巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理分析

姜福兴,魏全德,王存文,姚顺利,张 寅,韩荣军,魏向志,李泽成

(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083;2.义马煤业集团股份有限公司,河南义马 472300;3.新南威尔士大学采矿工程学院,新南威尔斯州悉尼 2052)

巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理分析

姜福兴1,魏全德1,王存文1,姚顺利1,张 寅2,韩荣军2,魏向志2,李泽成3

(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083;2.义马煤业集团股份有限公司,河南义马 472300;3.新南威尔士大学采矿工程学院,新南威尔斯州悉尼 2052)

以某典型冲击地压事故为背景,通过理论研究和现场勘查,研究了巨厚砾岩与逆冲断层控制下特厚煤层工作面冲击地压致灾机理和防治方法。通过对地层结构与开采形成覆岩空间结构的研究,建立了侧向静态支承压力估算模型,得到了21221工作面上覆岩层空间结构与应力分布规律;估算了巨厚砾岩传递应力、自重应力与F16逆冲断层及相变带构造应力的叠加总应力,该应力超过了该矿的临界冲击应力;特厚煤层在叠加应力作用下发生塑性滑移,逐渐形成滑移线场,并产生塑性膨胀,导致巷道围岩应力增加,在外部扰动应力作用下,煤体发生瞬间大范围滑移是发生冲击地压的主要原因。针对这类冲击地压的致灾机理,通过合理设计巷道平面位置以避开传递应力峰值区域、采用半煤岩巷道以减小滑移线场范围和合理设计煤层大直径卸压孔参数以改变煤体滑移方向等措施,有效治理了该类冲击地压。

巨厚砾岩;逆冲断层;冲击地压;特厚煤层

据不完全统计,某巨厚砾岩特厚煤层矿区, 2006—2011年已发生33起冲击地压事件,已造成数十人伤亡,上百人受伤,巷道损坏数千米。国内外诸多专家学者,对不同开采和地质条件下的冲击地压机理、预测方法、控制方法等已有大量研究。

例如,Cook N G W等[1]提出能量理论;宋振骐等[2]对冲击地压事故发生的原因、灾害实现条件及其动力信息进行了系统研究,并提出了各类冲击地压预测和控制的方法;章梦涛[3]提出了冲击地压失稳理论;李玉生[4]提出冲击地压发生的“三准则”理论;潘立友等[5]建立了冲击地压的扩容模型,扩容理论解释了冲击地压前兆信息的稳定性与突变性,是冲击地压前兆信息识别的理论基础;潘一山等[6]将冲击地压分为煤体压缩型、顶板断裂型和断层错动型等3类,并指出其发生条件;齐庆新等[7]应用数值模拟和相似材料模拟等方法,分析了原岩应力、构造应力、采动应力对冲击地压发生诱发机制;姜福兴等[8]提出复合厚煤层发生冲击地压的“震-冲”机理;姜耀东等[9]应用数值模拟研究了采动影响下断层的活化规律;窦林名等[10]运用理论分析、实验室试验、数值模拟及工程实践方法,研究了断层区的冲击机制;缪协兴等[11]建立了岩(煤)壁附近压裂纹的非时间相关和时间相关的滑移扩展方程对冲击地压进行预测预报;高明仕等[12]研究了冲击煤层巷道锚网支护防冲机理,提出了冲击-支护的3D特性匹配要求。但是,迄今为止,巨厚砾岩与逆冲断层控制下的特厚煤层工作面,鲜有可靠的、科学的冲击地压危险性预测、评价和防治方法。

本文针对义马矿区“11·3”冲击地压事故,应用矿山压力的基本理论和覆岩空间结构理论[13],构建地层结构与开采结构形成的覆岩空间结构模型,研究巨厚砾岩与逆冲断层控制下特厚煤层工作面冲击地压致灾机理和防治方法。

