急斜特厚煤层开采扰动区(MDZ)煤岩体动力学变形失稳过程分析

曹建涛，来兴平，崔 峰，单鹏飞

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

急斜特厚煤层开采扰动区(MDZ)煤岩体动力学变形失稳过程分析

曹建涛1，2，来兴平1，2，崔 峰1，2，单鹏飞1，2

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

为研究急斜特厚煤层开采扰动区(Mining Disturbed Zone，MDZ)内煤岩动力学灾害控制问题，综合利用现场声发射(Acoustic Emission，AE)与光学钻孔影像(Borehole Optical Image，BOI)技术方法，并依托乌鲁木齐矿区急斜特厚煤层煤岩体动力学灾害控制为工程背景，揭示了急斜特厚煤层开采环境条件下深部开采扰动区结构演化特征。结果表明：急斜煤层深部煤岩破裂与变形过程中“波-力”指标演化分为5个阶段(初始压密→破裂萌生→破裂加速→整体破坏→能量急剧释放)；开采扰动区内覆层煤岩体局部动态演化特征显著，主要表现为局部应力畸变诱发煤岩体整体结构失稳和致灾；煤岩体变形破坏致灾是开采深度、煤岩体禀赋性、顶底板夹持结构及应力非对称效应共同作用结果，为急斜特厚煤层动力学灾害预报预测提供依据。

急斜特厚煤层；煤岩体；动力学变形破裂；声发射；钻孔光学影像

0 引 言

煤岩体缺陷具有隐蔽性与时空变异性，应力畸变与重构易导致大尺度片帮冒顶与动力学灾害[1]。开采扰动区(Mining Disturbed Zone，MDZ)煤岩体动力学失稳致害研究进展积极，姜福兴[2]等研究了微震监测预警方法与装置系统，夏永学[3]等完善了5个物理意义明确且具有应用价值的危险预测指标。另外，地质雷达(Ground Penetrating，GPR)、SOS(Seismological Observation System)、声发射(Acoustic Emission，AE)、钻孔光学摄像(Borehole Optical Imaging，BOI)和PASAT-M等系统集成与传统方法联合应用，对复杂煤岩体动力失稳致灾中能量积聚、转移和释放过程进行预测，为安全开采、灾害控制和减损起到了至关重要的作用[4-6]。乌鲁木齐矿区是典型急倾斜(45°～87°)特厚(均厚50 m)煤层富集区和集约化开发区，赋存30多层厚度与间距不同的急倾斜煤层群。乌东煤矿(1 000万t/a)急斜特厚煤层水平分段综放工作面始终处于“顶空开采”条件下(由于采用水平分段综采放顶煤采煤法，上分段工作面回采过后形成超规模的长距离、高斜度的大尺度采空区，下分段工作面回采时，工作面顶部为遗留顶煤、垮落的顶底板岩石及地表黄土所形成的松散煤岩体结构)，且频繁面临采空区内部不确定性失稳问题[7-9]。随采深(400 m)增加，采空区内煤岩体失稳诱发的动力学灾害及衍生灾害问题更加尖锐。2010年9月至2011年10月，曾发生10多次动力破坏现象，严重制约安全开采[10]。以乌鲁木齐矿区乌东煤矿急斜特厚煤层安全开采为背景，采用综合方法与手段，揭示急斜煤岩体变形与破坏演化规律，为矿井动力灾害预报与控制提供依据。

1 急斜特厚煤层开采扰动区结构特征

图1 乌鲁木齐矿区(乌东矿)急斜煤层赋存特征Fig.1 Characteristics of steep coal seams at Wudong mine of Urumqi coal field

