煤礦工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)演化特征及震區(qū)預(yù)測

煤礦工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)演化特征及震區(qū)預(yù)測

1礦壓結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型近年來，以全采、大采、高采、無碳跟蹤技術(shù)為代表的一系列先進采礦機械在中國得到了廣泛應(yīng)用和很大發(fā)展，長壁工作面的開采規(guī)模和推廣速度顯著增加。隨著無煤柱(小煤柱)成功應(yīng)用到綜放工作面,縱向與橫向?qū)用嫔细矌r運動范圍遠大于綜采工作面,由此引發(fā)的采動應(yīng)力場、覆巖空間結(jié)構(gòu)演化規(guī)律更加復(fù)雜。大規(guī)模、高強度的開采擾動不僅導(dǎo)致垮落帶覆巖劇烈運動,并且周圍采空區(qū)中已經(jīng)存在的空間平衡結(jié)構(gòu)也將進一步失穩(wěn),而未斷裂的巖層會與工作面協(xié)同破斷運動,從而誘發(fā)沖擊礦壓等煤巖動力災(zāi)害,對于此類沖擊礦壓,本文稱之為空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型。煤巖震動沖擊災(zāi)害在我國呈爆發(fā)式增長態(tài)勢,目前已超過120余處礦井有發(fā)生礦震與沖擊報道,累計破壞巷道30多千米,造成大量人員傷亡與財產(chǎn)損失。在山東兗州礦區(qū)、新汶礦區(qū)、淮北海仔煤礦、河南義馬礦區(qū)等均存在巨厚主關(guān)鍵層,隨著開采尺度的增大,主關(guān)鍵層斷裂失穩(wěn)誘發(fā)礦震不僅影響井下采掘工作面安全,更對地面社區(qū)造成影響,由于震源距地表距離近,烈度堪比5級以上地震,已經(jīng)逐步演化為礦區(qū)社會公共安全問題,這些問題的解決需建立在對覆巖空間結(jié)構(gòu)形成與失穩(wěn)以及煤巖動力破壞機制的研究上。錢鳴高等建立的“砌體梁”與“關(guān)鍵層”理論,為研究煤礦采動覆巖結(jié)構(gòu)的形成與失穩(wěn)提供了理論依據(jù)。但是以往的研究范圍多局限于單一工作面距離采場較近的老頂巖層以及煤層前方幾十米內(nèi)支承壓力區(qū)域內(nèi),而與沖擊礦壓等動力災(zāi)害相關(guān)的巖層范圍已經(jīng)到達主關(guān)鍵層,在層面方向上也遠遠超過本工作面采動范圍。姜福興等提出了覆巖空間結(jié)構(gòu)的概念,并根據(jù)采場的邊界條件,分為θ,O,S和C型4類結(jié)構(gòu),拓展了傳統(tǒng)礦壓研究范圍的限制,具有重要的指導(dǎo)意義,但是并沒有給出結(jié)構(gòu)形成與失穩(wěn)條件,和煤巖動力災(zāi)害關(guān)系聯(lián)系不緊密。本文基于關(guān)鍵層理論,并根據(jù)現(xiàn)場微震監(jiān)測,提出覆巖空間結(jié)構(gòu)的OX-F-T演化模型,以期為空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊礦壓機制研究與預(yù)防提供理論基礎(chǔ)。2工作面之間煤柱之間的隔離對于多工作面回采,兩相鄰采空區(qū)覆巖能否形成相互作用的空間結(jié)構(gòu),主要取決于兩者之間的煤柱寬度。大煤柱能夠有效地隔離采空區(qū)覆巖裂隙的聯(lián)系,一般情況下,工作面之間20m以上的煤柱即可將兩工作面間覆巖運動隔離開來。因此,當(dāng)工作面煤柱小于一定值時,工作面之間覆巖將會形成協(xié)同運動,形成相互作用的空間結(jié)構(gòu)。2.1老頂斷裂煤壁巖梁的模型由礦壓理論可知,老頂巖層的斷裂發(fā)生在煤壁中,如果煤柱寬度過小,兩相鄰采空區(qū)頂板覆巖斷裂線將會重合在一起,覆巖直接聯(lián)系。