急傾斜煤巖體工程結(jié)構(gòu)特征綜合調(diào)查

單鵬飛

(西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤炭資源是我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主體能源，煤炭資源的安全開采依然是重大科學(xué)問題之一[1-2]。烏魯木齊礦區(qū)作為國家批建的第14個(gè)億噸級(jí)大型煤炭基地，賦存著大量的急傾斜特厚煤層群，是我國重要的能源基地接替區(qū)和戰(zhàn)略儲(chǔ)備區(qū)。急傾斜煤層賦存環(huán)境復(fù)雜，煤層傾角大、厚度大、地應(yīng)力水平高且煤巖體堅(jiān)硬，長期高強(qiáng)度的煤炭資源回收易導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生[3-5]。特別是高應(yīng)力強(qiáng)卸荷下，急傾斜煤層采空區(qū)頂板大范圍懸頂，不合理的處理方案難以有效、及時(shí)弱化采空區(qū)頂板并致其出現(xiàn)大尺度突發(fā)性垮落，極易誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害。急傾斜煤層復(fù)雜的煤巖體工程結(jié)構(gòu)特征條件根本上決定了對(duì)急傾斜煤巖體的強(qiáng)度劣化演化機(jī)制，科學(xué)揭示急傾斜煤巖體工程結(jié)構(gòu)特征是建立急傾斜煤層動(dòng)力學(xué)畸變動(dòng)態(tài)防控體系的基礎(chǔ)之一[6-8]。

急傾斜煤層水平分段開采煤巖體工程結(jié)構(gòu)特征研究方面已取得系列創(chuàng)新成果[9-13]。無論是研究急傾斜煤巖體的靜力還是動(dòng)力屈曲，單一手段在急傾斜煤巖體動(dòng)力屈曲和災(zāi)害預(yù)測預(yù)警及動(dòng)態(tài)調(diào)控具有局限性，必須以現(xiàn)代高精度地球物理探測與分析方法等多手段聯(lián)動(dòng)，發(fā)展地面地下立體監(jiān)測技術(shù)與方法，提高災(zāi)害預(yù)報(bào)水平。來興平等[13]基于變形、應(yīng)力、聲發(fā)射、微震、地質(zhì)雷達(dá)、光學(xué)掃描和鉆孔攝像等不同空間層位的多元監(jiān)測指標(biāo)信息辨識(shí)，為急傾斜煤巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)確定、力學(xué)模型構(gòu)建、結(jié)構(gòu)與應(yīng)力畸變發(fā)生臨界條件和演化致災(zāi)預(yù)報(bào)提供定量方法與科學(xué)手段。為急傾斜煤層綜放開采動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)奠定基礎(chǔ)?；谝陨险J(rèn)識(shí)，本文在分析急傾斜煤巖體賦存與開采條件的前提下，基于綜合監(jiān)測手段包括光學(xué)鉆孔電視、礦用地質(zhì)雷達(dá)及光學(xué)實(shí)時(shí)攝像，建立煤巖體宏觀裂隙分布特征的統(tǒng)計(jì)模型，評(píng)價(jià)急傾斜煤巖體宏觀結(jié)構(gòu)特征。

