趙 雷，王俊峰

(中煤西北能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307)

0 引言

隨著礦井開(kāi)采深度增加，礦井沖擊地壓災(zāi)害更加嚴(yán)重，在山東兗州、新汶、棗莊等深部礦區(qū)，已成為制約煤礦安全、高效生產(chǎn)的首要因素[1]。為解決高強(qiáng)度開(kāi)采條件下的沖擊地壓災(zāi)害防治，姜福興、潘一山、竇林名、蔣金泉等[2-9]專家通過(guò)沖擊地壓監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)，如微震、地音、電磁輻射等監(jiān)測(cè)方法，研究沖擊地壓和上覆巖層周期破斷之間的關(guān)系，建立了沖擊地壓災(zāi)害的防治監(jiān)測(cè)、預(yù)警技術(shù)體系?！斗乐蚊旱V沖擊地壓細(xì)則》明確沖擊地壓礦井可采用微震監(jiān)測(cè)法，可采用礦壓監(jiān)測(cè)法進(jìn)行局部補(bǔ)充性監(jiān)測(cè)，回采工作面通過(guò)對(duì)液壓支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析采場(chǎng)來(lái)壓程度、來(lái)壓步距、來(lái)壓征兆等，對(duì)采場(chǎng)大面積來(lái)壓進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

為此，以內(nèi)蒙古鄂爾多斯母杜柴登礦井30202工作面為例，通過(guò)理論計(jì)算，結(jié)合工作面回采期間微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析工作面關(guān)鍵層周期破斷相關(guān)規(guī)律，以期為礦井大采高工作沖擊地壓災(zāi)害防治工作提供借鑒。

1 覆巖巖性分析

1.1 工作面概況

工作面布置：母杜柴登礦井30202工作面位于井田3-1煤層302盤(pán)區(qū)北翼，緊鄰30201首采工作面，兩工作面為外錯(cuò)式布置，中部留設(shè)20 m寬煤柱，西側(cè)為30203工作面實(shí)煤體。30202工作面布置示意圖如圖1所示。

圖1 30202工作面布置示意圖

煤層及巖性：該礦井30202工作面煤厚為4.74～6.32 m之間，平均5.68 m，兩順槽巷道沿煤層底板掘進(jìn)，巷道頂煤平均厚度為1.70 m。工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度268 m，工作面走向長(zhǎng)度3 718 m。煤層直接頂板主要為粉砂質(zhì)泥巖。老頂為粗粒砂巖，淺灰色，巨厚層狀，棱角狀，分選性差，泥質(zhì)膠結(jié)，含少量泥質(zhì)條帶，含大量煤線，見(jiàn)少量黃鐵礦結(jié)核。經(jīng)鑒定，煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂板具有弱沖擊傾向性。截止2018年11月14日，30202工作面累計(jì)回采約 930 m，已回采區(qū)域最近的地質(zhì)鉆孔B22位于回采里程1 120 m處，距離30202工作面回風(fēng)巷約283 m，其地質(zhì)資料如圖2所示。

圖2 鉆孔B22柱狀圖

1.2 載荷三帶理論介紹

三帶劃分：在工作面回采過(guò)程中，為分析上覆巖層在采掘工程中對(duì)巷道本身及周邊施加的應(yīng)力影響，姜福興[10]將整個(gè)上覆巖層組劃分為即時(shí)加載帶(ILZ)、延時(shí)加載帶(DLZ)、靜載帶(SLZ)，稱之為載荷三帶。

三帶定義：即時(shí)加載帶是隨著回采工作的進(jìn)行會(huì)在短期內(nèi)發(fā)生周期性撓曲、破裂和垮落，可以即時(shí)充填采空區(qū)并形成承載結(jié)構(gòu)的巖層組。延時(shí)加載帶位于即時(shí)加載帶以上，是在回采初期懸頂，但隨著所承受載荷超過(guò)自身強(qiáng)度將在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)逐步發(fā)生離層和斷裂的巖層組。靜載帶是從延時(shí)加載帶以上直至地表，連續(xù)性好，對(duì)下方巖體施加的應(yīng)力受采動(dòng)影響變化較小的巖層組。

