呂傳慶

(晉城宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048000)

我國煤炭儲量豐富，賦存地質(zhì)條件多樣，在開采過程中，常受到斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造的影響，導(dǎo)致煤炭資源開采條件復(fù)雜化[1-2].褶曲構(gòu)造往往伴隨著地殼的運(yùn)移而形成，其翼部特殊的構(gòu)造形態(tài)將會導(dǎo)致煤層賦存傾角的多變。褶曲軸兩翼部區(qū)域內(nèi)的煤體進(jìn)行開采時，褶曲翼部的傾角隨著靠近翼部區(qū)域而逐漸趨于水平，而遠(yuǎn)離翼部區(qū)域的位置傾角較大，這也導(dǎo)致了煤層開采后頂板覆巖破斷結(jié)構(gòu)和應(yīng)力集中與煤層傾角變化相關(guān)。因此，針對翼部區(qū)內(nèi)工作面開采誘發(fā)沖擊機(jī)理，需要更多地考慮煤層傾角的變化特性，進(jìn)而提出相應(yīng)的防治方法。

1 “11.14”沖擊地壓事故

山西晉能能源控股集團(tuán)所屬某礦目前開采的東翼三四采區(qū)為一向斜構(gòu)造區(qū)的翼部區(qū)域，整個采區(qū)內(nèi)煤層沿傾向的傾角起伏為28°～36°，平均傾角為32°.三四采區(qū)內(nèi)主采5#煤層，厚度為7.6～12.2 m，平均厚度為9.9 m，采用綜采放頂煤開采工藝，采高為3.5 m，放頂煤高度為6.4 m，采放比為1∶1.8.煤層上覆巖層從下向上依次為泥巖層(1.6 m)、粉砂巖層(5.2 m)、炭質(zhì)泥巖層(2.2 m)、細(xì)粒砂巖層(3.8 m)、粗砂巖層(6.7 m)和細(xì)砂巖層(8.9 m).

三四采區(qū)內(nèi)工作面沿傾向從上向下開采，目前所開采的第二個工作面為三四采區(qū)二段工作面，其上側(cè)一段工作面已經(jīng)開采完畢，為鄰近采空區(qū)。當(dāng)對二段工作面進(jìn)行回采綜放作業(yè)時，于2018年11月14日發(fā)生了一起嚴(yán)重的沖擊地壓事故，造成工作面內(nèi)多處液壓支架壓架、倒架，導(dǎo)致沿空側(cè)二段回風(fēng)巷超前段內(nèi)超前單體支柱折斷、圍巖變形嚴(yán)重等，并有若干作業(yè)人員受傷。事故發(fā)生后現(xiàn)場典型破壞情況見圖1.

圖1 現(xiàn)場典型破壞調(diào)研情況

事故發(fā)生后，結(jié)合該礦安裝的SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)[3]對“11.14”沖擊地壓事故發(fā)生時的微震能量事件進(jìn)行定位，定位結(jié)果見圖2.

圖2 微震能量事件定位結(jié)果圖

由圖2a)可知，“11.14”沖擊地壓發(fā)生時，在工作面中部前方位置處微震能量事件較為密集，說明工作面前方煤體受超前支承應(yīng)力影響塑性變形釋放能量，但微震能量事件的能量值整體較小，控制在104J以下。由圖2b)可知，“11.14”沖擊地壓發(fā)生時，在工作面上方基本頂內(nèi)存在一較高的微震能量事件，能量值為1.17×104J，且該能量事件位置靠近二段回風(fēng)巷側(cè)，進(jìn)而在一段工作面采空區(qū)所形成的側(cè)向支承應(yīng)力和超前支承應(yīng)力(靜載荷)以及采空區(qū)上覆巖層中基本頂破斷所形成的較高微震能量事件(動載荷)共同作用下，造成了“11.14”沖擊地壓事故的發(fā)生。

2 傾斜煤層開采誘沖機(jī)理分析

2.1 物理相似模擬分析

結(jié)合三四采區(qū)內(nèi)二段工作面的工程地質(zhì)背景，采用物理相似模擬按照1∶200的比例在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)鋪設(shè)物理相似模型，實(shí)現(xiàn)對于二段工作面回采期間覆巖運(yùn)移規(guī)律的相似模擬，見圖3.

