李雅庄矿深部煤岩动力现象动力源辨识及危害程度划分

解俊祥

河南理工大学，河南省焦作市 454003

李雅庄矿深部煤岩动力现象动力源辨识及危害程度划分

解俊祥

河南理工大学，河南省焦作市 454003

矿井高应力区煤体、岩体及断层在受外界扰动瞬间失稳时，释放出很大能量而引起的以猛烈震动和爆发式破坏为特征的矿山动力现象，是矿井的一大自然灾害。通过大量观测，煤岩体局部破坏期间，破坏过程具有雪崩一样的性质，呈脆性破坏，其形成都发生在高应力区。通过对矿井深部煤岩动力现象动力源的辨识，划分其复合型灾害的危险程度，在分析煤与瓦斯物质条件、环境应力与初始动力条件和扰动条件的基础上，对矿井的煤岩动力评估，以采取针对性的安全技术措施，确保安全生产，值得大力推广应用借鉴。

煤岩；动力源；辨识；危害度；划分

引言

煤与瓦斯突出危险性煤层，一般需要高瓦斯含量、高瓦斯压力，低煤坚固性系数、高煤破坏类型等因素的有机组合。实测2#煤层瓦斯压力、瓦斯含量、煤质、瓦斯放散初速度等单项指标均在突出界限以下。2#煤层最大采深超过600m，在2#煤层深部，2-228工作面属于孤岛工作面，局部应力高，煤层硬。冲击地压危险性煤层，一般是高强度硬质煤，需要冲击能指数、弹性能指数、动态破坏时间几项指标的有机组合。

1.工作面概况

矿井2#煤层228工作面质煤相对较硬，经测定矿井2#煤层228工作面煤层具有中等冲击倾向性，228工作面顶底板岩层无冲击倾向性，但在深度高应力条件下，煤体和围岩能量积聚到一定程度，仍会存在冲击危险。在应力集中区、断层附近、褶皱轴部和其他地质构造附近，一定程度上具备了发生煤岩动力灾害的煤层物质条件。通过对其动力源辨识及危害度划分，掌握机理，做到超前防范，是指导矿井安全生产的重要方法。

2.煤岩动力现象形成的基本条件

2.1 动力条件

煤层的煤与瓦斯突出危险性和冲击倾向性只是发生灾害的一个必要条件，还需要环境应力强度和触发动力条件。

具有冲击倾向性的煤层需要达到一定的应力强度才能发生冲击地压，无或弱冲击倾向性的煤层，当应力强度达到一定水平后也会发生冲击地压。但具有煤与瓦斯突出危险煤层的突出危险性并不是处处相同，在高应力区发生煤与瓦斯突出的危险性较高。因此，这两种灾害的发生尚需达到一定的环境应力强度水平，才能储备充足的能量。

2.2 开采扰动条件

地下煤层不开采，上述两个条件无论如何充分，也不会发生煤与瓦斯突出和冲击地压。由于开采，一方面扰动形成附加应力和触发动力；另一方面地下开采形成自由空间，给赋存于含瓦斯煤及共生岩体中的瓦斯提供了解吸溢出的空间；开采扰动及其应力重分布产生的附加应力，在与开挖同轴方向卸荷产生拉张应力，在与开挖异轴方向造成加荷产生压应力，其开挖加-卸载的结果使煤壁产生竖向张裂隙，造成顶、底板离层，导致煤及共生岩体产生微破裂，创造了瓦斯解吸涌出的通道和构造条件；而活动地质构造是外部动力传递的通道。因此，煤与瓦斯突出和冲击地压相互作用，还需要开采扰动与岩体的结构构造条件。

3.矿井开采扰动及瓦斯作用数值模拟实验

综采工作面上覆岩层活动过程的复杂性和不可见性给采场覆岩运动和断裂以及压力分布的研究带来了困难，为了较全面的了解2#煤层228工作面的压力分布及瓦斯作用，采用FLAC3D数值模拟软件对228工作面建立模型，进行数值模拟。

3.1 FLAC3D模拟软件介绍

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）三维快速拉格朗日元法由美国Itasca公司开发的是三维的有限差分程序，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发变形和移动（大变形模式）。FLAC3D采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。