1.3 三帶高度理論計(jì)算

即時(shí)加載帶的厚度：根據(jù)ILZ帶的定義[11]，隨著工作面從開(kāi)切眼開(kāi)始推進(jìn)，采場(chǎng)上覆巖層由于采空區(qū)的出現(xiàn)會(huì)在短期內(nèi)發(fā)生冒落和劇烈的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，充填采空區(qū)并形成承載結(jié)構(gòu)，采用一般垮落帶的計(jì)算方式，見(jiàn)式(1)

(1)

式中：h—采高，m；KA—巖石的碎脹系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)KA的取值一般為1.1～1.3，但由于即時(shí)加載帶與垮落帶定義的區(qū)別，ILZ帶巖層不僅包括傳統(tǒng)三帶定義中垮落的部分巖層，還包括隨著回采活動(dòng)的進(jìn)行，在短時(shí)間內(nèi)可以斷裂回轉(zhuǎn)形成承載結(jié)構(gòu)的巖層組，其范圍較垮落帶大，此處KA的取值為1.1，因此即時(shí)加載帶的厚度MILZ計(jì)算見(jiàn)式(2)

MILZ=HILZ≈10h

(2)

由此可見(jiàn)，ILZ帶的厚度與工作面采出高度聯(lián)系緊密，冒高效應(yīng)明顯。計(jì)算得到30202工作面即時(shí)加載帶厚度為50～60 m。

延時(shí)加載帶的厚度：隨著采空區(qū)被ILZ帶內(nèi)的巖層完全充填，更高層位的巖層由于沒(méi)有垮落空間而無(wú)法在第一時(shí)間發(fā)生斷裂下沉，因此會(huì)在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)隨著所承受的載荷超過(guò)自身強(qiáng)度而逐步發(fā)生離層和斷裂。一般的巖層運(yùn)動(dòng)理論認(rèn)為，從采場(chǎng)開(kāi)切眼推進(jìn)起，到地層運(yùn)動(dòng)進(jìn)入充分采動(dòng)階段為止，采場(chǎng)上方破裂巖層形成結(jié)構(gòu)的最大高度約為連續(xù)開(kāi)采范圍短邊寬度L的一半，因此延時(shí)加載帶的厚度見(jiàn)式(3)

(3)

因此，采區(qū)連續(xù)開(kāi)采短邊寬度決定工作面DLZ帶的厚度，采寬效應(yīng)明顯。通過(guò)分析可知，30202工作面連續(xù)開(kāi)采范圍短邊長(zhǎng)度為550 m，因此得到延時(shí)加載帶厚度約為215～225 m。

靜載帶的厚度：根據(jù)SLZ帶的定義，位于DLZ帶上方，直到地表范圍的巖層組皆為SLZ帶，計(jì)算見(jiàn)式(4)

MSLZ=H-MILZ-MDLZ

(4)

SLZ帶的厚度由采深H、MILZ和MDLZ共同決定，得到30202工作面靜載帶厚度為415～425 m。

1.4 鉆孔揭露覆巖層位分析

煤層上方硬巖層的破斷是形成微震事件主要原因，其硬巖層分布也是頂板相關(guān)解危措施的重要依據(jù)。參照即時(shí)加載帶高度計(jì)算，對(duì)30202工作面覆巖進(jìn)行劃分，具體見(jiàn)表1。

2 堅(jiān)硬砂巖組覆巖周期破斷步距計(jì)算

2.1 第一組堅(jiān)硬頂板周期來(lái)壓步距

當(dāng)采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)，老頂周期性折斷或垮落的礦壓顯現(xiàn)成為老頂?shù)闹芷趤?lái)壓。兩次周期來(lái)壓之間工作面推進(jìn)的距離，叫周期來(lái)壓步距。周期來(lái)壓步距確定是將煤層上方堅(jiān)硬頂板視為懸梁式結(jié)構(gòu)，老頂周期來(lái)壓步距的力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為懸梁式折斷進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)式(5)[12]