1 事故基本情况

1.1 21221工作面概况

21221工作面设计位置及周边开采情况如图1所示,21221工作面在掘进期间发生“11·3”冲击地压事故,21141,21172工作面正在回采,21141工作面与21181采空区之间为实体煤。21221工作面平均采深800 m,21221工作面回风巷与21201工作面采空区留有5 m煤柱,工作面运输巷侧为实体煤,设计走向长度1 500 m,倾斜长度180 m,工作面巷道沿底板掘进但留有0.3～2.0 m的底煤。工作面位于2-1煤与2-3煤合并区,全煤厚3.89～11.10 m,煤层倾角3°～13°,煤层合并线(相变线)如图1跨两翼的弧线所示,工作面煤层顶底板岩层及其厚度如图2所示。地质构造为F16区域性逆冲断层,断层浅部倾角75°,深部倾角15°～35°,落差50～500 m,具体参数有待进一步探测,井下推测揭露位置如图1中虚线所示。工作面巷道断面25 m2,采用“锚网+钢带+锚索梁+36U”复合支护方式。108J。事故发生期间为检修班作业人员正在进行21221掘进工作面运输巷的防冲卸压工程、防火工程、加强支护和清理等工作。事故发生后,工作面运

图1 采区概况及21221工作面位置Fig.1 Mining situation and the position of accidentworking face

1.2 事故概况

图2 采区西翼覆岩空间结构与地面钻孔对应关系Fig.2 The relationship of overlying strata spatial structure and surface drilling

2011-11-03 T 19:18,义马千秋煤矿21221掘进工作面运输巷发生冲击地压,微震事件能量为3.5×输巷内风筒部分脱落,支柱倾倒,多段巷道闭合。经全力抢救,64名作业人员升井,10人遇难,事故发生前后现场照片如图3所示。

图3 事故前后现场照片Fig.3 The scene pictures before and after the accident

2 事故机理分析

21221工作面处于掘进期间,静应力对冲击地压的发生具有主导作用。巨厚砾岩传递应力与逆冲断层构造应力、上覆岩层自重应力、相变带构造应力耦合叠加形成了21221工作面的静应力场。通过对地层结构与开采形成的覆岩空间结构研究,建立了侧向静态支承压力估算模型,估算了巨厚砾岩传递应力,结合自重应力、逆冲断层和相变带构造应力分析,进行了多因素应力叠加估算,并以静应力值与煤体单向抗压强度的比值作为冲击危险性判别标准,预测了21221工作面运输巷冲击危险区和危险性。

2.1 开采形成的覆岩空间结构

为了估算高位岩层覆岩空间结构产生的传递应力,通过地表钻孔探测,构建了地层结构与开采形成的覆岩空间结构模型,以此为基础,研究高位岩层传递应力的分布规律。

2.1.1 采区西翼工作面覆岩空间结构

根据覆岩空间结构理论,结合采区工作面开采情况与地层结构,建立如图2所示的覆岩空间结构模型。模型中上覆巨厚坚硬砾岩存在离层但尚未断裂,空间结构类似于“不等距双孔桥”,工作面采空区为桥孔,待采煤体为桥墩,楔形巨厚砾岩层覆盖在不同宽度的煤柱(桥墩)上。上覆巨厚砾岩层自重力主要作用在21141工作面、21161工作面和深部煤体上,因此,21141工作面、21161工作面和深部煤体(21221工作面)处于较高的应力场内。

2.1.2 采区覆岩空间结构与地面探测孔验证

千秋煤矿在2010年由地面至21121工作面采空区实施地面钻孔,探测三带情况,钻孔位置在图1中圆点处。根据钻孔的岩芯情况,结合钻孔打设过程中掉钻、瓦斯涌出、漏水、漏浆等现象,判断地表至采空区整个采场上覆岩层的三带范围(图2)。

地面钻孔实测的运动岩层分组与图2所示的覆岩空间结构模型基本相符,采空工作面上覆巨厚砾岩层形成的传递应力影响范围较大,需要建立侧向静态支承压力估算模型,对传递应力进行估算。