利用彈性基礎(chǔ)梁模型,可以解出老頂斷裂線距離煤壁的位置:其中,式中:k為Winkler地基系數(shù),與上下夾支的軟巖層的厚度及力學(xué)性質(zhì)有關(guān);EI為老頂巖梁的抗彎剛度;M0,0Q,N分別為工作面煤壁位置(x=0)所對應(yīng)的截面彎矩、剪力和軸力。老頂斷裂線位置主要受下層墊層,即直接頂煤壁的性質(zhì)以及自身力學(xué)性質(zhì)影響,根據(jù)現(xiàn)場測試一般為2~10m,因此考慮老頂斷裂線因素,煤柱最小寬度判據(jù)為:Lmin≥2Ld。2.2煤柱穩(wěn)定性分析當(dāng)煤柱的寬度可以阻止覆巖斷裂線重合時,由于采空區(qū)側(cè)向支承壓力的作用,煤柱上方將會形成應(yīng)力集中,在高支承壓力作用下,煤柱會發(fā)生變形破壞,甚至發(fā)生煤柱型沖擊礦壓。煤柱破壞后,將失去支撐作用,引起上方覆巖結(jié)構(gòu)的連鎖運動,斷裂后的平衡結(jié)構(gòu)可能失穩(wěn)運動,沒有發(fā)生斷裂的覆巖由于下方離層區(qū)域的擴大,將會經(jīng)歷初步斷裂與周期斷裂,從而引發(fā)新的礦壓顯現(xiàn)。目前常用的煤柱穩(wěn)定性設(shè)計方法有極限平衡理論以及經(jīng)驗公式法。在高應(yīng)力區(qū)域,不但要考慮煤柱的塑性破壞,還要滿足核區(qū)率穩(wěn)定要求。因此,可得式中:R為煤柱屈服區(qū)寬度,ρ為煤柱彈性區(qū)寬度。根據(jù)極限平衡理論可得近水平煤層屈服區(qū)寬度R為式中:m為煤柱高度;A為側(cè)壓系數(shù);φ0,c0分別為煤體與頂?shù)装鍘r層交界面的內(nèi)摩擦角與黏聚力;λ為應(yīng)力集中系數(shù);γ為巖層的平均容重;H為煤柱埋深;Px為支架對巷幫的支護阻力。根據(jù)穩(wěn)定性理論,核區(qū)率寬度應(yīng)滿足:3巖石覆蓋結(jié)構(gòu)的分類3.1“砌體梁”結(jié)構(gòu)與礦壓監(jiān)測單一工作面OX結(jié)構(gòu)四周邊界為實體煤或足以隔斷采空區(qū)聯(lián)系的大煤柱。單一工作面開采后覆巖OX結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是錢鳴高等提出的頂板O-X破斷后形成的覆巖結(jié)構(gòu)形態(tài),平面上呈現(xiàn)OX狀,走向與傾向剖面斷裂后巖體呈“砌體梁”結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)。如圖1所示,OX結(jié)構(gòu)形態(tài)與范圍由本工作面長度、煤層厚度、關(guān)鍵層層位與物理力學(xué)性質(zhì)決定。根據(jù)關(guān)鍵層的破斷與否,OX型空間結(jié)構(gòu)可分為2種結(jié)構(gòu):(1)主關(guān)鍵層破斷后,全空間OX結(jié)構(gòu);(2)主(亞)關(guān)鍵層尚未破斷時,半空間OX結(jié)構(gòu)。OX型空間結(jié)構(gòu)因為四周為實體煤,開采過程中礦壓顯現(xiàn)主要受覆巖各關(guān)鍵層“砌體梁”結(jié)構(gòu)形成與失穩(wěn)過程造成的應(yīng)力場變化與沖擊動載的影響。存在多層亞關(guān)鍵層時,在滿足一定條件下會出現(xiàn)關(guān)鍵層的復(fù)合破斷,工作面的礦壓顯現(xiàn)更為強烈。覆巖O-X破斷形成的OX型結(jié)構(gòu)是覆巖空間結(jié)構(gòu)演化的基本形式,同時也是其他空間結(jié)構(gòu)形式的邊界條件與演化過程的重要組成部分。3.2覆巖結(jié)構(gòu)類型及分類一側(cè)相鄰采空區(qū),并且兩工作面煤柱寬度小于隔離采空區(qū)所需最小寬度,而另一側(cè)為實體煤或者大煤柱的工作面,如圖2所示,由于其覆巖邊界條件一側(cè)為實體,一側(cè)為相鄰工作面OX型結(jié)構(gòu)的弧三角板,似字母F,因此,命名為F型覆巖空間結(jié)構(gòu)。