1 急傾斜煤巖體賦存與開采條件

1.1 賦存條件

烏魯木齊礦區(qū)賦存著大量的急傾斜特厚煤層，原有的堿溝煤礦、小紅溝煤礦、大洪溝煤礦和鐵廠溝煤礦四礦合一為現(xiàn)有的烏東煤礦。

烏魯木齊礦區(qū)地質(zhì)力學(xué)背景極其復(fù)雜(圖1)，礦區(qū)內(nèi)急傾斜煤層的地層賦存環(huán)境在世界范圍內(nèi)都極具特殊性，所屬地殼板塊形成階段受印度板塊和歐亞板塊碰撞的影響，擠壓作用強(qiáng)烈、構(gòu)造活動(dòng)性強(qiáng)礦區(qū)地質(zhì)力學(xué)特征可大體表現(xiàn)為以下三點(diǎn)：強(qiáng)烈擠壓應(yīng)力狀態(tài)為主，僅在隆起區(qū)具有次生拉張應(yīng)力狀態(tài)，地震機(jī)制大多表現(xiàn)為逆沖性斷裂錯(cuò)動(dòng)；地殼運(yùn)動(dòng)及構(gòu)造活動(dòng)性極強(qiáng)，地殼形變及斷裂錯(cuò)動(dòng)表現(xiàn)位移速度高達(dá)10 mm/a；地殼變形呈現(xiàn)彈塑性變形特征，地塊內(nèi)部斷裂有較強(qiáng)的活動(dòng)性，斷裂帶常具塑性剪切特征。

圖1 烏魯木齊礦區(qū)急傾斜煤層地質(zhì)賦存條件Fig.1 Geological settings of steeply inclined coal seams in the Urumchi coal field

1.2 開采條件

急傾斜特厚煤層存在煤層厚度大、煤層傾角大、頂板堅(jiān)硬等開采特征。

1) 由于急傾斜煤層傾角大，多數(shù)介于66～86°之間。若采用緩傾斜長壁工作面開采方法將導(dǎo)致工作面支架及刮板輸送機(jī)的向下傾滑。因此水平分段綜放開采是解決急傾斜特厚煤層安全高效開采的有效方式之一，應(yīng)用最為廣泛。

但是，水平分段綜放開采模式為多層采空空間相互疊加影響，造成工作面正上方為遺留在采空區(qū)的殘煤及覆巖等。因此，急傾斜特厚煤層中的水平分段工作面形成了特殊的“殘留煤矸-頂煤-支架-(下分段)煤層”力學(xué)環(huán)境，在工作面頂?shù)装宓钠茐倪\(yùn)動(dòng)對(duì)工作面影響與緩斜煤層極為迥異(圖2)。

圖2 烏魯木齊礦區(qū)典型急傾斜煤巖體圍巖關(guān)系Fig.2 Typical relatio of surrounding rock of steeply inclined coal seams in the Urumchi coal field

2) 急傾斜煤層采空區(qū)頂板難以垮落。由于煤層跨度小、傾角大導(dǎo)致采空區(qū)頂板在急傾斜特厚煤層開采后不易垮落。隨著大量煤體的放出，采空區(qū)頂板依舊聳立，容易形成大面積頂板懸空區(qū)，從而嚴(yán)重影響開采的安全性。當(dāng)懸空的頂板跨度達(dá)到頂板的承載極限時(shí)突然垮落，造成工作面和回采巷道的動(dòng)力事件顯現(xiàn)。

3) 煤巖體動(dòng)力災(zāi)害頻發(fā)。在烏東四礦合并之前，+555 m水平B3和B6、+535 m水平B3和B6、+501 m水平B3和B6在上分層回采下分層掘進(jìn)過程中出現(xiàn)過四次不同程度的動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象合并之后出現(xiàn)兩次較大的動(dòng)力現(xiàn)象，特別是2012年7月2日的動(dòng)力現(xiàn)象顯現(xiàn)事件。動(dòng)力災(zāi)害的共同點(diǎn)均是瞬間巷道及工作面發(fā)生震動(dòng)，伴隨著煤塵泛起，巷道頂板下沉、底板鼓起，錨網(wǎng)撕裂、多排錨桿失效，給巷道及工作面的作業(yè)人員安全帶來嚴(yán)重影響。