圖3 二段工作面回采期間物理相似模擬結(jié)果圖

由圖3a)可知，二段工作面上覆巖層沿走向呈現(xiàn)對稱式梯形破斷，整體破斷角為α.其中破斷覆巖中低位巖層呈現(xiàn)出垮落破斷形式，而高位巖層則以離層變形為主。由圖3b)可知，二段工作面上覆巖層沿傾向同樣呈現(xiàn)梯形破斷形式，但是破斷后所形成的輪廓為非對稱式梯形。其中沿傾向上側(cè)破斷的高度較大，而下側(cè)破斷的高度較小，這是因?yàn)榈臀粠r層垮冒后，將會沿著傾向在重力作用下向下滾落，導(dǎo)致沿傾向上側(cè)采空區(qū)懸空區(qū)更大而造成的[4].這也意味著上側(cè)覆巖中高位堅(jiān)硬頂板更容易發(fā)生破斷形成強(qiáng)動載荷，進(jìn)而對沿空側(cè)的二段回風(fēng)平巷造成劇烈動載擾動影響。

2.2 數(shù)值模擬分析

同樣結(jié)合三四采區(qū)內(nèi)二段工作面的工程地質(zhì)背景，采用FLAC3D軟件按照1∶1的比例建立三維數(shù)值模型，并通過計(jì)算機(jī)的模擬運(yùn)算對二段工作面回采期間覆巖應(yīng)力臨界線演化規(guī)律進(jìn)行分析。其中覆巖應(yīng)力臨界線可以看作是隨著工作面的回采推進(jìn)，覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時判別系數(shù)η為0的等值線，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中，σ0表示工作面未回采時覆巖中的應(yīng)力值；σ1表示工作面回采推進(jìn)后覆巖中的應(yīng)力值。

根據(jù)數(shù)值模擬運(yùn)算結(jié)果，并結(jié)合式(1)，可以求出判別系數(shù)η等于0時的等值線圖，見圖4.

圖4 二段工作面回采期間覆巖應(yīng)力臨界線演化規(guī)律圖

由圖4a)可知，隨著二段工作面沿著走向的推進(jìn)，其上覆巖層中的應(yīng)力臨界線逐漸向高位巖層擴(kuò)展，但整體上保持著對稱性的梯形狀態(tài)，這與物理相似模擬結(jié)果一致。由圖4b)可知，隨著二段工作面沿著走向的推進(jìn)，其上覆巖層中的應(yīng)力臨界線同樣逐漸向高位巖層擴(kuò)展，但是整體上呈現(xiàn)出非對稱性的梯形狀態(tài)，這也與物理相似模擬結(jié)果一致。同時從圖4中可以看出，伴隨著二段工作面的回采推進(jìn)，高位巖層破斷更容易出現(xiàn)在靠近二段回風(fēng)巷側(cè)，這意味著二段回風(fēng)巷更容易受到高位巖層破斷所形成的劇烈動載擾動影響。

2.3 動靜載疊加誘沖分析

結(jié)合物理相似模擬和數(shù)值模擬分析結(jié)果，建立二段工作面回采期間的動靜載疊加誘沖機(jī)理模型，見圖5.

圖5 動靜載疊加誘沖機(jī)理模型圖

由圖5可知，隨著二段工作面的回采推進(jìn)，其上覆巖層內(nèi)的低位較堅(jiān)硬頂板將會先發(fā)生破斷，進(jìn)而形成擾動較小的近場應(yīng)力擾動σdn，其對工作面的回采擾動影響較小，可視作常規(guī)的小能量微震事件。隨著工作面的進(jìn)一步回采推進(jìn)，采空區(qū)上方高位堅(jiān)硬頂板也將會隨之發(fā)生破斷，進(jìn)而形成強(qiáng)烈的遠(yuǎn)場應(yīng)力擾動σdf，而沿空側(cè)巷道圍巖受鄰近采空區(qū)的側(cè)向支承應(yīng)力與本工作面的超前支承應(yīng)力疊加影響，將會在巷道兩側(cè)煤巖體中形成高應(yīng)力集中σj1和σj2，可見遠(yuǎn)場動載荷以彈性應(yīng)力波的形式向沿空巷道圍巖中受高集中應(yīng)力影響的區(qū)域傳播時，將會與巷道圍巖中的高集中靜載荷疊加，進(jìn)而在動靜載荷的疊加效應(yīng)下誘發(fā)沖擊地壓事故。關(guān)于動靜載疊加誘發(fā)沖擊機(jī)理[5-6]的計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