F結(jié)構(gòu)的主要特點是小煤柱側(cè)采空區(qū)覆巖會對工作面開采造成顯著影響,即下一工作面覆巖會與采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)的一部分協(xié)同運動,而本工作面上部覆巖隨開采的進行也將經(jīng)歷OX結(jié)構(gòu)演化特征,即F結(jié)構(gòu)包括了F臂在采動影響下的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)運動以及OX結(jié)構(gòu)演化。同樣,根據(jù)關(guān)鍵層的性質(zhì)與破斷特征,F結(jié)構(gòu)可以分為兩大類:長臂與短臂F結(jié)構(gòu),當(dāng)存在多層亞關(guān)鍵層時,每類下又分別可細分為單層與多層F結(jié)構(gòu)。處于F覆巖結(jié)構(gòu)下的工作面,開采時礦壓顯現(xiàn)、覆巖運動與應(yīng)力場演化比OX結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體現(xiàn)在采空區(qū)震動頻繁,造成采空區(qū)一側(cè)沿空巷劇烈變形破壞。3.3地面采空側(cè)t型覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓現(xiàn)存規(guī)律孤島工作面是指相鄰兩側(cè)以及以上為采空區(qū),并且煤柱寬度小于隔離采空區(qū)所需最小寬度。孤島工作面應(yīng)力集中程度高、覆巖運動劇烈,礦壓顯現(xiàn)強于非孤島工作面,極易出現(xiàn)沖擊礦壓動力災(zāi)害。由于孤島工作面四周覆巖均已發(fā)生斷裂,工作面開采后四周覆巖與工作面頂板巖層將協(xié)同運動、相互影響,導(dǎo)致孤島工作面支承壓力場峰值高、擾動遠、變化快。孤島工作面兩側(cè)覆巖邊界條件均呈F型結(jié)構(gòu),整體似字母T,稱之為T型覆巖空間結(jié)構(gòu)。T結(jié)構(gòu)可以分為三大類:兩側(cè)關(guān)鍵層均為斷裂的對稱短臂T結(jié)構(gòu);兩側(cè)主關(guān)鍵層斷裂的對稱長臂T結(jié)構(gòu);一側(cè)關(guān)鍵層未斷裂,一側(cè)主關(guān)鍵層斷裂的非對稱T結(jié)構(gòu)。當(dāng)存在多層亞關(guān)鍵層時,每類又分別可細分為單層與多層T結(jié)構(gòu),如圖3所示。不同的結(jié)構(gòu)對應(yīng)著不同的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。對稱短臂T結(jié)構(gòu)整個工作面范圍礦壓顯現(xiàn)與短臂F結(jié)構(gòu)采空側(cè)的礦壓顯現(xiàn)類似。對稱長臂T結(jié)構(gòu)由于兩側(cè)關(guān)鍵層尚未斷裂,工作面兩側(cè)支承壓力要高于對稱短臂T結(jié)構(gòu),兩巷維護難度加大,煤體震動增多,并且當(dāng)工作面推進一段距離后,由于關(guān)鍵層跨度的增大,會出現(xiàn)關(guān)鍵層斷裂來壓現(xiàn)象,從而引起高能量級別礦震。雖然破裂源主要集中在兩側(cè)采空區(qū)與本工作面中部,但是高能量震動波傳播至工作面后,仍極有可能造成工作面沖擊礦壓事故。對于第三類非對稱T結(jié)構(gòu),開采前其支承壓力場分布短臂一側(cè)與對稱短臂T結(jié)構(gòu)類似,而長臂一側(cè)則與對稱長臂T結(jié)構(gòu)類似,工作面推進初期,礦壓顯現(xiàn)規(guī)律也與前兩類結(jié)構(gòu)類似。