图2 MDZ结构特征Fig.2 MDZ structure characteristics

乌鲁木齐矿区是典型急倾斜(45°～87°)特厚煤层富集区。目前最大采深达400 m，如图1，图2与图3所示，始终顶空(区)开采是深部开采扰动区(Mining Disturbed Zone，MDZ)水平分段综放工作面典型特征之一。深部煤岩体动态破裂变形，极易导致强度与变形畸变、结构动力学失稳与诱发动力学灾害。现场地质钻孔和雷达探测表明，急倾斜深部煤岩分层特性与岩层岩性差异性极大，强弱岩层的组合严重影响了煤岩层的受力变形，易产生层间滑动。水平分段综放顶采场结构和采掘关系的显著特点是始终频临采空区。工作面上方采空区不均衡垮落和沉降，形成载荷集中区，且局部不均匀受力，煤柱沿垂直剖面形成“塔形”分布结构，最底层水平分段煤柱所受载荷产生应力叠加，诱致煤柱断裂。加之煤层倾角大，开采扰动下煤岩体产生非对称性“撬动”作用力，致使集中载荷突然卸荷，导致煤岩体结构整体失稳，对工作面形成动力学破坏。巷道出现严重底臌帮鼓与冒顶，最大底鼓达1.2 m；两帮收缩量最大达1.0 m，收缩率达20.8%，煤岩体能量突然释放使巷道内风筒与锚网撕裂、锚杆失效和皮带侧翻(图3)等现象，增加了开采难度。

图3 采动作用下巷道煤岩动力学破坏情况Fig.3 Dynamic damage of coal-rock mass of roadway under mining disturbance

2 急斜特厚煤岩变形与破裂AE特征

煤岩破裂声发射(Acoustic emission，AE)技术为现场工程稳定性预测预报提供了1种有效信息获取手段。以乌东煤矿南采区B3+6煤层工作面回采过程中开采扰动区内煤岩体失稳预测预报研究为工程背景，通过声发射与PASAT-M现场煤岩动态破裂与失稳联合监测[11]，具体针对+501水平B3+6煤层工作面回采过程中开采扰动区内煤岩破裂与变形，揭示受动力作用下急斜特厚煤岩破裂与失稳时AE大事件和能率特征及规律(图4)。

图4 煤岩体破裂与失稳声发射(AE)特征Fig.4 AE characteristics of coal-rock mass crack and instability

如图4所示，+501水平B3+6煤层工作面煤岩体破裂与失稳声发射数据分析，认为急斜煤岩体破裂失稳分为5个阶段：初始压密(ST-1)、破裂萌生(ST-2)、破裂加速(ST-3)、整体破坏(ST-4)和能量急剧释放(ST-5)，各阶段破裂演化变化特征如下。

1)初始压密(ST-1)：AE总事件与能率波动较小，这与室内小尺测试结果基本吻合；

2)破裂萌生(ST-2)：煤岩体发生弹性变形，但其运动相对剧烈，与ST-1相比，AE总事件和能率明显加大，持续时间相对较长(约28.0 min)，约占总过程60%；

3)破裂加速(ST-3)：煤岩体内部在前2个阶段中聚集能量释放，AE总事件和能率增加，煤岩破裂速率与范围大幅增加，AE峰值倍增。总事件和能率均达到峰值，最大值分别为1 071个/s和4 974，持续时间短，仅为3.6 min；

4)整体破坏(ST-4)：煤岩体破坏加速累积导致整体破坏，AE总事件和能率都达到峰值后，AE信号有所下降，但幅度处于高位水平，储能大量释放，承载力显著下降。但煤岩体仍具有一定承载能力，持续时间为33.0～39.0 min，约占总过程14%，此阶段持续时间较短且变形破坏十分剧烈，使裂隙贯穿沟通，将储能大量释放，形成整体破坏，但结构仍具有承载载荷的能力，现场开采时应重点监测此时段，并采取预防措施；

5)能量急剧释放(ST-5)：AE总事件和能率骤然释放与重构扩展，总事件和能率峰值分别为771个/s和4 303，约占总过程14%.动力学灾害往往就在这一阶段发生，由于在(ST-4)阶段使煤岩体原有连续结构受到破坏，破碎后煤岩体形成的结构体十分脆弱，在外界扰动载荷作用下，尤其在实施超前预爆破和注水软化技术措施时，极易产生动力失稳灾害。