2 急傾斜煤巖體宏觀結(jié)構(gòu)特征分析

2.1 宏觀構(gòu)造裂隙發(fā)育情況

為準(zhǔn)確描述急傾斜煤巖體宏觀構(gòu)造裂隙發(fā)育特征，在+500 m水平B3-6工作面上方地面布置鉆孔，運(yùn)用鉆孔電視對(duì)烏東煤礦北采區(qū)煤巖體宏觀構(gòu)造裂隙發(fā)育程度進(jìn)行三維描述。結(jié)果表明：監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，急傾斜煤巖體的宏觀構(gòu)造裂隙發(fā)育不顯著，三維巖芯反映出頂板整體較為致密。煤巖體本身水量貧乏，滲透性極弱，持水性極強(qiáng)，B3-6煤層的回采巷道恰好位于該巖體上部，在B1+2煤層的開采擾動(dòng)下巖體發(fā)生傾斜，極易導(dǎo)致B3-6煤層的回采巷道產(chǎn)生底鼓、幫鼓等塑性變形，亦可能發(fā)生塊體塌落、滑落的剪切滑移。當(dāng)其作為頂板，易產(chǎn)生重力坍塌等動(dòng)力災(zāi)害問題。區(qū)內(nèi)無變質(zhì)巖、火成巖，無大的地質(zhì)構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層穩(wěn)定。

2.2 急傾斜煤巖體宏觀缺陷地質(zhì)雷達(dá)全地層掃描

地質(zhì)雷達(dá)是對(duì)淺層地質(zhì)勘測一種行之有效的方法，特別是對(duì)煤巖體的異常區(qū)域、斷層破碎帶、裂隙導(dǎo)水帶等不良地質(zhì)構(gòu)造反映異常顯著。通過反演分析地質(zhì)雷達(dá)所獲取圖像中的頻率、振幅、波形、相位以及電磁波能量吸收等參數(shù)演化特征，可判斷并確定地質(zhì)構(gòu)造異?，F(xiàn)象，此處探測烏東煤礦北采區(qū)采空區(qū)頂板處急傾斜煤巖體的宏觀缺陷分布情況。將沿地表探測線開展地質(zhì)雷達(dá)掃描工作，探測線位于地上沿43#煤層與45#煤層北巷正上方一線布置，走向由西向東，探測長度分別為715 m及527 m，探測線布置情況見圖3。本次地質(zhì)雷達(dá)探測采用100 MHz的天線，該天線在9時(shí)視窗的探測深度近似為40 m，數(shù)據(jù)采集模式為連續(xù)型采集。

圖3 采空區(qū)頂板宏觀缺陷地質(zhì)雷達(dá)全地層掃描測線布置Fig.3 Layout of geological radar survey line for macroscopic defects in mine-void roof

圖4 急傾斜煤巖體宏觀缺陷地質(zhì)雷達(dá)全地層掃描結(jié)果Fig.4 Scanning results of macroscopic defects in the mine-void roof

