征，對模型中的應(yīng)力進行提取，如圖4所示。數(shù)值模擬計算表明，煤柱區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力大小明顯高于煤柱區(qū)域外，煤柱邊緣處煤體的水平應(yīng)力集中系數(shù)達到了1.25，垂直應(yīng)力集中系數(shù)達到了1.5，總體上說，煤柱邊緣的煤體承載的應(yīng)力要高于煤柱內(nèi)部。

圖3　數(shù)值模型應(yīng)力分布

圖4　數(shù)值模型應(yīng)力分布曲線

1.4煤柱誘發(fā)沖擊地壓機制

通過對煤柱區(qū)域力學(xué)與數(shù)值模擬分析，得出上覆殘留煤柱的存在對沖擊地壓有明顯影響，其誘發(fā)沖擊地壓的機制可概括為:在高水平應(yīng)力作用下，煤柱邊緣與巖層交接的位置形成剪切區(qū)，剪切區(qū)的巖層與煤體內(nèi)積聚了大量的彈性能，當較高的剪切力使巖層滑移、斷裂時，容易釋放彈性能，誘發(fā)沖擊地壓;煤柱在雙向受力狀態(tài)下，煤柱邊緣煤體的垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在開采過程中，當煤柱受力達到其極限應(yīng)力時，容易失穩(wěn)破壞，從而誘發(fā)沖擊地壓。

2　煤柱誘發(fā)沖擊地壓的微震驗證

為了驗證上述分析得出的煤柱誘發(fā)沖擊地壓機制，對烏東煤礦南采區(qū)由波蘭ARAMIS微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的微震事件進行統(tǒng)計分析，自2013年8月至2014年4月，共監(jiān)測到能量大于1×107J微震事件30次，其中有26次都分布在五一煤礦煤柱與大梁煤礦煤柱區(qū)域。圖5所示為監(jiān)測到的能量大于1×107J微震事件平面分布結(jié)果。由圖5可知，高能量的微震事件主要發(fā)生在兩煤柱邊緣的巖層與煤體中，根據(jù)微震的產(chǎn)生與煤巖體應(yīng)力集中的關(guān)系［1］，表明煤柱邊緣的煤巖層承載的應(yīng)力較高，煤巖層釋放能量較為劇烈。

圖5　能量大于1×107J微震事件平面分布

烏東煤礦南采區(qū)于2014年3月1日與3月24日發(fā)生了2次輕微的沖擊顯現(xiàn)，對工作面及巷道造成了不同程度的影響。圖6所示為現(xiàn)場沖擊顯現(xiàn)位置與定位的震源位置，由圖6可知，2次沖擊顯現(xiàn)的震源均發(fā)生在大梁煤礦煤柱邊緣的巖層中，并在其臨近的巷道或工作面發(fā)生沖擊顯現(xiàn)，2次沖擊顯現(xiàn)均為煤柱邊緣的巖層釋放彈性能誘發(fā)所致，驗證了煤柱邊緣剪切區(qū)的存在及剪切區(qū)煤巖層的應(yīng)力集中是誘發(fā)沖擊地壓的重要原因。

圖6　2次沖擊顯現(xiàn)微震定位平面分布及顯現(xiàn)位置

3　現(xiàn)場防治應(yīng)用

根據(jù)上述對煤柱區(qū)域的力學(xué)與數(shù)值模擬分析，以及微震監(jiān)測驗證表明，煤柱邊緣的煤巖層存在應(yīng)力集中并積聚了大量的彈性能，是誘發(fā)沖擊地壓的重要原因，同時也是主要的沖擊危險區(qū)域，因此必須對該區(qū)域的煤巖層進行解危措施。在現(xiàn)場實際操作過程中，采取了巖層注水與深孔爆破2種解危方法，對煤柱區(qū)域的巖層進行動壓注水，注水壓力達到8～12MPa，降低其積聚彈性能的能力;對煤柱區(qū)域的煤體及頂?shù)装鍘r層實施了多組深孔爆破卸壓，降低了剪切區(qū)的應(yīng)力集中程度。

為驗證應(yīng)用效果，對解危前后煤柱影響區(qū)域的微震事件進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1　解危前后微震監(jiān)測事件統(tǒng)計

由表1可以看出，解危后，低能量等級微震事件數(shù)量明顯上升，高能量等級微震事件降低，且在工作面推進過煤柱區(qū)域期間，能量釋放比較平穩(wěn)，未發(fā)生劇烈的變化。微震監(jiān)測結(jié)果表明，通過采取解危措施，能有效地降低煤柱剪切區(qū)的應(yīng)力集中程度，使煤巖層平穩(wěn)地釋放彈性能，降低了沖擊危險性。

4　結(jié)論

(1)特厚近直立煤層開采中，上覆殘留煤柱的存在對沖擊地壓有明顯影響，其誘發(fā)沖擊地壓的機制為在高水平應(yīng)力作用下，在煤柱邊緣形成剪切區(qū)，剪切區(qū)的煤巖層存在應(yīng)力集中并積聚了大量的彈性能，容易失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓。

(2)高能量微震事件及沖擊顯現(xiàn)的震源均主要集中在煤柱邊緣，驗證了煤柱邊緣剪切區(qū)的存在及剪切區(qū)煤巖層的應(yīng)力集中是誘發(fā)沖擊地壓的重要原因。

(3)對剪切區(qū)應(yīng)用巖層注水及煤巖深孔爆破措施能有效地降低煤柱剪切區(qū)的應(yīng)力集中程度，使煤巖層平穩(wěn)地釋放彈性能，降低了沖擊危險性。

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［責(zé)任編輯:潘俊鋒］

Mechanism of Rock-burst Induced by Overlying Coal-pillar in Extremely-thick and Sub-erect Coal-seam

YANG Lei，LAN Hang，DU Tao-tao

(Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract:By setting up mechanics and numerical simulation model of overlying coal-pillar in extremely-thick and sub-erect coalseam，stress distribution of coal-pillar and surrounding rock was analyzed.It was obtained that rock-burst was influenced obviously by overlying coal-pillar.Rock-burst inducing mechanism was that under high horizontal stress，shear stress and elastic energy concentration zone formed at the edge of coal-pillar which was easy to result into rock-burst.Micro-seismic matters distribution and seismic source location result proved the mechanism of rock-burst induced by coal-pillar.On the basis of this，applying water injection and deep bore-hole blasting in rock and coal in shear stress zone，stress concentration degree was reduced effectively and elastic energy of coal and rock was released steadily，which reduced rock-burst danger.

Keywords:extremely-thick and sub-erect coalseam; overlying coal-pillar; rock-burst; inducing mechanism

［作者簡介］楊磊(1988－)，男，江蘇淮安人，碩士，主要從事煤礦沖擊地壓與煤巖破裂失穩(wěn)方面的研究工作。

［基金項目］國家自然科學(xué)基金項目:急傾斜特厚煤層開采煤巖系統(tǒng)動力失穩(wěn)機理(51304116) ;天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部青年創(chuàng)新基金(KCSJ－QNCX－2014－09)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.021

［收稿日期］2014－08－29

［中圖分類號］TD324

［文獻標識碼］A

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0075-03