2.2 掘进工作面应力场与冲击危险性分析

21221工作面煤岩体具有冲击倾向性,因此,煤岩体所受应力的大小是决定冲击地压是否发生的关键因素。事故发生在掘进面检修班期间,静应力值与冲击危险程度呈正相关性,因此,叠加总应力是冲击危险区及危险程度预测的关键。

2.2.1 采动形成的静态支承压力分布估算

根据采区西翼覆岩空间结构模型,建立非充分采动条件下侧向静态支承压力估算模型(图4)(Hmax为最大采深,Mi为关键层i厚度,α为岩层断裂角,Li为关键层i厚度中心的宽度,2I为工作面倾斜长度,Hi为关键层i厚度中心至底板距离)。以关键岩层[14]为估算单位,非关键岩层的自重作为载荷作用在关键岩层上,从煤层到地表分为n组,每组由于工作面的开采而发生离层,各关键层离层前端的连线为岩层移动线,该移动线与水平线的夹角α为岩层断裂角。断裂角通过微地震[15-16]监测数据分析得到。

图4 侧向支承压力估算模型Fig.4 The calculationmodel of lateral of abutment pressure

煤层上支承压力σ由以下两部分组成:

(1)在采空区上方各关键层悬露部分传递到两侧煤体上的压力之和称为支承压力增量Δσ,Δσ= Σσi,i=1～n,i为第i个关键层。

(2)自重产生的支承压力σq。

支承压力由下式计算:

代入21221工作面条件后,得到支承压力估算曲线如图5所示。以动应力比d=σ/[σc]≥1.5为冲击危险判断标准。煤层单向抗压强度为18 MPa,冲击的临界应力为σ≥27 MPa,因此,在不考虑其他因素影响时,根据估算结果,倾向上在离21201工作面采空区34～178 m内掘进巷道具有冲击危险,综合考虑断层、相变带、现场开采实际等因素后,建议工作面倾斜长度不小于250 m。事故巷道距离采空区185 m,在不考虑断层应力、相变带应力影响的条件下,巨厚砾岩传递应力已经接近发生冲击地压的应力条件。

2.2.2 构造应力分析

根据已经揭露的边界断层剖面,如图6所示,F16逆冲断层属于应力积聚断层,造成该断层水平运动的残余构造应力依然存在。F16逆冲断层和相变带构造应力平面影响范围及程度如图7所示,对F16断层进行应力分析如图6所示,上盘中煤体出现直立现象,因此,断层上盘存在较大的水平推力;断层两盘在自重力与水平力作用下,沿断层面存在较高的剪切应力;下盘中上部煤体由于多个工作面采空,存在较大的采空区岩层下滑力,深部煤体还承载着上覆岩层的自重应力,因此,21221工作面运输巷附近煤体受到断层的水平推力、断层面滑移应力形成的剪切力、上覆岩层重力和采空区下滑力综合作用,在垂直方向和水平方向均存在较高的应力。

图5 支承压力估算曲线分布Fig.5 Estimated curve of abutment pressure

图6 F16逆冲断层剖面受力分析Fig.6 Stress profilemap of the thrust fault

图7 F16逆冲断层和相变构造应力估计平面影响范围Fig.7 Influence range of thrust fault and phase transformation tectonic stress

煤层相变是指煤层厚度、硬度、煤质等发生变化,是应力集中区,当采掘工作面接近相变带时,易发生煤炮、冲击地压等动力现象[17]。事故工作面相变带为煤层厚度变化带,相变带附近存在较高的应力集中,相变带形成的应力场与F16断层形成的应力场叠加作用后,形成了高应力场。