但是,尚未斷裂的關(guān)鍵層開始斷裂運動時,則礦壓顯現(xiàn)要比前兩類劇烈很多,主要原因在于:此時關(guān)鍵層的一側(cè)斷裂線位于工作面巷道上方,中間的斷裂線也靠近另一條巷道上方,因此,關(guān)鍵層斷裂誘發(fā)的高能級震動對巷道的破壞作用要高得多。4調(diào)查了巖漿巖結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場微地震4.1工作面微震定位兗州煤業(yè)趙樓煤礦目前正在回采的1304工作面為一采區(qū)第二個工作面,四周均為實體煤,埋深平均為1000m,傾角平均4°,煤層厚度為1.5~8.1m,平均4.81m。選取正常運行階段,即工作面推進至280m以后的震動數(shù)據(jù),微震定位分布如圖4所示。單一工作面OX覆巖空間結(jié)構(gòu),震動主要集中在工作面兩巷以內(nèi),工作面前方支承壓力范圍內(nèi)。運輸順槽外側(cè)震動集中在距離巷道10m以內(nèi),而回風(fēng)順槽外側(cè)則主要集中在距巷道20m以內(nèi)。由圖4(b)可以看出,震源包絡(luò)線角度較小,運輸順槽側(cè)為30°,回風(fēng)順槽為40°。頂板上方20m以內(nèi)震源分布密集,20m以上震源呈“馬鞍狀”分布,50m以上逐漸呈拱形分布,最大破裂高度為150m,說明1304工作面屬于半空間OX結(jié)構(gòu),上覆仍有未斷裂關(guān)鍵層。4.2覆巖地震波場特征甘肅華亭煤礦目前正在開采250103工作面,是2501采區(qū)的第三個工作面,面長200m,傾角5°左右,西側(cè)與已采的250101綜放工作面相鄰,之間留有5m小煤柱,東部為實體煤。開采深度700m左右。250102工作面(與25101工作面相鄰,留有20m煤柱)回采期間礦震頻繁,震源定位顯示,震動主要集中在250102工作面與20m煤柱中,250101采空區(qū)中礦震則很少,說明20m煤柱有效的隔開了250101與250102工作面采空區(qū)之間的聯(lián)系。但是250103工作面開采后,250101采空區(qū)中震動相當(dāng)頻繁,并且誘發(fā)了多起沖擊事故,給巷道維護與正常生產(chǎn)帶來了巨大困難。如圖5(a)所示為250103工作面采空區(qū)側(cè)頂板巖層中震源分布平面圖。震動分布位置均靠近小煤柱側(cè),250103工作面回風(fēng)順槽側(cè)斷裂線距煤壁平均為20m,而250101采空區(qū)中斷裂線距煤壁則約為30m。采空區(qū)中震動則為受開采擾動后,垮落不充分巖層的再次失穩(wěn)所致。初采期間,采空區(qū)中高能量震動很少,表明采空區(qū)中巖層結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)過程滯后于開采工作面巖層斷裂垮落。隨著工作面的推進,250101采空區(qū)中震動頻次與能量顯著上升,在距離250103工作面切眼120~150m范圍內(nèi),震動密集,并向采空區(qū)中部延伸,根據(jù)2501采區(qū)礦壓觀測結(jié)果,工作面推進至150m時,進入初次來壓階段,礦壓顯現(xiàn)劇烈,與圖5中的震動密集區(qū)域相吻合,表明受采動影響下,原本斷裂形成的平衡結(jié)構(gòu)在此處失穩(wěn),誘發(fā)震動。由圖5可以看出,250103工作面開采后,由于覆巖與250101采空區(qū)相互貫通影響,最大破裂高度到了工作面上方350m,裂隙帶高度大大增加,并且在0~100與200~300m兩帶內(nèi)集中,說明在此范圍內(nèi)存在2個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。整個斷裂震源包絡(luò)線向250101采空區(qū)傾斜,采空區(qū)中震動包絡(luò)線角度明顯大于實體煤一側(cè)。