段文超

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 山西 晉城 048006)

深部煤層開采期間，由于上覆巖層自重較大，煤層所承載的自重應(yīng)力要遠(yuǎn)大于淺部煤層開采期間，同時(shí)煤層開采布局的不合理性將會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致煤層開采期間煤體內(nèi)局部區(qū)域應(yīng)力的高度集中，存在較大的沖擊危險(xiǎn)性。當(dāng)主采煤層上覆巖層中存在厚硬頂板時(shí)，煤層開采致使厚硬懸頂破斷而形成的強(qiáng)烈動(dòng)載擾動(dòng)將會(huì)誘使煤體內(nèi)局部高應(yīng)力集中區(qū)瞬間失穩(wěn)而發(fā)生沖擊顯現(xiàn)，造成礦井重大安全事故的發(fā)生。針對(duì)煤層上覆巖層中厚硬頂板為主要誘因的沖擊地壓災(zāi)害防治，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了遠(yuǎn)近場(chǎng)動(dòng)載誘沖理論、厚硬頂板誘沖判別準(zhǔn)則、動(dòng)靜載疊加誘沖機(jī)理、沖擊地壓?jiǎn)?dòng)理論等理論學(xué)說(shuō)，同時(shí)相應(yīng)提出了一系列的防治措施，例如分時(shí)、分區(qū)、分級(jí)爆破頂板防治技術(shù)體系，切頂分層弱化頂板防治技術(shù)體系，采掘空間柔性與剛性支護(hù)相結(jié)合的防治技術(shù)體系等[1-4].

本文以某深井厚硬頂板下煤層開采為研究出發(fā)點(diǎn)，對(duì)震動(dòng)波CT反演防治技術(shù)體系進(jìn)行論證，為該防治技術(shù)體系的后續(xù)推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)概況

某深井目前所開采的74101工作面位于該礦井的東翼采區(qū)內(nèi)，平均埋深超過(guò)千米，屬于千米深井開采工作面。74101工作面沿傾向?qū)捈s185 m，沿走向長(zhǎng)約1 350 m，且在靠近74101工作面開切眼附近存在一逆斷層f30，該斷層構(gòu)造的上下盤落差H為0～12.5 m，斷層傾角θ為55°. 74101工作面沿走向中間位置處存在一頂板砂巖增厚賦存區(qū)，導(dǎo)致該工作面回采推進(jìn)至該位置將會(huì)受到厚硬頂板地質(zhì)因素的影響。74101工作面平面布置示意圖見圖1.

圖1 工作面平面布置示意圖

1.2 礦壓顯現(xiàn)概況

沿工作面傾向在頂板砂巖增厚賦存區(qū)做橫向剖面，可知該位置的巖層賦存結(jié)構(gòu)情況，見圖2. 由圖2可知，此位置存在一小斷層f10，該斷層構(gòu)造的上下盤落差H為0～4.5 m，斷層傾角θ為65°. 當(dāng)74101工作面推進(jìn)至頂板砂巖增厚賦存區(qū)影響范圍內(nèi)時(shí)，在74101運(yùn)輸巷內(nèi)發(fā)生了一次嚴(yán)重的5.30沖擊地壓事故，微震監(jiān)測(cè)到的最大能量事件為5.3×104J，造成了巷道內(nèi)錨索拉斷以及圍巖嚴(yán)重變形；隨后在斷層構(gòu)造影響位置處工作面內(nèi)發(fā)生了一次嚴(yán)重的7.30沖擊地壓事故，此時(shí)微震監(jiān)測(cè)到的最大能量事件為1.1×105J，造成了工作面內(nèi)局部液壓支架嚴(yán)重倒架和壓架情況的發(fā)生，同時(shí)74101軌道巷內(nèi)也發(fā)生了強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)事故，巷道底板局部鼓起高達(dá)0.75 m，兩幫變形嚴(yán)重，影響工作面安全高效回采。