式中,σdf為工作面上覆高位巖層破斷所形成的遠(yuǎn)場擾動載荷；σj1為沿空巷道實(shí)體煤側(cè)所積聚的高集中靜載荷；σj2為沿空巷道煤柱側(cè)所積聚的高集中靜載荷；σmin為巷道周圍煤巖體失穩(wěn)破壞所需要的最小臨界載荷；E為煤巖體的平均彈性模量。

根據(jù)式(2)或(3)可知，動靜載疊加作用下，當(dāng)沿空巷道周圍煤巖體內(nèi)積聚的能量超過煤巖體失穩(wěn)破壞所需要的臨界最小能量時，煤巖體將會在一瞬間失穩(wěn)而發(fā)生沖擊地壓事故。

3 傾角對沿空巷道圍巖應(yīng)力演變影響分析

基于上述采用FLAC3D軟件按照1∶1的比例建立的三維數(shù)值模型，選用煤層傾角為0°、15°、30°和45°四種情況分別進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示不同煤層傾角情況下沿空巷道圍巖應(yīng)力的演變規(guī)律情況，數(shù)值模擬結(jié)果見圖6，圖7.

圖6 不同煤層傾角條件煤柱側(cè)垂直應(yīng)力演變規(guī)律圖

圖7 不同煤層傾角條件實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力演變規(guī)律圖

由圖6可知，煤柱側(cè)垂直應(yīng)力集中程度隨著煤層傾角由45°向著0°減小而減小，峰值應(yīng)力由86.18 MPa減小至57.53 MPa，降幅高達(dá)33.2%，這意味著在較小的煤層傾角條件下，沿空側(cè)護(hù)巷煤柱承載的支承應(yīng)力將會大幅減小，進(jìn)而降低其誘發(fā)沖擊地壓的可能性。

由圖7可知，實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力集中程度隨著煤層傾角由45°向著0°減小而增大，峰值應(yīng)力由43.67 MPa增大至136.59 MPa，增幅高達(dá)212.8%，這意味著在較小的煤層傾角條件下，沿空巷道實(shí)體煤側(cè)煤體承載的支承應(yīng)力將會大幅增加，進(jìn)而增加其誘發(fā)沖擊地壓的可能性。

結(jié)合圖6和圖7所示垂直應(yīng)力隨煤層傾角變化的演化結(jié)果可知，隨著煤層傾角由45°向著0°減小變化，沿空巷道煤柱側(cè)誘發(fā)沖擊地壓的可能性逐步降低，而實(shí)體煤側(cè)誘發(fā)沖擊地壓的可能性逐步增加，因此針對不同煤層傾角條件下的沿空巷道要有相應(yīng)的防沖措施。

4 結(jié) 論

1)傾斜煤層開采條件下，上覆巖層沿傾向破斷后所形成的輪廓為非對稱式梯形，其中沿傾向上側(cè)破斷的高度較大，而下側(cè)破斷的高度較小。伴隨著二段工作面的回采推進(jìn)，高位巖層破斷更容易出現(xiàn)在靠近二段回風(fēng)巷側(cè)。

2)動靜載疊加作用下，當(dāng)沿空巷道周圍煤巖體內(nèi)積聚的能量超過煤巖體失穩(wěn)破壞所需要的臨界最小能量時，煤巖體將會在一瞬間失穩(wěn)而發(fā)生沖擊地壓事故。

3)隨著煤層傾角由大向小變化，沿空巷道煤柱側(cè)誘發(fā)沖擊地壓的可能性逐步降低，而實(shí)體煤側(cè)誘發(fā)沖擊地壓的可能性逐步增加，因此針對不同煤層傾角條件下的沿空巷道要有針對性的防沖措施。