基于声发射对煤岩体能量积聚和释放的前兆信息研究，可对煤岩体变形破坏过程进行科学的预测预报。

3 煤岩体内不同深部破裂与变形光学观测

煤岩体局部化破裂孕育演化与失稳致灾，实质上是煤岩体局部结构与应力环境作用的动力学演化过程。从现场钻孔光学摄像(Borehole Optical Imaging，BOI)观测结果(图5)可看出，钻孔内部煤体出现显著变形、破裂与坍塌，煤岩体发生破裂和剪滑，裂隙边界点上两点间产生相对位移，沿钻孔纵向和横向发生扩张或移动，煤岩体的径向和切向应力明显增大，局部出现应力集中现象，压缩应力和剪切应力致使岩体产生动态破裂与畸变失稳。在钻孔不同深度和不同位置破裂长度和宽度也不尽相同，破坏形式迥异，表明煤岩体内部不同位置应力集中程度与局部应力卸荷梯度完全不同，极易产生局部区域变形破坏带并诱发动力学破坏。现场钻孔光学摄像技术的实施以监测+501水平B3和B6巷道围岩变形破坏为目的，获取其相应的光学观测结果。图5描述了现场煤岩体内部不同深部破裂与变形光学观测结果。

图5 现场煤岩体内部不同深部破裂与变形光学观测结果Fig.5 Observation results of coal-rock mass inner spalling and deformation by BOI at field different depth

4 煤岩体动力学变形破坏综合分析

煤岩体赋存性、禀赋性和结构性及相互关系独特，煤岩应力重新分布、变形破坏和煤岩体结构重组是3个典型演化过程，开采扰动区煤岩体变形破坏致灾是开采深度、煤岩体禀赋性、顶底板夹持结构及应力非对称特性等共同作用结果。

4.1 开采深度影响

随煤层开采深度的增大，开采采空区影响范围的增大，作用在煤岩体结构上的载荷在不断地发生变化，引发EDZ内覆层结构载荷调整与重构，由于煤岩体在原始载荷和开采扰动作用下，煤岩体的强度会随时间的增长在载荷作用下逐渐退化，引发变形及结构畸变，局部煤岩体发生破坏与动态失稳，造成整体结构“活化”，促使结构发生不断地演化。一方面在外界载荷作用下不断积蓄应变能，另一方面由于结构基本单元的流变性和节理裂隙的扩展使得结构刚度下降。开采扰动下，当动力载荷的作用使结构达到能量破坏极限，造成能量释放并诱发动力学失稳和连锁型破坏。

4.2 煤岩物理力学性质

煤岩物理力学禀赋特征是诱发工程灾害的主要原因之一。急斜特厚煤层EDZ内基本顶和底板为粉砂岩和砂岩，脆性大，储能高。急倾斜煤层由含煤地系煤岩层固有属性决定，其中煤岩层厚度不同，且力学强度有强弱组合，部分岩层含有节理裂隙等弱结构面，由于含煤岩系的分层特性差异，岩层岩性差异性极大，形成强、弱岩层的不同组合，强弱岩层的组合是影响受力变形和发生顺层滑动的重要条件，软弱岩层是润滑层，其动力学失稳孕育和发生物理过程复杂，在整体岩层活动中各岩层的作用不同，较为坚硬且厚的岩层在岩层运动过程中起到关键控制作用；较为软弱且薄的岩层，不能承载上覆岩层作用的载荷，且对下覆岩层发生传递且增加载荷的作用。强弱岩层的组合严重影响了岩层的受力变形情况，在强、弱岩层间，极易产生层间相对运动，将会发生离层或冒落现象。现场AE监测(图6(a))和原位应力测试结果表明，顶底板岩层抗压强度约47 MPa具备发生动力学失稳破坏禀赋条件。

4.3 顶底板夹持作用

急斜特厚煤层水平分段综放开采工作面沿煤层厚度布置(长约50.0 m)，沿煤层走向推进，工作面两端为煤层顶底板。当载荷集中后，超过煤体所承受的载荷极限时产生卸荷，诱致煤体破碎并加速扩展演化，但受顶底板夹持作用(图6(b))，应力难以向更深层位煤岩体内扩展转移与调整并形成集中载荷，导致动力学破坏发生。

图6 深部开采扰动区煤岩运动特征Fig.6 Movement characteristics of coal-rockmass in deep EDZ

4.4 采动扰动作用下煤岩体应力非对称作用

在急斜特厚煤层水平分段综放开采中，随顶煤不断放出，工作面空间尺度加大，煤岩体在顶底板之间易形成跨层拱结构并产生非对称效应。数值计算与现场监测综合分析(图6)表明[12-14]，采动扰动作用下煤岩破裂失稳频繁，持续时间短，强度高。载荷由初始的6.0 MPa升至8.0 MPa时，顶煤发生破坏引发拱结构二次破坏并释放应力，煤岩体载荷恢复至6.0 MPa，顶煤大范围失稳并充填采空区，导致老顶失去法向支撑并发生变形，煤岩体结构承受载荷再次升高；当载荷升高至12.0 MPa时导致老顶发生失稳，使煤岩体结构承受载荷彻底释放。另外，急斜煤柱左帮与上方均存在水平应力集中(图6(b))，受水平和垂直应力双重影响。顶板承受垂直应力较大，非对称作用显著，易产生底鼓现象。