2.2.3 高应力场分布与冲击危险区预测、评价

工作面处于掘进期间,掘进扰动应力处于移动中,静应力对冲击地压的发生具有主导作用,静应力大小决定了冲击危险程度。应用多因素耦合评价法进行冲击危险区预测与评价。首先,确定引起冲击地压的控制因素,然后,对各个影响因素进行应力估算与分析,最后将应力估算结果进行耦合叠加。将侧向静态支承压力、上覆岩层自重力、F16断层构造应力、相变带应力单独估算与分析后,进行叠加计算,并将计算结果以等色图的形式展示,如图8所示。假定掘进期间冲击危险区及危险程度判别标准为:一般冲击危险d∈[1.5,2),中等冲击危险d∈[2,2.5],严重冲击危险d∈(2.5,+∞)。根据估算结果和冲击危险区判别标准进行冲击危险区预测,结果如下:21221工作面运输巷相变线至F16断层线段是严重冲击危险区;工作面运输巷断层线至开切眼段巷道属于中等冲击危险区;相变线至巷口段属于中等冲击危险区。

图8 多因素应力叠加Fig.8 The stress figure ofmultiple factors superposition

2.3 特厚煤层蠕变膨胀冲击机理

特厚煤层巷道开挖时,巷道附近煤体应变随着时间延长而增加,部分煤体发生蠕变变形。在巨厚砾岩传递应力与逆冲断层、相变带构造应力叠加影响区内,巷道附近煤体承载的应力超过弹性极限应力,因此,开挖巷道附近煤体产生塑性变形。巷道附近煤体产生的应变是一个蠕变变形-塑性变形的动态过程,并在高应力作用下逐渐形成滑移线场,产生塑性膨胀,导致巷道围岩应力增加,在外部扰动应力作用下,发生上帮与底角沿滑移线场瞬间大范围滑移冲击,这类冲击不是在巷道开挖时发生,而是在巷道开挖完成一段时间后发生冲击,因此,称为蠕变膨胀冲击。

通过对21221工作面应力场分析与估算,在巨厚砾岩传递应力与逆冲断层构造应力叠加影响区内,工作面运输巷存在高水平应力与高垂直应力。工作面巷道内留有一定厚度底煤,工作面巷道内底煤与两帮煤体在高水平应力与高垂直应力作用下,特厚煤层发生塑性变形,同时围岩在工作面巷道上帮与底角内形成滑移线场,产生膨胀应力,巷道围岩处于极限平衡状态,在高位岩层运动或掘进扰动作用下,发生了上帮与底角煤体沿滑移线冲出的冲击地压灾害,如图9所示。通过支柱的倾倒方向和工作面运输巷上帮底角冲出的煤体状况,可以推断底板蠕变膨胀冲击力来自上帮底角方向。

蠕变膨胀冲击是特厚煤层工作面发生冲击地压灾害的主要原因。经过近4 a在义马、阜新、鹤岗矿区等冲击现场勘查,巷道冲击大多来自工作面运输巷上帮与底角,与煤体的滑移线场十分吻合,因此,特厚煤层降低膨胀应力,避免形成滑移线场或改变滑移线场运动方向是冲击地压防治的重要途径。

图9 现场照片与底板滑移线场Fig.9 The scene pictures and slip line fields in floor

3 防治方法的建议及应用

3.1 防治方法的建议

针对这类冲击地压,尚未掘进的工作面需要进行基于防冲的开采设计,通过合理设计巷道平面位置以避开传递应力峰值区域、采用半煤岩巷道以减小滑移线场范围,可从根本上降低工作面巷道的冲击危险性。已掘进或正在回采的工作面,通过合理设计煤层大直径卸压钻孔参数,向巷帮深部转移应力,改变煤体滑移方向,并降低煤体密度,减小膨胀应力,同时在大直径卸压钻孔卸压区域内,分区域采用柔性支护或框架式强支护等措施,实现冲击地压治理的“移、让、抗、降”4个方面,降低该类型冲击地压发生的可能。