(5)

表1 硬巖層分布匯總表(依據(jù)B22地質(zhì)孔相關(guān)資料)

式中：h—煤厚，取5.68 m；RT—上覆巖層極限抗拉強(qiáng)度，取5 810 kPa(取自沖擊傾向性鑒定數(shù)據(jù))；q—上覆巖層作用在老頂上的載荷，取975 kPa(取自支架選型數(shù)據(jù))。據(jù)計(jì)算，工作面第一組堅(jiān)硬頂板的周期來(lái)壓步距為8 m。

2.2 第二組堅(jiān)硬頂板周期來(lái)壓步距

來(lái)壓步距計(jì)算：同理，第二組堅(jiān)硬頂板的極限跨距(即周期來(lái)壓步距)計(jì)算見(jiàn)式(5)。

式中：h—取第一組頂板厚度，取35.35 m(自3-1煤頂板至2-2煤頂板泥巖)；RT—上覆巖層極限抗拉強(qiáng)度，取5 810 kPa(取自沖擊傾向性鑒定數(shù)據(jù))；q—上覆巖層作用在老頂上的載荷，取975 kPa(取自支架選型數(shù)據(jù))。根據(jù)計(jì)算，工作面第二組堅(jiān)硬頂板的周期來(lái)壓步距為49.8 m。

關(guān)鍵層位確定：隨著工作面持續(xù)回采，第一組頂板周期性破斷，主要表現(xiàn)為工作面周期性來(lái)壓，工作面繼續(xù)回采，第一組頂板垮落長(zhǎng)度增加到一定距離，第二組頂板加載于直接頂及工作面的壓力開(kāi)始增加，并呈現(xiàn)出周期性，主要表現(xiàn)為工作面來(lái)壓強(qiáng)度高、持續(xù)范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、大能量事件(105J)集中發(fā)生，對(duì)工作面動(dòng)載擾動(dòng)較大，是影響動(dòng)力顯現(xiàn)的關(guān)鍵層位。

3 周期來(lái)壓與微震事件關(guān)系分析

3.1 30202工作面周期來(lái)壓統(tǒng)計(jì)

周期來(lái)壓統(tǒng)計(jì)：對(duì)8月23日—11月13日回采期間工作面綜采支架壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，共計(jì)發(fā)生周期來(lái)壓18次，來(lái)壓步距平均8.6 m，見(jiàn)表2。

平均周期來(lái)壓確定：根據(jù)周期來(lái)壓統(tǒng)計(jì)結(jié)果，周期來(lái)壓步距與理論計(jì)算基本吻合。周期來(lái)壓持續(xù)距離平均約10.9 m，因來(lái)壓間隔較短，周期來(lái)壓期間持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，來(lái)壓結(jié)束表征不明顯，因此以兩次來(lái)壓起點(diǎn)間隔時(shí)間作為本工作面周期來(lái)壓步距計(jì)算，來(lái)壓起始點(diǎn)間距平均19.1 m。

3.2 周期來(lái)壓與微震事件分布規(guī)律

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：對(duì)統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)微震能量及頻次班別統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，工作面周期來(lái)壓期間微震頻次為1 759個(gè)，占比為60%，微震能量為1.4×107J，占比為68%；非周期來(lái)壓期間微震頻次為1 185個(gè)，占比為40%，微震能量為6.6×106J，占比為32%。工作面周期來(lái)壓持續(xù)總班數(shù)為155班，平均每班微震頻次為11.3個(gè)，平均每班能量釋放為9.39×104J；非周期來(lái)壓所占總班數(shù)為89班，平均每班微震頻次為13.3個(gè)，平均每班能量釋放6.99×104J；周期來(lái)壓比非周期來(lái)壓每班微震頻次低15%，周期來(lái)壓期間比非周期來(lái)壓期間每班微震能量釋放高34.3%。