圖4(a)為東翼43#煤層回采工作面頂板煤巖體宏觀地質(zhì)缺陷掃描結(jié)果：垂向0～20 m范圍內(nèi)，同相軸分布首先不均勻且發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)，振幅波動(dòng)顯著，但電性差異性較小，表明此范圍煤巖體已出現(xiàn)破壞，宏觀裂隙場已形成，但未出現(xiàn)明顯的介電常數(shù)異常區(qū)域，因而煤巖體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；垂向20～35 m巖體結(jié)構(gòu)(A區(qū)域)能量吸收顯著，同相軸分布不均勻且發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)，其振幅明顯增加，波形雜亂；電磁波能量衰減快，特別是高頻部分衰減較快，自動(dòng)增益梯度較大，表明煤巖體已發(fā)生破碎，宏觀裂隙場逐漸形成，但由于煤巖體間的相互作用，導(dǎo)致裂隙多處于壓密狀態(tài)，煤巖體仍舊穩(wěn)定；垂向35～60 m范圍內(nèi)的煤巖體未收到開采擾動(dòng)影響，介質(zhì)較均勻，電磁波衰減緩慢，探測距離遠(yuǎn)且規(guī)律性強(qiáng)，且沒有明顯的反射界面；局部存在強(qiáng)反射細(xì)亮條紋，為原始地質(zhì)作用所形成的地質(zhì)異常區(qū)域，整體波形均勻，無雜亂反射。分析表明：東翼43#煤層回采工作面采空區(qū)頂板煤巖體基本處于失穩(wěn)后的再穩(wěn)定狀態(tài)，開采后形成宏觀裂隙場，但未發(fā)生大面積垮落，采空區(qū)頂板煤巖體處于懸頂狀態(tài)。圖4(b)為西翼45#煤層回采工作面頂板煤巖體宏觀地質(zhì)缺陷掃描結(jié)果：從雷達(dá)探測圖像中可看出探測區(qū)域內(nèi)煤巖體的介質(zhì)反射波形均勻，無雜亂反射，形成低幅反射波組，自動(dòng)增益梯度相對(duì)較?。荒芰繄F(tuán)分布也均勻，說明此范圍內(nèi)采空區(qū)頂板煤巖體較完整；垂向10～35 m測程范圍內(nèi)，圖4(b)中B區(qū)域內(nèi)煤巖體出現(xiàn)離散式高強(qiáng)能量反射，但的波形總體均勻且同相軸連續(xù)，振幅很小，推斷此處頂板煤巖體為破壞后再穩(wěn)定狀態(tài)，存在松散未壓實(shí)的空洞，但未影響采空區(qū)頂板煤巖體的穩(wěn)定性。

2.3 基于光學(xué)成像技術(shù)的宏觀裂隙發(fā)育特征探測

應(yīng)用光學(xué)鉆孔攝像進(jìn)行煤巖內(nèi)部節(jié)理追蹤，預(yù)測不良地質(zhì)體特征。按照宏觀裂隙的不同傾向?qū)α严哆M(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)，該鉆孔內(nèi)頂板煤巖體裂隙玫瑰圖如圖5所示，并確定該區(qū)域采空區(qū)頂板煤巖體的六個(gè)宏觀觀裂隙優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方位角分別為：SE120～130°、SW240～250°、NW300～310°、NW340～350°、NE30～40°及NE60～70°。沿光學(xué)鉆孔走向方向(x)與采空區(qū)頂板宏觀裂隙數(shù)量(y)的定量化關(guān)系見下式。

上式可用于評(píng)價(jià)采空區(qū)頂板處煤巖體宏觀裂隙發(fā)育演化機(jī)制，沿著光學(xué)鉆孔走向方向，按照宏觀裂隙數(shù)量大體可將煤巖體劃分為3個(gè)區(qū)域：0～5 m為區(qū)域Ⅰ(煤巖體破碎區(qū))，該區(qū)域內(nèi)煤巖體中宏觀裂隙數(shù)量增加顯著、并逐步增至最大值；5～8 m為區(qū)域Ⅱ(煤巖體塑性區(qū))，該區(qū)域內(nèi)煤巖體宏觀裂隙已進(jìn)一步擴(kuò)展，但宏觀裂隙數(shù)量隨距離增加出現(xiàn)反向地減少；8～10 m為區(qū)域Ⅲ(煤巖體彈性區(qū))，判定該區(qū)域煤巖體較穩(wěn)定，宏觀裂隙已成形且裂隙數(shù)量隨距離增加基本保持不變。

3 急傾斜煤煤巖體細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征DR掃描

數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)(digital radiography,DR)掃描技術(shù)很好地解決了急傾斜特厚煤層內(nèi)部細(xì)微觀裂紋演化規(guī)律的研究問題。針對(duì)急傾煤巖體細(xì)微觀結(jié)構(gòu)特征的DR掃描在實(shí)現(xiàn)無損監(jiān)測的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)獲取煤巖體內(nèi)部裂紋的時(shí)空演化規(guī)律，具有不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢。對(duì)烏東煤礦北采區(qū)煤巖體運(yùn)用DR細(xì)微觀掃描方法，現(xiàn)場獲取烏東煤礦北采區(qū)采空區(qū)頂板處煤巖體。分別對(duì)煤巖體中6個(gè)隨機(jī)位置處在三維方向(XYZ方向)上的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行掃描，掃描結(jié)果見圖6。