由圖5(b)可以看出,華亭250103工作面屬于短臂F空間結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的臂長約為100m。4.3關(guān)鍵層斷裂運動鮑店煤礦103上02工作面是十采區(qū)3上層煤第二個區(qū)段,南北側(cè)分別與103上03,10301工作面相鄰。最大采深約500m,采區(qū)上覆巖層存在若干較厚的堅硬巖層,最上層為200m厚左右的細粉砂巖,為十采區(qū)主關(guān)鍵層,十采區(qū)內(nèi)大震動的發(fā)生與此關(guān)鍵層的斷裂運動密切相關(guān)。103上02工作面回采前,103上01,103上03,103上04,103上05工作面已經(jīng)回采完畢。分析可知,103上02左面南側(cè)的3個采空區(qū)由于開挖面積大,上覆關(guān)鍵層已經(jīng)處于斷裂狀態(tài),而北部只有10301一個工作面,主關(guān)鍵層依然保持穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。因此,103上02工作面處于非對稱T空間結(jié)構(gòu),工作面北側(cè)主要受F結(jié)構(gòu)重復(fù)采動失穩(wěn)影響,南側(cè)則受主關(guān)鍵層斷裂運動影響明顯。圖6為103上02工作面開采期間大震動分布圖,由圖可知,強礦震幾乎都發(fā)生在10301和103上02工作面上覆的厚層高位“主關(guān)鍵層”中,而在相鄰大范圍回采的103上03,103上04和103上05工作面沒有強礦震發(fā)生,并且當(dāng)103上02工作面推進距達到100~150m時,大震動發(fā)生密度增加,這與主關(guān)鍵層的來壓步距是相符的。5礦壓現(xiàn)存的烈度與防治難度由以上分析可知,工作面覆巖處于不同空間結(jié)構(gòu)狀態(tài)時,覆巖的斷裂運動方式與強度是不同的,而由此誘發(fā)的礦壓顯現(xiàn)也是不同的。覆巖的斷裂與失穩(wěn)復(fù)雜程度是按照OX→F→T逐漸增加的,決定了礦壓顯現(xiàn)烈度與防治難度也是如此遞增的。因此,必須根據(jù)不同覆巖結(jié)構(gòu),選取具有針對性的監(jiān)測與治理方法,才能做到有的放矢,提高防治效率。5.1超前段加大壓力范圍內(nèi)因素分析由分析可知,OX覆巖結(jié)構(gòu)受本工作面頂板斷裂的影響,工作面礦壓顯現(xiàn)主要集中在超前支承壓力范圍內(nèi),主要影響因素為老頂來壓與煤體性質(zhì)。因此,OX覆巖結(jié)構(gòu)工作面的防沖方法主要針對煤體與頂板進行弱化處理,包括煤體注水、鉆孔卸壓、深孔爆破與頂板強制放頂與深孔爆破技術(shù),處理范圍為工作面兩巷前方支承壓力影響區(qū)。5.2采空區(qū)f結(jié)構(gòu)失穩(wěn)擾動防控技術(shù)F覆巖結(jié)構(gòu)工作面受相鄰采空區(qū)影響較大,表現(xiàn)為采動開始后,F臂結(jié)構(gòu)重新失穩(wěn),誘發(fā)震動,對沿空側(cè)巷道造成破壞。由于沿空巷道煤柱已經(jīng)處于塑性或破碎狀態(tài),對煤體進行卸壓,不能有效地控制巷道破壞。必須針對F臂的特點進行防治,提出3種方法:(1)主動切斷F臂,可以采取定向水力致裂與頂板斷頂爆破技術(shù);(2)加強抗沖能力的被動法,主要采取加強巷道支護,錨網(wǎng)索+O型棚聯(lián)合支護,超前支承壓力區(qū)采用液壓支架與密封門式支架;(3)避讓法,對于厚煤層,可將沿空巷道布置“空下巷道”,即兩工作面相鄰巷道采取錯層位布置方式,將下一工作面臨空巷道布置在采空區(qū)下方,這樣就有效避免F結(jié)構(gòu)失穩(wěn)震動的影響,同時采空區(qū)下巷道的維護狀態(tài)大大改善。上述3種方法中,在有條件的情況下,當(dāng)優(yōu)先選用避讓法。巷道布置已經(jīng)形成,則優(yōu)先選用切斷F臂方法,如果震