表2 30202工作面周期來(lái)壓信息統(tǒng)計(jì)表

表3 30202工作面周期來(lái)壓微震信息統(tǒng)計(jì)表

結(jié)果分析：周期來(lái)壓期間平均每個(gè)微震事件能量為8.29×103J，非周期來(lái)壓期間平均每個(gè)微震事件能量為5.33×103J，周期來(lái)壓較非周期來(lái)壓平均微震能量高55.5%。工作面周期來(lái)壓期間頂板處于彈性能逐漸積聚升高階段，微震事件發(fā)生頻次低于非周期來(lái)壓期間，但每次微震事件發(fā)生都會(huì)釋放出較高能量，工作面整體沖擊危險(xiǎn)性也隨之增高。

3.3 大能量微震事件周期性分析

周期分布統(tǒng)計(jì)：對(duì)統(tǒng)計(jì)周期來(lái)壓期間內(nèi)105J及以上微震事件分布情況，見(jiàn)表4。

表4 105J微震事件周期性分布表

結(jié)果分析：由表4可知，工作面8月21日復(fù)采前停產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，采空區(qū)不同層位頂板均已充分垮落。工作面采動(dòng)后經(jīng)歷一個(gè)低層位覆巖周期性垮落后，開(kāi)始進(jìn)入高層位覆巖運(yùn)動(dòng)階段，因此第一階段前44.9 m統(tǒng)計(jì)為大周期的間隔距離；第三階段中10月11日微震事件能量釋放較高，接近106J，周期來(lái)壓提前結(jié)束。中高位頂板破斷周期為41～52 m，平均約46.2 m，與理論計(jì)算的中高位頂板極限破斷周期49.8m基本一致；周期來(lái)壓持續(xù)距離為38～54.5 m，平均約46.1 m。同時(shí)根據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)第一、二、四階段持續(xù)距離與周期來(lái)壓期間工作面回采速度呈負(fù)相關(guān)性，即工作面低速緩采，中高位覆巖來(lái)壓持續(xù)距離反而增加，中高位覆巖來(lái)壓持續(xù)距離也可能受高位覆巖大能量釋放提前結(jié)束，也說(shuō)明了沖擊地壓工作面低速回采利于沖擊災(zāi)害防治。

4 結(jié)論

(1)30202工作面上覆巖層中，影響沖擊顯現(xiàn)的關(guān)鍵層位可分為兩組。第1組(低位)關(guān)鍵層為3-1煤頂板向上33.6 m范圍；第2組(中高位)頂板關(guān)鍵層為3-1煤頂板向上35.4～98.9 m(2-2中煤頂板向上63.6 m范圍)；其中第2組(中高位)頂板關(guān)鍵層是影響工作面回采期間沖擊顯現(xiàn)的主要層位。

(2)工作面在低位頂板周期性的破斷步距為19.1 m，主要表現(xiàn)為工作面周期性來(lái)壓；中高位頂板周期性破斷步距為46.2 m，主要表現(xiàn)為工作面來(lái)壓強(qiáng)度高、持續(xù)范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，高位頂板周期來(lái)壓期間大能量事件(105J)頻發(fā)，出現(xiàn)大能量微震事件概率較大。

(3)工作面在周期來(lái)壓期間，平均單班微震能量釋放比非來(lái)壓階段高34.3%，微震頻次較非來(lái)壓階段低15%，單事件平均能量較非來(lái)壓期間高55.5%，工作面受動(dòng)載影響整體較高。發(fā)生沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)加大。為確保工作安全高效回采，須加強(qiáng)工作面周期來(lái)壓期間(尤其是中高位頂板破斷期間)沖擊地壓防治安全技術(shù)措施。