根据开采过程中动压作用特征规律，现场采取超前注水、卸压洞室和控制开采速度等措施，实现了动压破坏的科学调控，保障了安全生产。

5 结 论

急斜开采扰动区煤岩动力学失稳制约安全开采。通过对乌鲁木齐矿区急斜煤层煤岩动力学变形破坏与演化特征规律综合分析，得出如下结论

1)急斜特厚煤层开采环境与条件独特，煤岩体动态破裂变形易导致强度与变形畸变、结构动力学失稳与诱发动力学灾害；

2)现场综合监测结果表明，急斜特厚煤岩体局部化破裂孕育演化与失稳致灾，实质上是煤岩体局部结构与应力环境作用的动力学演化过程；

3)开采扰动区煤岩体变形破坏致灾是开采深度、煤岩体禀赋性、顶底板夹持和结构及应力非对称效应等共同作用结果，为急斜特厚煤层深部动力学灾害预报控制提供依据。

References

[1] 谢和平，周宏伟，薛东杰，等.煤炭深部开采与极限开采深度的研究与思考[J].煤炭学报，2012，37(4)：535-542.

XIE He-ping，ZHOU Hong-wei，XUE Dong-jie，et al.Research and consideration on deep coal mining and critical mining depth[J].Journal of China Coal Society，2012，37(4)：535-542.

[2] 姜福兴，苗小虎，王存文，等.构造控制型冲击地压的微地震监测预警研究与实践[J].煤炭学报，2010，35(6)：900-903.

JIANG Fu-xing，MIAO Xiao-hu，WANG Cun-wen，et al.Predicting research and practice of tectonic-controlled coal burst by microseismic monitoring[J].Journal of China Coal Society，2010，35(6)：900-903.

[3] 夏永学，康立军，齐庆新，等.基于微震监测的5个指标及其在冲击地压预测中的应用[J].煤炭学报，2010，35(12)：2 011-2 016.

XIA Yong-xue，KANG Li-jun，QI Qing-xin，et al.Five indexes of microseismic and their application in rock burst forecastion[J].Journal of China Coal Society，2010，35(12)：2 011-2 016.

[4] 王宁波，张 农，崔 峰，等.急倾斜特厚煤层综放面采场运移与巷道围岩破裂特征[J].煤炭学报，2013，38(8)：1 312-1 318.

WANG Ning-bo，ZHANG Nong，CUI Feng，et al.Characteristics of stope migration and roadway surrounding rock fracture for full-mechanized top-coal caving face in steeply dipping and extra-tick coal seam[J].Journal of China Coal Society，2013，38(8)：1 312-1 318.

[5] 来兴平，栾小东，伍永平，等.开采扰动区变尺度采空区覆岩介质动态损伤实验[J].煤炭学报，2007，32(9)：902-904.

LAI Xing-ping，LUAN Xiao-dong，WU Yong-ping，et al.Experiment on dynamical damage of overburden-rock media at various scale mined-out area in excavation disturbed zone[J].Journal of China Coal Society，2007，32(9)：902-904.

[6] 王宁波，张 农，蓝海东，等.急倾斜特厚煤层采空区现场地面与地下协同探测与分析[J].西安科技大学学报，2013，33(1)：7-11.

WANG Ning-bo，ZHANG Nong，LAN Hai-dong,et al.Analysis of field surface and underground coordination detection to mined-out-area surrounding steep-heavy thickness coal seam[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2013，33(1)：7-11.

[7] LAI Xing-ping，CAI Mei-feng，REN Fen-hua，et al.Assessment of rockmass characteristics and the excavation disturbed zone in the Linxin Coal Mine beneath the Xitian river，China[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Science，2006，43(4)：572-581.

