煤礦褶皺構(gòu)造區(qū)沖擊地壓機(jī)理研究及防治實(shí)踐

曹安業(yè)，薛成春，吳 蕓，王崧瑋，郭文豪

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇省礦山地震監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 塔山煤礦，山西 大同 037001)

0 引 言

褶皺構(gòu)造是煤巖層受垂直和水平方向應(yīng)力擠壓、扭轉(zhuǎn)等作用發(fā)生彎曲變形而形成的，是地殼運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最基本的構(gòu)造型式[1-4]。在我國(guó)煤炭開(kāi)采中，褶皺構(gòu)造區(qū)資源開(kāi)采占比大，褶皺區(qū)存在較大的構(gòu)造應(yīng)力，在工作面采掘擾動(dòng)影響下，極易誘發(fā)煤巖動(dòng)力災(zāi)害事故[5-10]。

因此，研究褶皺構(gòu)造區(qū)煤巖層開(kāi)采應(yīng)力演化特征和沖擊地壓孕育機(jī)制，對(duì)實(shí)現(xiàn)工作面安全開(kāi)采具有重要意義。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者從不同角度分析了褶皺構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化特征，取得了大量研究成果。井廣成等[7]基于震源機(jī)制矩張量反演，得到了工作面開(kāi)采期間圍巖應(yīng)力演化情況。康紅普等[11]基于華硯礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)井下構(gòu)造應(yīng)力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，向斜構(gòu)造對(duì)礦井地應(yīng)力場(chǎng)分布產(chǎn)生較大影響。王宏偉等[12]研究認(rèn)為褶皺構(gòu)造原巖應(yīng)力場(chǎng)分布具有明顯空間分布區(qū)域性，垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力在向斜軸部、背斜軸部表現(xiàn)出不同的分區(qū)特性。陸菜平等[13]建立了褶皺構(gòu)造數(shù)值模型，分析了褶皺構(gòu)造區(qū)工作面開(kāi)采過(guò)程中頂板、煤層、底板的應(yīng)力演化形式，研究了工作面不同開(kāi)采時(shí)期的煤巖應(yīng)力分布規(guī)律。賀志龍[14]研究了褶皺應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，比較了不同開(kāi)采方式下，工作面頂板、底板與煤壁前方應(yīng)力集中程度。

此外，還有專(zhuān)家學(xué)者對(duì)褶皺構(gòu)造區(qū)沖擊地壓孕育規(guī)律進(jìn)行了研究，取得了豐碩成果。王存文等[15]基于案例分析探究了斷層、褶皺及相變等區(qū)域沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，并將褶皺各部位的受力狀態(tài)劃分5個(gè)區(qū)域。卜萬(wàn)奎等[16]基于極坐標(biāo)下曲梁的位移函數(shù)，研究了曲梁偏微分控制方程和位移分量、應(yīng)力分量。陳國(guó)祥等[17]基于對(duì)褶皺構(gòu)造區(qū)沖擊地壓發(fā)生特征的總結(jié)歸納，在褶皺構(gòu)造區(qū)巷道布置方位、工作面布局與沖擊地壓的關(guān)聯(lián)性方面進(jìn)行了探討，從戰(zhàn)略防御角度提出了褶皺構(gòu)造區(qū)工作面沖擊地壓防范措施。齊慶新等[18]從褶皺構(gòu)造應(yīng)力分布角度，研究了陶莊煤礦沖擊地壓與褶皺構(gòu)造應(yīng)力的潛在關(guān)系，以及沖擊地壓發(fā)生的力源問(wèn)題。

胡家河煤礦402103工作面褶皺構(gòu)造發(fā)育，采掘期間動(dòng)力顯現(xiàn)強(qiáng)烈?；诖耍P者建立了褶皺構(gòu)造區(qū)數(shù)值模型，研究了褶皺構(gòu)造區(qū)工作面開(kāi)采期間頂板、煤層和底板的垂直、水平應(yīng)力演化特征，探討了煤層褶皺構(gòu)造區(qū)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，制定了頂板、煤層爆破釋能降載防治方案，為煤礦褶皺構(gòu)造區(qū)沖擊地壓防治提供理論及實(shí)踐依據(jù)。

1 工程概況

胡家河煤礦402盤(pán)區(qū)褶皺構(gòu)造賦存復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)賦存A4背斜和A5、A6向斜，煤巖層水平構(gòu)造應(yīng)力大，褶皺形態(tài)如圖1所示。402103工作面為402盤(pán)區(qū)首采面，走向長(zhǎng)度2 047 m，傾向長(zhǎng)度180 m，平均開(kāi)采深度約680 m，煤層厚度穩(wěn)定，平均厚14.5 m，工作面上覆多層厚硬砂巖層，基本頂(粉砂巖)平均厚18.5 m，距煤層約3.5 m。