3.2 矿井228工作面数值模型建立

数值模拟是深入认识、揭示顶板活动规律的主要研究方法之一与理论研究和现场实测相结合可以较全面的认识和掌握覆岩的变形移动和垮落规律。本数值模拟是结合现场实测数据和理论分析的基础上，对228工作面覆岩压力和瓦斯作用进行的模拟。

2-2 2 8 工作面位于二采区下部前进方向的左翼，属于二采区左翼工作面,工作面前进方向右翼为2-224采空区，左翼为2-220采空区。北与六采区相邻。地面标高+775m～+906m，井下标高+200m～+270m，埋藏深度+590m～+650m。工作面走向长度为630m，倾向长130m；本工作面2号煤层厚度为2.82m～3.45m，平均总厚度为3.16m，煤层倾角4°～10°，平均煤层倾角6°，煤层硬度f=1.5。瓦斯压力0.57MPa～0.61MPa。

本次模拟的范围为沿228走向600m，倾向到从220采空区至224采空区，开挖形成工作面推进，模拟结果如图1所示。

图1 模拟煤层应力三维图

图2 X横截面上应力图

图3 y横截面上应力图

通过图2三维图可以看出在228工作面两侧的采空区已经卸压，而228工作面及煤柱应力集中，尤其是工作面两侧煤柱及工作面上下端头附近通过图2看到其应力集中接近24MPa，工作面内部应力也就是垂直原岩应力14MPa；工作面前方的支承压力区应力达到20MPa以上。由此可以看出工作面开采引起的集中应力将近达到原始垂直应力的两倍，在煤柱上集中应力更大，228工作面作为一个孤岛工作面受到的集中应力较大，在煤柱或者断层附近集中应力更大的地方其发生动力灾害的门限值降低，易发生动力灾害。

4.矿井动力现象危险源预测

李雅庄煤矿从建矿至今，在以往的采、掘生产及井筒、石门揭煤过程中，在未采取任何防突措施的情况下，从未发生过瓦斯动力现象;煤矿位于霍州市境内，该矿邻近矿井都为低瓦斯矿井。同时，矿井2#煤层228为孤岛工作面，工作面质煤相对较硬，经测定矿井2#煤层228工作面煤层具有中等冲击倾向性，228工作面顶底板岩层无冲击倾向性，但在深度高应力条件下，煤体和围岩能量积聚到一定程度，仍会存在冲击危险。在应力集中区、断层附近、褶皱轴部和其他地质构造附近一定程度上具备了发生动力灾害的煤层物质条件。

4.1 动力现象在226工作面推进时分布特征

随着工作面的推进工作面的前方存在卸压区、支承压力区，和原岩应力区，由于微震高发区是在高应力差区域或者是煤岩的极限应力区，所以随着工作面向前推进微震震源分布也应该表现出来一些特征。通过5天震源分布图我们可以看到在工作面推进的这5天的过程中在工作面切巷前后都有震动，而且震动在一个区域比较集中。对5月份6月份每五天的震源集中分布区进行了统计。

表1 226工作面5天震源分布分布集中区统计

通过5月份的统计震动主要集中在工作面前方100m的范围内，其中距离工作面切巷50m左右的区域震动更集中；这说明226工作面前方50m范围内为塑性区和弹塑性区，这个区域对应着卸压区和支承压力区，应力差最大岩石容易破裂。通过现场观测226工作面距离切巷50m内的范围压力较大巷道变形速度较快，在工作面两端头50m范围内应加端头支护。

4.2 动力现象在226工作面推进时Z轴方向的分布

为了知道震动震源距离煤层的距离，就要知道震动在垂直方向的分布。对二采区监测到的震源取226工作面切巷前后一定距离形成一个如图4中蓝色方框所示范围为划取226震源分布的范围。

在这个范围内的震源向沿226推进方向（转换后的y坐标轴如图4和垂直226推进方向（转换后的x如图4）投影。

图4 转换后的Oxy直角坐标系

转换后的坐标系的原点O在原坐标系下的坐标为X=37569800 Y=4057426，

坐标转换方法为：设Oxy，O'x'y'是两个坐标系，O'在Oxy中的坐标为(x0,y0),由x轴到x'轴的角度为t,用原坐标系下的坐标来表示新坐标的坐标转换公式如下：

x'=(x－x0)cost+(y－y0)sint

y'=(y－y0)cost－(x－x0)sint

在转换过后的震源坐标数据中查询震源的（x，y，z）坐标，然后向过x轴或者y轴的竖直平面内投影作图，这样就可以看到震源在竖直平面内的分布，可以清晰的看到在震源在上覆岩层的分布。