[8] LAI Xing-ping，CAI Mei-feng，Xie M W，et al.In situ monitoring and analysis of rockmass behavior prior to collapse of the main transport roadway in Linglong Gold Mine，China[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Science，2006，43(4)：640-646.

[9] 石平五，张幼振.急斜煤层放顶煤开采“跨层拱”结构分析[J].岩石力学与工程学报，2006，25(1)：79-82.

SHI Ping-wu，ZHANG You-zhen.Structural analysis of arch of spanning strata of top coal caving in steep seam[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(1)：79-82.

[10] 来兴平，王宁波，张国辉，等.急倾斜特厚煤层深部煤岩动力灾害防治关键技术研究[R].西安：西安科技大学，2013.

LAI Xing-ping，WANG Ning-bo，ZHANG Guo-hui，et al.Research on key technology of deep coal and rock dynamic disasters prevention and control in steeply dipping-extra-tick coal seam[R].Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2013.

[11] 张新战，蓝 航，王 建，等.乌东矿PASAT-M微震煤体应力分布规律探测[R].北京：煤炭科学研究总院北京开采设计分院，2013.

ZHANG Xin-zhan，LAN Hang，WANG Jian，et al.PASAT-M stress distribution of coal microseismicdetection in Wudong coal[R].Beijing：Coal Mining and Design Brunch，China Coal Research Institute，2013.

[12] 王石成，来兴平，赵建会，等.急斜煤层预爆破顶煤裂隙特征钻孔光学测定[J].西安科技大学学报，2011，31(2)：153-156.

WANG Shi-cheng，LAI Xing-ping，ZHAO Jian-hui，et al.Borehole opticsmeasurement for pre-blasting top coal crack characteristics in steep and thick coal seam[J].Journal of Xi’an University of Science & Technology，2011，31(2)：153-156.

[13] 张 伟，来兴平，漆 涛，等.急斜特厚煤层动力学失稳现场声发射监测[J].西安科技大学学报，2011，31(3)：253-255.

ZHANG Wei，LAI Xing-ping，QI Tao，et al.Acoustic emission monitoring for dynamic destabilization of heavy and steep coal seam[J].Journal of Xi’an University of Science & Technology，2011，31(3)：253-255.

[14] 邹 磊，来兴平，王宁波，等.复杂地质条件下急斜厚煤层巷道变形特征[J].西安科技大学学报，2010，30(2)：145-149.

ZOU Lei，LAI Xing-ping，WANG Ning-bo，et al.Roadway deformation characteristics of steep-thick coal seam under complicated geological conditions[J].Journal of Xi’an University of Science & Technology，2010，30(2)：145-149.

Characteristics on dynamical deformation and instability of coal and rock mass in Mining Disturbed Zone(MDZ)of steeply dipping heavy thick coal seams mining

CAO Jian-tao1，2，LAI Xing-ping1，2，CUI Feng1，2，SHAN Peng-fei1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China； 2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

Controlling dynamical instability of coal and rock mass in mining disturbed zone(MDZ)is a significant task of safe mining relating to steeply dipping heavy thick coal seams.Aiming at the dynamic hazards controlling goal of coal-rock mass in Urumqi coal field，this paper focused on the revealing of structure evolution characteristics for mining disturbed zone.The results show that process of dynamical deformation and cracking in coal and rock mass is defined as five stages，which are initial compression，cracking producing，cracking acceleration，overall damage and energy rapid releasing.Local dynamical deformation of overlying stratum in coal and rock mass is particularly obvious within EDZ，which would result in structure instability and hazards.Coal and rock mass failure disaster in deeper MDZ related to mining depth，essential of coal and rock，roof and floor grip and their asymmetric dependence of structure and stress.Those provided some theoretical evidence for prediction and controlling of dynamical hazard in steeply dipping heavy thick coal seams.

steeply dipping heavy thick coal seams；coal and rock mass；dynamical deformation；acoustic emission(AE)；borehole optical imaging(BOI)

2015-05-10 责任编辑：刘 洁

国家自然科学基金(煤炭联合基金)重点项目(U13612030);陕西省重点科技创新团队计划(2013KCT-16);博士启动基金(2014QDJ069);博士培育基金(2014051).

曹建涛(1981-),男,山西大同人,博士,讲师,E-mail：463583050@qq.com

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0401

1672-9315(2015)04-0397-06

TD 73

A