圖1 煤礦褶皺構(gòu)造形態(tài)Fig.1 Morphology of coal mine fold structure

402103工作面泄水巷、運(yùn)輸巷等巷道掘進(jìn)期間，受構(gòu)造應(yīng)力、采掘擾動(dòng)等影響，工作面動(dòng)力顯現(xiàn)明顯，多次造成巷道出現(xiàn)大面積頂板瞬間下沉，頂板錨索頻繁破斷，局部顯著底鼓等現(xiàn)象。

2016年10月27日，402103工作面回采期間，工作面超前區(qū)域發(fā)生能量2.76×105J強(qiáng)礦震事件，震源位置平面走向上超前工作面約7 m，傾向距運(yùn)輸巷約25 m，距泄水巷約45 m，位于A4背斜軸部區(qū)域，如圖2所示。

圖2 強(qiáng)礦震震源位置及現(xiàn)場(chǎng)顯現(xiàn)情況Fig.2 Location of source of strong mine earthquake and its on-site appearance

強(qiáng)礦震事件造成工作面運(yùn)輸巷超前20～35 m頂板下沉明顯，下沉量為600～1 000 mm，泄水巷底板出現(xiàn)底鼓、開(kāi)裂現(xiàn)象，底鼓量約200 mm，裂縫寬度約40 mm，巷道整體斷面變形嚴(yán)重。

402103工作面開(kāi)采期間強(qiáng)礦震事件頻發(fā)，沖擊危險(xiǎn)性強(qiáng)，因此，研究褶皺構(gòu)造區(qū)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理對(duì)指導(dǎo)工作面安全開(kāi)采尤為重要。

2 褶皺構(gòu)造區(qū)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

2.1 模型建立

為研究工作面褶皺構(gòu)造區(qū)回采期間的應(yīng)力演化特征，以胡家河煤礦402103工作面為工程背景，經(jīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化地質(zhì)條件后，構(gòu)建褶皺構(gòu)造條件下的FLAC3D數(shù)值模型，如圖3所示。模型尺寸：540、500、240 m(長(zhǎng)、寬、高)，設(shè)定模型褶皺構(gòu)造參數(shù)為波長(zhǎng)540 m，翼間角120°，波幅80 m。

圖3 褶皺構(gòu)造數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Numerical calculation model of fold structure

褶皺構(gòu)造模型煤巖體初始應(yīng)力由自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力2個(gè)方面組成。對(duì)褶皺構(gòu)造模型分2步施加邊界條件：第1步模擬自重應(yīng)力場(chǎng)，固定模型底面垂直位移，固定模型4個(gè)側(cè)面法向水平位移，模型上邊界施加10 MPa等效載荷(模擬埋深400 m)；第2步模擬構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，解除模型兩側(cè)法向水平位移約束條件，施加1個(gè)應(yīng)力邊界條件，構(gòu)造應(yīng)力按照線性梯度變化施加，即模型頂部施加20 MPa、底部施加32 MPa。

模型采用摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)適當(dāng)折減后確定，見(jiàn)表1。

表1 模型煤巖層力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of model coal and rock strata

2.2 開(kāi)采期間頂?shù)装鍛?yīng)力分布規(guī)律

為分析褶皺構(gòu)造區(qū)工作面在鄰近背、向斜軸部期間，受開(kāi)采擾動(dòng)作用下頂?shù)装鍘r層應(yīng)力分布及其演化規(guī)律，提取模型每次開(kāi)挖后工作面超前10 m處頂板、底板處的支承壓力峰值，繪制不同開(kāi)采階段頂?shù)装鍘r層應(yīng)力分布特征，如圖4所示。

由圖4a、圖4b可知，隨著工作面開(kāi)采至褶皺軸部，褶皺構(gòu)造區(qū)垂直應(yīng)力在后方采空區(qū)頂?shù)装鍘r層中均形成橢圓形卸壓區(qū)；水平應(yīng)力在后方采空區(qū)頂?shù)装鍘r層中形成半橢圓形卸壓區(qū)，即僅在頂板或底板形成卸壓區(qū)。