在90 kVp、320 mA、100 ms測試條件下，X射線均完全穿透煤體試樣(圖6(a))： 煤體試樣各向差異性顯著，存在大量細(xì)微觀尺度預(yù)生微觀裂紋；此外，掃描圖像中煤體內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)比區(qū)域，初步判定為相對(duì)原子質(zhì)量大的物質(zhì)；后期對(duì)異常區(qū)域的物質(zhì)成分進(jìn)行分析，判定含F(xiàn)e、S元素，外觀呈暗黃色，屬吸附型硫化物。圖6(b)為巖體試樣的掃描結(jié)果，測試條件為150 kVp、320 mA、50 ms。該實(shí)驗(yàn)條件下，X射線均完全穿透巖體試樣，相比較煤體試樣，巖體試樣的預(yù)生微觀裂隙數(shù)量明顯較少，巖體試樣的各向異性小，巖體試樣成分組成仍舊存在差異，經(jīng)過后期的物質(zhì)成分分析，多摻雜泥巖或泥質(zhì)砂巖，致使巖體試樣的膠結(jié)程度更佳。

綜上可以看出：烏東煤礦北采區(qū)采空區(qū)頂板處煤巖體在成巖過程中，細(xì)微觀組成成分差異小、原生裂隙少、含一定量高強(qiáng)度的膠結(jié)物質(zhì)等因素決定其宏觀力學(xué)強(qiáng)度大，尤其是在上述的特殊地層賦存狀態(tài)及開采條件下，并且急傾斜煤巖體所受載荷偏小，烏東煤礦北采區(qū)采空區(qū)頂板更易在大范圍頂煤放出后形成大面積懸頂及大尺度頂板整體性的垮落，出現(xiàn)動(dòng)力性沖擊，直接影響采場的安全生產(chǎn)。

圖5 急傾斜煤層采空區(qū)頂板宏觀裂隙光學(xué)探測Fig.5 Optical observation of macroscopic cracks in the mine-void roof

圖6 急傾煤巖體細(xì)微觀特征DR掃描結(jié)果Fig.6 DR scanning results of microsopic and mescoscopic chacterisitcs of the steeply inclined coal-rock masses

4 結(jié) 論

1) 烏魯木齊礦區(qū)所開采的急傾斜特厚煤層恰位于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)頻繁，屬地震多發(fā)區(qū)域，開采環(huán)境極其復(fù)雜，開采后頂板極易大范圍懸頂及大尺度頂板整體性的垮落，小煤窯分布情況不明且動(dòng)力災(zāi)害頻發(fā)。

2) 綜合分析結(jié)果表明：區(qū)域內(nèi)采空區(qū)頂板的宏觀結(jié)構(gòu)較為致密、構(gòu)造裂隙較少；急傾斜煤巖體多為破壞后再穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，存在松散未壓實(shí)的空洞，但不影響采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性，其宏觀裂隙發(fā)育不明顯；構(gòu)建了急傾斜煤巖體宏觀裂隙分布特征的統(tǒng)計(jì)模型，將采空區(qū)內(nèi)急傾斜煤巖體大體劃分為3個(gè)區(qū)域，分別為0～5.0 m破碎區(qū)、5.0～8.0 m塑性區(qū)、8.0～10.0 m彈性區(qū)。

3) 煤體試樣各向差異性顯著，存在大量微觀尺度原生裂紋并夾含硫化物。巖體試樣原生細(xì)微觀裂隙數(shù)量明顯較少，巖體試樣的各向異性小且多摻雜泥巖或泥質(zhì)砂巖等膠結(jié)物質(zhì)，此為導(dǎo)致采空區(qū)頂板出現(xiàn)大面積懸頂及整體性垮落的主因之一。