3.2 应用效果

在义马矿区多个矿井通过合理设计巷道位置和层位,避开了高应力区布置巷道,在F16断层附近的巷道采用了半煤岩巷道,现场掘进实践发现,巷道稳定性明显好转,煤炮和大能量微震事件数量明显减少,避免了大量的防冲卸压工程,防冲和防灭火效果良好。义马矿区某矿25110工作面条件与21221工作面地质条件相近,工作面掘进期间动力现象频发,工作面回采初期,发生多次冲击地压事件,其中有一次影响400多米巷道的冲击地压,虽未造成人员死亡,但是巷道变形严重,频繁发生动力现象。该矿通过设计了合理煤层大直径卸压孔参数等措施,实现了冲击地压治理的“移、让、抗、降”,改变了煤体滑移方向,工作面回采期间虽然动力现象时有发生,但没有再发生破坏性冲击地压事件,该工作面于2013年安全回采结束。

4 结 论

(1)“11·3”事故掘进工作面静应力对冲击地压事故的发生具有主导作用。巨厚砾岩传递应力与F16逆冲断层构造应力、自重应力和相变带构造应力叠加后,总应力达到或超过冲击危险临界应力比(σ/ [σc]≥1.5),特厚煤层在叠加应力作用下发生塑性滑移,逐渐形成滑移线场,并产生塑性膨胀,导致巷道围岩应力增加,在外部扰动应力作用下,煤体发生瞬间大范围滑移是发生冲击地压的主要原因。

(2)通过合理设计巷道平面位置以避开传递应力峰值区域、采用半煤岩巷道以减小滑移线场范围和合理设计煤层大直径卸压孔参数以改变煤体滑移方向等措施,有效治理了该类冲击地压。

(3)对于逆冲断层、相变带等地质构造的构造应力尚无法建立准确、严谨的力学计算公式,无法实现定量化的构造应力计算,只是进行了半定量化估算;提出了特厚煤层蠕变膨胀冲击致灾机理,但是,该机理是一个分区域、分时间段的动态变化过程,需要进一步开展研究工作。

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Analysis of rock burstm echanism in extra-thick coal seam controlled by huge thick conglomerate and thrust fault

JIANG Fu-xing1,WEIQuan-de1,WANG Cun-wen1,YAO Shun-li1, ZHANG Yin2,HAN Rong-jun2,WEIXiang-zhi2,LIZe-cheng3

(1.School ofCivil&Environmental Engineering,University ofScience&Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.Yima Coal Industry Group Corporation Ltd.,Yima 472300,China;3.School ofMining Engineering,University ofNew South Wales,Sydney 2052,Australia)

Through theoretical research and field exploration,the mechanism and control method of rock burst happened in extra-thick coalseam ofworking face controlled by huge thick conglomerate and thrust faultwere studied with typical cases analysis.The calculation model of static side abutment pressurewas established through studying the stratum structure and overlying strata spatial structure,and the distribution law of the stratum structure and stress of No.21221 working face.By means of stress superimposing including transmission stress of conglomerate,in-situ stress and tectonic stress,the final value exceeded the critical stress value inducing rock burst.Under superimposed stress effect, extra-thick coal seam slid and formed slip-line field gradually,and at the same time plastic swelling occurred resulting in stress increase around the roadway,which was themain cause of rock burst occurrence.Aiming to control this kind of rock bursteffectively,we can design the position of roadways and the parameters of pressure-relieving boreholes reasonably,and adoptmixed coal-rock roadways.The research results were successfully applied to rock burst control inseveral coalmines of Yima.

huge thick conglomerate;thrust fault;rock burst;extra-thick coal seam

TD324

A

0253-9993(2014)07-1191-06

姜福兴,魏全德,王存文,等.巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理分析[J].煤炭学报,2014,39(7):1191-1196.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1402

Jiang Fuxing,Wei Quande,Wang Cunwen,et al.Analysis of rock burstmechanism in extra-thick coal seam controlled by huge thick conglomerate and thrust fault[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1191-1196.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1402

2013-09-29 责任编辑:常 琛

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB226803);国家自然科学基金资助项目(51174016,51204010)

姜福兴(1962—),男,江苏常州人,教授,博士生导师。Tel:010-62332900,E-mail:jiangfuxing1@163.com。通讯作者:魏全德(1985—),男,山东潍坊人,博士研究生。Tel:010-62660111,E-mail:wfwqd@126.com