由圖4c可知，工作面回采鄰近背斜軸部時(shí)，頂板水平應(yīng)力占主導(dǎo)作用，此時(shí)頂板更易發(fā)生失穩(wěn)破壞；工作面鄰近向斜軸部時(shí)，底板水平應(yīng)力占主導(dǎo)作用，此時(shí)底板更易發(fā)生失穩(wěn)破壞。工作面回采至褶皺翼部時(shí)，頂板水平應(yīng)力逐步降低，底板水平應(yīng)力逐步上升，表明工作面褶皺翼部區(qū)開(kāi)采時(shí)，高應(yīng)力集中區(qū)逐漸由頂板向底板轉(zhuǎn)移，且主要受水平應(yīng)力影響。

圖4 褶皺構(gòu)造區(qū)開(kāi)采期間頂?shù)装鍘r層應(yīng)力演化特征Fig.4 Stress evolution characteristics of roof and floor strata during mining in fold structure area

工作面開(kāi)采至褶皺構(gòu)造不同區(qū)域時(shí)，褶皺構(gòu)造區(qū)頂板和底板垂直、水平應(yīng)力場(chǎng)分布具有明顯的分區(qū)特性。

2.3 開(kāi)采期間煤層應(yīng)力分布規(guī)律

為分析褶皺構(gòu)造區(qū)工作面在鄰近背、向斜軸部期間，受開(kāi)采擾動(dòng)作用下煤層應(yīng)力分布及其演化規(guī)律，提取模型每次開(kāi)挖后工作面煤體超前10 m處的支承壓力峰值，繪制褶皺構(gòu)造區(qū)開(kāi)采期間煤層中應(yīng)力分布特征圖，如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)工作面自背斜至向斜開(kāi)采時(shí)，煤層垂直應(yīng)力整體呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)，應(yīng)力最小值位于回采100 m(背斜軸部)處，應(yīng)力最大值位于回采330 m處。煤層水平應(yīng)力整體呈現(xiàn)降低→上升→降低的趨勢(shì)，應(yīng)力最小值位于回采50 m處，應(yīng)力最大值位于回采280 m(向斜軸部)處。對(duì)比煤層垂直、水平應(yīng)力峰值增幅可以看出，褶皺翼部開(kāi)采期間(背斜至向斜)，煤層水平應(yīng)力增幅大于垂直應(yīng)力，表明隨工作面開(kāi)采鄰近向斜軸部，水平應(yīng)力對(duì)煤壁穩(wěn)定性影響程度逐漸增大，沖擊危險(xiǎn)性逐步加強(qiáng)。

圖5 褶皺構(gòu)造區(qū)開(kāi)采期間煤層應(yīng)力演化特征Fig.5 Coal seam stress evolution characteristics during mining in the fold structure area

綜上所述，工作面開(kāi)采至褶皺構(gòu)造不同區(qū)域時(shí)，褶皺構(gòu)造區(qū)垂直、水平應(yīng)力場(chǎng)分布具有明顯的分區(qū)特性，褶皺構(gòu)造區(qū)工作面開(kāi)采時(shí)水平應(yīng)力起主導(dǎo)作用。

3 褶皺構(gòu)造區(qū)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

眾多現(xiàn)場(chǎng)沖擊案例和文獻(xiàn)[19]表明，礦井沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生力源包括：煤巖體的靜應(yīng)力載荷和采掘活動(dòng)誘發(fā)的動(dòng)應(yīng)力載荷。當(dāng)煤巖體中靜應(yīng)力載荷與礦震形成的動(dòng)應(yīng)力載荷之和大于煤巖體沖擊破壞的臨界應(yīng)力載荷，可誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。可用式(1)表示

σj+σd≥σb，min

(1)

式中：σj為煤巖體中的靜應(yīng)力載荷，主要提供煤巖破壞的應(yīng)力和能量基礎(chǔ)；σd為礦震形成的動(dòng)應(yīng)力載荷，主要起觸發(fā)損傷破壞的作用，同時(shí)輸入部分能量；σb，min為發(fā)生沖擊地壓時(shí)的臨界應(yīng)力載荷。

褶皺構(gòu)造背斜軸部區(qū)頂?shù)装鍘r層賦存高水平應(yīng)力，煤層賦存高垂直應(yīng)力，巷道圍巖系統(tǒng)整體處于高靜載應(yīng)力集中狀態(tài)。此時(shí)，當(dāng)頂板厚硬巖層破斷產(chǎn)生的強(qiáng)動(dòng)載擾動(dòng)傳遞至巷道時(shí)，導(dǎo)致巷道圍巖系統(tǒng)動(dòng)靜載應(yīng)力增加，若其超過(guò)巷道圍巖系統(tǒng)動(dòng)力失穩(wěn)的臨界值，易誘發(fā)沖擊地壓。