图5 4、5、6三个月震源在转换过的x轴竖直面上的投影图

图5为4、5、6三个月震源在转换过的x轴（如图5所示）竖直面上的投影图，在竖直方向取煤标高150m至标高450m这一竖直范围，在平面上取如图5所示范围；图中泡泡表示震源位置分布，紫色表示煤层上下±10m范围，黄色泡泡表示在围岩中的震动。在这一范围也是受到采动影响大，震源分布集中的区域。图5中黄色线表示226工作面，长度为工作面斜长。从图中可以看出，工作面震动主要发生在工作面上覆岩层中，在竖直方向上震源密集区有两个如图中椭圆包括的范围，下边椭圆包围的震动震源多为工作面直接定和老顶断裂震动所致，该处震动时间上一般紧随工作面的推进，上方椭圆包括的震源集中区为覆岩上部的厚砂岩层，此处的震动较工作面推进时间滞后。

5.矿井动力类型及危险分析

根据现场测定的2#煤层瓦斯基本参数，煤层的实验室测定参数以及2#煤层采掘过程中的瓦斯涌出情况、打钻过程中的动力现象等资料进行综合分析，对矿井2#煤层的动力危险性作出评价。

5.1 冲击指标分析

表2 煤样冲击倾向性指标平均测定结果

表3 煤层冲击倾向性分类、名称及指标

根据综合指数预测冲击地压危险区域对2#煤层进行了分析预测，对2#煤的冲击倾向性层划分为四个等级，如表1所示。综合指数法预测228工作面冲击危险指数为0.15～0.49，六采区冲击危险指数为0.08～0.46。2#煤层部分区域具有弱冲击危险性。这些区域主要集中在高应力区和地质构造分布区。

6.矿井危险区域划分

前述综合指标法确定了划分冲击危险区域的方法，对于具体的煤层，根据开采技术条件和地质条件找出具有代表性的特征点i，如煤柱边缘、断层两侧、采空区周围等，根据Wri计算公式计算这些特征点的冲击危险指数Wri，然后提取各特征点的X、Y坐标，用科学绘图软件SURFER4.0绘制等值线图，然后再依据表2的分析指标，划分出开采煤层的冲击危险状态区域。

2-228 工作面回采过程中没有出现冲击地压现象，但工作面二采区在深部，最大埋深超过600m。近距离内顶板中有厚层砂岩层，煤层的平均抗压强度为13.23MPa，具有中等冲击倾向，直接顶、老顶为均为无冲击倾向。根据这些条件，确定2-228工作面煤层特征点150个，结合开采条件和瓦斯条件对特征点赋值，然后绘制冲击危险指标等值线，进行冲击危险区域划分，划分结果如下图6。可见，2-228工作面大部分区域无冲击危险性，在断层附近及高位钻场集中应力高的地方有弱冲击危险性。

图6 2-228危险等级区域划分图

7.结语

结合李雅庄煤矿的具体情况阐述了煤岩动力现象形成的基本条件为物质条件、动力条件和开采扰动条件，通过FLCA3D数值方法模拟了2-228上覆岩层压力，和推进过程中支承应力的大小，计算出了垂直应力为14MPa～15MPa，得出了工作面支承压力和煤柱集中应力为垂直应力的2～3倍，直观地看出了工作面集中应力分布和大小。根据微震监测结果可以看出，在工作面煤柱附近有较多震动，说明224和226之间的煤柱的不稳定性，在2#煤层深部垂直原岩应力本身大的情况下煤柱的应力集中能够接近或者达到垂直应力的2倍，留设20m～30m宽的煤柱存在一定危险性，建议尝试沿空掘巷无煤柱工作面开采；动态的圈定了工作面附近震动频发范围，和工作面平巷端头加强支护的距离；推测在228工作面中部可能存在构造集中应力区或者是高位钻孔影响使震动密集。以上方法值得相似条件的矿井加以采用借鉴，采用针对性措施，确保矿井安全生产，值得大力推广。

[1]李化敏,袁瑞甫,解俊祥,顾喜鹏.霍州煤电集团公司李雅庄煤矿掘进工作面微震防突预警及治理科学研究

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.11.003