煤厚變化區(qū)采動(dòng)應(yīng)力演化及其沖擊影響研究

尚秀全，楊浩宇，艾 國(guó)，張永貴，朱廣安

(1.神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 神木 719300； 2.北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000； 3.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

隨著煤礦進(jìn)入深部開采，沖擊地壓災(zāi)害的頻度和強(qiáng)度顯著增加，難以有效預(yù)測(cè)與防治。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，沖擊危險(xiǎn)程度與煤層厚度及其變化密切相關(guān)[1]。大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和地應(yīng)力測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在煤厚變化區(qū)域，地應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生異常現(xiàn)象，應(yīng)力集中程度高，易于誘發(fā)強(qiáng)礦震和沖擊地壓顯現(xiàn)[2]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過數(shù)值模擬和微震監(jiān)測(cè)等方法，對(duì)煤厚變化區(qū)域礦震活動(dòng)、應(yīng)力和彈性能等分布規(guī)律進(jìn)行了研究[3-6]。本文以山東某礦深部工作面為例，針對(duì)切眼貫通過程中礦震呈“條帶”分布特征進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際揭露的煤層變薄帶，探索煤厚變化對(duì)初始應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力的影響，為類似條件下的強(qiáng)礦震、沖擊地壓事故提供借鑒。

1 工作面概況

3112工作面平面布置如圖1所示，在四周斷層(F2、FX2、F3111-1和F3)的切割作用下，3112工作面區(qū)域成為單獨(dú)的一個(gè)塊體，西側(cè)為3113采空區(qū)(工作面寬度70 m)，東側(cè)為3109采空區(qū)、3110采空區(qū)和3111采空區(qū)形成的大采空區(qū)(工作面寬度依此為70 m、110 m和70 m)。 3112工作面埋深約900 m，煤層平均傾角10°；煤層厚度2.8～9.0 m，平均6.73 m；走向長(zhǎng)度平均541.8 m，傾向長(zhǎng)度52.9～112.9 m。工作面地質(zhì)條件復(fù)雜、埋深較大、沖擊危險(xiǎn)性高。

2 沖擊地壓概況及原因分析

3112孤島工作面在整個(gè)掘進(jìn)和初步回采過程中累計(jì)發(fā)生3次沖擊地壓事故[7-8]，首先是2011年11月17日3112材料道掘進(jìn)發(fā)生一起沖擊地壓事故，如圖1中45°填充斜線區(qū)域所示。為降低沖擊危險(xiǎn)，提高孤島煤柱的承載能力，對(duì)工作面進(jìn)行縮面設(shè)計(jì)，開切眼位置轉(zhuǎn)移到原設(shè)計(jì)切眼后方3112工作面材料道拐彎處。切眼掘進(jìn)貫通期間和工作面初步回采期間，各發(fā)生了一起沖擊地壓事故，事故造成的沖擊破壞區(qū)域?yàn)閳D1中135°填充斜線區(qū)域和90°填充斜線區(qū)域，兩次事故均造成大面積巷道和工作面破壞，但均無(wú)人員傷亡。

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)微震統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)一些異常現(xiàn)象，圖2為2014年10月1～17日皮帶巷修復(fù)期間SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的礦震分布情況。由圖2可知，礦震主要分布于兩個(gè)區(qū)域：①皮帶巷修復(fù)區(qū)域附近，主要以小能量震動(dòng)為主；②切眼靠近皮帶巷附近礦震叢集，呈斜長(zhǎng)條帶分布，104J以上強(qiáng)礦震頻發(fā)。由此可見，不受巷道掘進(jìn)影響范圍的切眼附近(距離修復(fù)區(qū)域350 m)礦震顯現(xiàn)頻發(fā)，且呈規(guī)律性分布，預(yù)測(cè)在此礦震帶附近存在應(yīng)力異常區(qū)域。后期，切眼迎頭施工(材料道向皮帶巷貫通)過程中揭露一處煤層變薄區(qū)，如圖3所示。煤層厚度變化區(qū)應(yīng)力集中，高應(yīng)力的釋放誘發(fā)了后兩次沖擊顯現(xiàn)。

圖1 3112孤島工作面平面和歷次沖擊顯現(xiàn)區(qū)域分布圖Fig.1 Roadway layout and burst source distribution in the mined panel

圖2 3112皮帶巷修復(fù)期間震源分布圖Fig.2 Distribution map of seismic sources during restoration of 3112 belt roadway