綜上，褶皺構(gòu)造區(qū)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理可以簡(jiǎn)述為：巷道圍巖系統(tǒng)在構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤巖體賦存高靜載荷，此時(shí)頂板破斷產(chǎn)生的動(dòng)載荷傳遞至巷道圍巖系統(tǒng)，導(dǎo)致煤巖體動(dòng)靜載荷之和大于圍巖系統(tǒng)沖擊破壞的臨界應(yīng)力載荷，誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。402103工作面褶皺構(gòu)造發(fā)育，隨工作面開(kāi)采距背斜軸部越近，巷道圍巖系統(tǒng)靜載集中程度增大，沖擊危險(xiǎn)性增強(qiáng)。此時(shí)，402103工作面上方厚硬頂板破斷滑移運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的礦震動(dòng)載傳遞至巷道圍巖系統(tǒng)，超過(guò)其發(fā)生沖擊地壓時(shí)的臨界應(yīng)力載荷，從而誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)。

4 褶皺構(gòu)造區(qū)沖擊地壓防治技術(shù)

4.1 防治方案

基于前述褶皺構(gòu)造區(qū)的沖擊地壓發(fā)生機(jī)理分析可知，構(gòu)造區(qū)巷道圍巖發(fā)生的失穩(wěn)破壞主要與頂板破斷釋放的動(dòng)載和巷道圍巖高靜載狀態(tài)有關(guān)，故防治該類(lèi)沖擊地壓的關(guān)鍵點(diǎn)在于有效降低厚硬頂板結(jié)構(gòu)內(nèi)積聚的彈性能，降低覆巖破斷帶來(lái)的動(dòng)載擾動(dòng)，以及降低巷道圍巖系統(tǒng)高靜載狀態(tài)[20]。此外采取加強(qiáng)工作面巷道圍巖系統(tǒng)支護(hù)強(qiáng)度、降低工作面開(kāi)采速度作為輔助措施。結(jié)合本工作面開(kāi)采特征，在常規(guī)煤巖體卸壓的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)巷道圍巖性質(zhì)、塑性區(qū)分布情況，設(shè)計(jì)巷道圍巖頂板、煤層動(dòng)態(tài)爆破解危卸壓方案。爆破孔布置如圖6所示，爆破參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巷道圍巖爆破卸壓方案參數(shù)Table 2 Parameters of blasting pressure relief plan for surrounding rock of roadway

圖6 巷道圍巖爆破卸壓方案示意Fig.6 Schematic of blasting pressure relief scheme for surrounding rock of roadway

4.2 效果檢驗(yàn)

解危卸壓方案實(shí)施前后微震數(shù)據(jù)演化規(guī)律如圖7所示，2016年10月1日至10月27日沖擊地壓事件發(fā)生前，日平均微震總能量為5.25×105J，日平均微震總頻次為36個(gè)；10月27日沖擊事故發(fā)生后工作面區(qū)域及時(shí)采取頂板、煤層爆破卸壓，10月28日至11月27日間，日平均微震總能量為2.75×105J，日平均微震總頻次為42個(gè)。解危卸壓后日均微震總能量下降47.6%，日均微震總頻次上升16.7%，微震總能量降低，頻次增加，表明沖擊顯現(xiàn)后采取的動(dòng)態(tài)解危卸壓措施效果良好。

圖7 工作面解危卸壓前后微震數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Comparison of microseismic data before and after danger relief in working face

5 結(jié) 論

1)模擬結(jié)果表明，褶皺構(gòu)造區(qū)工作面開(kāi)采時(shí)，水平應(yīng)力起主導(dǎo)作用；工作面鄰近背斜軸部時(shí)，頂板巖層穩(wěn)定性降低；工作面鄰近向斜軸部時(shí)，底板穩(wěn)定性降低；工作面翼部開(kāi)采時(shí)，煤層穩(wěn)定性降低。

2)巷道圍巖系統(tǒng)在構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤巖體賦存高靜載荷，當(dāng)頂板破斷產(chǎn)生的動(dòng)載荷傳遞至巷道圍巖系統(tǒng)，導(dǎo)致巷道圍巖系統(tǒng)載荷應(yīng)力增加，易誘發(fā)沖擊地壓。

3)基于褶皺構(gòu)造區(qū)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，制定了頂板、煤層定向爆破釋能降載的沖擊地壓防治方案，微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明卸壓效果良好。對(duì)類(lèi)似條件下的工作面沖擊地壓防治具有指導(dǎo)借鑒意義。