圖2 工作面橫向剖面示意圖

2 沖擊地壓發(fā)生原因分析

根據(jù)圖1可知，5.30沖擊地壓事故、7.30沖擊地壓事故和強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)位置均位于頂板砂巖增厚賦存區(qū)影響范圍內(nèi)，這表明開采所致的厚硬懸頂破斷產(chǎn)生的劇烈動(dòng)載擾動(dòng)對(duì)于沖擊地壓事故的發(fā)生有著重要的影響，同時(shí)開采所致小斷層構(gòu)造的活化同樣會(huì)產(chǎn)生動(dòng)載擾動(dòng)，這將進(jìn)一步加劇動(dòng)載擾動(dòng)疊加對(duì)于工作面采掘空間的影響。同時(shí)由于74101工作面埋藏深度超過(guò)千米，且未對(duì)工作面采取開采保護(hù)層、錯(cuò)層位布置巷道以及留設(shè)小煤柱護(hù)巷等卸讓壓措施，使工作面采掘空間周圍煤巖體內(nèi)容易積聚較高的靜載荷，這也對(duì)沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生有決定性的影響?；趧?dòng)靜載疊加誘沖機(jī)理，可知74101工作面沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理,見圖3.

圖3 動(dòng)靜載疊加誘沖示意圖

由圖3可知，工作面上方的厚硬頂板破斷、斷層構(gòu)造活化滑移所產(chǎn)生的劇烈動(dòng)載擾動(dòng)(σd)將會(huì)以彈性應(yīng)力波的形式向采掘空間周圍的煤巖體內(nèi)傳播，并最終與積聚于采掘空間周圍煤巖體內(nèi)的高集中靜載荷(σs)疊加作用，根據(jù)沖擊啟動(dòng)能量判據(jù)[5]實(shí)現(xiàn)對(duì)于沖擊地壓是否發(fā)生的判定，其能量判據(jù)見式(1)：

(1)

式中：

E—采掘空間周圍煤巖體的平均彈性模量，MPa；

Ux—?jiǎng)屿o載疊加作用下采掘空間周圍煤巖體內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能，kJ；

Umin—采掘空間周圍煤巖體失穩(wěn)破壞所需的最小彈性應(yīng)變能，kJ.

根據(jù)式(1)可知，當(dāng)采掘空間周圍煤巖體內(nèi)積聚的應(yīng)變彈性能(Ux)超過(guò)其失穩(wěn)破壞所需的最小彈性應(yīng)變能(Umin)時(shí)，煤巖體將會(huì)失穩(wěn)破壞而發(fā)生礦壓顯現(xiàn)，而礦壓顯現(xiàn)劇烈程度則由其能量差決定，見式(2)：

ΔU=Ux-Umin

(2)

式中：

ΔU—采掘空間周圍煤巖體失穩(wěn)破壞時(shí)所攜帶的殘余彈性應(yīng)變能，kJ.

基于式(2)，并結(jié)合時(shí)間效應(yīng)，假設(shè)采掘空間周圍煤巖體失穩(wěn)破壞時(shí)所攜帶的殘余彈性應(yīng)變能越大，而釋放殘余彈性應(yīng)變能的時(shí)間愈短，則煤巖體將會(huì)瞬間失穩(wěn)破壞而發(fā)生沖擊地壓事故。

3 沖擊地壓防治研究

礦震震動(dòng)波CT反演技術(shù)是基于煤巖體在不同受力狀態(tài)下其內(nèi)部的震動(dòng)波傳播速度也隨之產(chǎn)生變化作為理論依據(jù)而研發(fā)的一種新型技術(shù)[6]. 該技術(shù)所采用的Mine Sos Tomo軟件主要基于SIRT算法對(duì)震動(dòng)波傳播速度模型進(jìn)行調(diào)整，關(guān)于礦震震動(dòng)波CT反演技術(shù)其具體反演運(yùn)算流程見圖4.

圖4 礦震震動(dòng)波CT反演流程圖

利用Mine Sos Tomo軟件對(duì)74101工作面上覆厚硬頂板進(jìn)行礦震震動(dòng)波CT反演，可以得到震動(dòng)波在厚硬頂板中傳播的波速云圖,見圖5.