圖3 煤層變薄帶Fig.3 Coal bed thinning zone

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型和模擬方案

采用FALC3D軟件模擬煤層厚度變化時(shí)的應(yīng)力分布情況。 模型尺寸為200 m×150 m×130 m，如圖4所示。 模型頂部邊界施加垂直載荷12 MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，側(cè)壓系數(shù)為1.5，施加15 MPa的水平應(yīng)力，數(shù)值模擬采用摩爾-庫(kù)倫模型，模擬采用的煤巖體力學(xué)參數(shù)見表1。共建立了4個(gè)模型，分別模擬煤層厚度由5 m依次變化為4 m、3 m、2 m和1 m時(shí)，煤厚變化區(qū)原巖應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力(垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力)變化規(guī)律。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型Fig.4 Sketch of numerical modelling

表1 模擬采用的煤巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Properties and parameters of the model

3.2 原巖應(yīng)力分布規(guī)律

3.2.1 垂直應(yīng)力

提取煤層中心線測(cè)線所得的垂直應(yīng)力，見圖5，煤層中心線上垂直應(yīng)力平均值為14.5 MPa，煤層厚度變化對(duì)其原巖應(yīng)力集中程度的影響見表2。由圖5和表2可知，所有模型均顯示一個(gè)特點(diǎn)，即煤層厚度變化區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且煤層厚度變化越劇烈，原巖應(yīng)力集中程度越高。 當(dāng)煤層厚度由5 m變?yōu)? m時(shí)，煤層初始應(yīng)力上升至15.93 MPa；當(dāng)煤層厚度由5 m變?yōu)? m時(shí)，煤層初始應(yīng)力上升至18.46 MPa；當(dāng)煤層厚度由5 m變?yōu)? m時(shí)，煤層初始應(yīng)力上升至21.67 MPa；當(dāng)煤層厚度由5 m變?yōu)? m時(shí)，煤層初始應(yīng)力上升至25.55 MPa。

圖5 煤厚變化區(qū)初始垂直應(yīng)力分布曲線Fig.5 Vertical stress curves with varying thicknesses in thickness of the coal seam area

表2 煤厚變化區(qū)峰值應(yīng)力及應(yīng)力集中系數(shù)Table 2 Comparison between values of peak stress and stress concentration factor for different modelling

3.2.2 水平應(yīng)力

以模型1為例，圖6所示為煤層厚度變化時(shí)初始水平應(yīng)力變化情況。由圖6可知，煤層和底板之間的水平應(yīng)力下降程度較低，相反地，煤層和頂板之間的水平應(yīng)力增加較快。

為進(jìn)一步研究水平應(yīng)力的變化規(guī)律，提取煤層、底板和頂板之間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖7)。由圖7可知，隨著煤層厚度變薄，煤層和頂板之間的水平應(yīng)力差由3.11 MPa上升至6.74 MPa，煤層和底板之間的水平應(yīng)力差由1.98 MPa下降至0.15 MPa。分析可知，煤層厚度的變化導(dǎo)致初始水平應(yīng)力分量的急劇增加，這為煤層開采推進(jìn)至煤厚變化區(qū)沖擊地壓的發(fā)生提供了條件。

圖6 煤厚變化區(qū)初始垂直應(yīng)力分布曲線Fig.6 Horizontal stress curves within the thickness variation of the coal seam

圖7 煤厚變化區(qū)水平應(yīng)力演化(模型1)Fig.7 Differential horizontal stress within the thickness variation of the coal seam (model 1)(注：Δσ1為煤層和頂板之間水平應(yīng)力差，Δσ2為煤層和底板之間水平應(yīng)力差)

3.3 采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律

工作面采動(dòng)推進(jìn)至煤厚變化區(qū)垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力差變化曲線如圖8和圖9所示。 由圖8和圖9可知，隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，受采動(dòng)影響，煤層厚度變化區(qū)采動(dòng)垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力差進(jìn)一步增大。

4 結(jié) 論

1) 煤層厚度變化區(qū)應(yīng)力集中程度高，易于誘發(fā)強(qiáng)礦震和沖擊地壓。

2) 在煤層厚度變化區(qū)，煤層厚度變化越劇烈，其原巖應(yīng)力值和應(yīng)力集中系數(shù)增大的程度越大，垂直應(yīng)力是相同條件下初始應(yīng)力值的2倍左右。

圖8 采動(dòng)推進(jìn)至煤厚變化區(qū)垂直應(yīng)力變化曲線Fig.8 The vertical stress curve when mining advances to coal thickness change area

圖9 采動(dòng)推進(jìn)至煤厚變化區(qū)水平應(yīng)力差變化曲線Fig.9 The horizontal stress difference curve when mining advances to coal thickness change area

3) 隨著煤層厚度變薄，煤層和頂板之間的水平應(yīng)力差隨之增大，而煤層和底板之間的水平應(yīng)力差隨之減小。