圖5 厚硬頂板內(nèi)震動(dòng)波波速CT反演云圖

由圖5可知，在74101工作面上覆厚硬頂板內(nèi)存在兩個(gè)橢圓形的高應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致這兩個(gè)區(qū)域應(yīng)力增高的原因?yàn)轫敯迳皫r局部增厚，此處的高應(yīng)力也將會(huì)導(dǎo)致下方工作面煤體內(nèi)的應(yīng)力分布產(chǎn)生不均質(zhì)性。針對(duì)頂板砂巖增厚賦存這一特殊區(qū)域，采用切頂爆破孔進(jìn)行預(yù)裂爆破，每排設(shè)計(jì)5個(gè)切頂爆破孔，每?jī)膳徘许敱瓶字g的排距為15 m，每排切頂爆破孔的具體布置參數(shù)見表1.

表1 切頂爆破孔具體參數(shù)情況表

爆破孔的具體布置方式見圖6.

圖6 切頂爆破孔布置方式剖面圖

同時(shí)對(duì)頂板砂巖增厚賦存區(qū)下方煤體進(jìn)行爆破卸壓，煤體內(nèi)卸壓孔的具體參數(shù)見表2.

表2 煤體內(nèi)卸壓孔具體參數(shù)情況表

煤體內(nèi)卸壓孔的具體布置方式見圖7.

圖7 體內(nèi)卸壓孔布置平面圖

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

對(duì)74101工作面頂板砂巖增厚賦存區(qū)影響范圍內(nèi)的頂板和煤體進(jìn)行切頂爆破和卸壓爆破后，后續(xù)回采期間關(guān)于74101軌道巷的圍巖變形情況見8.

通過(guò)對(duì)比圖8可知，實(shí)施措施前后，巷道圍巖整體變形量差異較大。實(shí)施措施后，巷道基本不存在底鼓情況，同時(shí)兩幫變形也較小，巷道整體空間結(jié)構(gòu)能夠滿足生產(chǎn)安全需求。

圖8 74101軌道巷實(shí)施措施前后實(shí)例圖

同時(shí)，基于該礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)74101工作面回采期間的微震事件能量大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖9.

根據(jù)圖9可知,對(duì)頂板砂巖增厚賦存區(qū)影響范圍內(nèi)的頂板和煤體分別采取切頂爆破和卸壓爆破措施后，該影響范圍內(nèi)微震事件最大能量普遍處于103～104J級(jí)別，只有在實(shí)施措施范圍外存在大于104J級(jí)別的最大能量事件，說(shuō)明該措施有效改善了動(dòng)載荷的擾動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)而有效防止動(dòng)靜載疊加作用下因能量過(guò)大而誘發(fā)沖擊地壓事故。

圖9 微震事件能量監(jiān)測(cè)平面圖

5 結(jié) 論

1) 某千米深井工作面因頂板砂巖增厚賦存區(qū)影響而易誘發(fā)沖擊地壓事故，基于動(dòng)靜載疊加誘沖機(jī)理對(duì)其誘因進(jìn)行了理論分析，指出劇烈動(dòng)載擾動(dòng)和高集中靜載荷均為沖擊地壓發(fā)生的關(guān)鍵因素。

2) 礦震震動(dòng)波CT反演技術(shù)被用于精確定位頂板砂巖增厚賦存而引起的應(yīng)力異常增高區(qū)，并通過(guò)相應(yīng)的切頂爆破和卸壓爆破措施對(duì)該影響區(qū)范圍內(nèi)的頂板和煤體進(jìn)行卸壓解?！，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，卸壓解危后74101軌道巷整體空間結(jié)構(gòu)能夠滿足安全生產(chǎn)需求，同時(shí)頂板砂巖增厚賦區(qū)影響范圍內(nèi)微震事件最大能量普遍處于103～104J級(jí)別，說(shuō)明該措施有效防止了動(dòng)靜載疊加作用下因能量過(guò)大而誘發(fā)的沖擊地壓事故。