二次采动下临空留巷冲击地压机理

2018-11-08鲁喜辉武少国丁国利缪小冬王书文

采矿与岩层控制工程学报 2018年5期

鲁喜辉，武少国，丁国利，缪小冬，王书文

(1.中天合创能源有限责任公司葫芦素煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017300；2.中天合创能源有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017300； 3.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京 100013；4.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013)

冲击地压指煤矿井巷或工作面周围煤岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等，具有很强的破坏性，是煤矿重大灾害之一[1]。我国煤矿开采条件复杂多样，冲击地压发生条件千差万别，但从发生巷道的空间位置看，回采工作面冲击地压主要发生在临空巷道内，并以工作面超前区域为主[2-5]。临空巷道可分为临空掘巷和留巷，其中临空掘巷是指上一工作面已经回采完毕，在采空区侧向开掘新的巷道。临空留巷是指上工作面一侧或两侧采用了双巷或多巷布置，外侧巷道留用为下一工作面服务。临空留巷将先后受两次回采扰动影响，冲击地压发生机理更为复杂。我国双巷或多巷布置工作面数量总体占比较小，多分布在淮南、晋城、潞安、彬长、神东、呼吉尔特等矿区，主要用于解决运输、通风、瓦斯及采掘接续等问题[6-7]。2013年以来，彬长、潞安及呼吉尔特矿区部分矿井的临空留巷出现了冲击地压灾害[7-9]。本文针对葫芦素煤矿21103回风巷临空留巷冲击地压，从冲击启动的载荷源入手分析冲击地压发生机理，以期为二次采动下临空留巷冲击地压防治提供依据。

1 工程背景

1.1 工作面概况

葫芦素煤矿21103工作面为首采区第二个回采工作面，西邻21102工作面采空区，区段煤柱30m，东临21104准备工作面，南临矿井实体煤边界，工作面巷道布置如图1所示。工作面倾向长度320m，走向长度4150m，采用一面三巷的布置方式，其中回风巷为邻近21102工作面回采后的留巷。工作面开采2-1煤层，煤层倾角为-3°～+3°，煤厚1.8～2.97m，平均2.54m。鉴定结果表明，葫芦素煤矿2-1煤具有强冲击倾向性。煤层顶板岩性多以粉砂岩、砂质泥岩为主，底板岩性多为砂质泥岩及粉砂岩。工作面主运巷、辅运巷、回风巷断面宽×高均为5.4m×2.7m，沿顶、沿底布置，采用锚网索支护。

图1 21103工作面巷道布置

1.2 冲击地压发生情况

工作面回采初期未发生明显的动力显现。截至2017年11月18日7:40，工作面累计推进548m，生产过程中，回风巷超前0～60m范围发生冲击显现，瞬间造成煤柱侧帮鼓，最大0.7m，位于超前0～10m范围内，导致机尾无安全出口，电缆落地，底鼓0.3m，共破坏锚杆30根，锚索15根，损坏单体10根。

分析发现，本次具有明显的方向性，以煤柱侧冲击为主，底鼓次之，实体煤、顶板基本没有破坏，这表明冲击地压的能量释放主体为30m宽度的临空煤柱。

2 冲击地压载荷源分析

2.1 冲击地压启动机理

根据冲击启动理论[10]，冲击地压发生依次经历冲击启动—冲击能量传递—冲击地压显现等3个阶段，采动围岩近场系统内静载荷的集聚是冲击启动的内因，采动围岩远场系统外动载荷对静载荷的叠加、扰动是冲击启动的外因。冲击地压启动的载荷源主要分为两类：采动围岩近场系统内静载荷和远场系统外动载荷。系统内静载荷以采掘空间围岩内的采动应力为主；系统外动载荷以采空区及周边顶板活动、采掘爆破等产生的动态应力波为主。冲击启动区为近场围岩应力峰值最大区，冲击启动的能量判据为：

E静+E动-EC>0

式中，E静为极限平衡区集中静载荷作用下积聚的能量；E动为远场弹性能传递至极限平衡区的能量；EC为极限平衡区发生动力破坏所需要的最小能量[15]。

2.2 静载荷源分析

2.2.1 二次扰动前临空煤柱侧向应力分布

21102工作面回采后，临空巷道受到采空区顶板压力传递影响，围岩应力水平整体升高。为掌握临空宽煤柱侧向应力分布情况，在21103工作面回采之前，采用φ42mm直径钻屑法对临空宽煤柱进行检测，钻屑量分布曲线如图2所示。煤柱侧4m以浅范围钻屑量小于3kg/m，煤柱帮5m以深煤粉量大幅增加，峰值区位于8m处，煤粉量达到55kg/m，9m以深范围则逐渐减小。可见，二次采动影响之前，临空宽煤柱应力集中程度已经处于高位，尤其煤柱里侧6～10m区间集中程度最高。

图2 30m宽煤柱钻屑法记录曲线

2.2.2 二次采动影响下临空煤柱走向应力分布

采用KJ21冲击地压应力在线监测系统对21103回风巷帮部进行应力监测，选取5个典型应力曲线进行分析，结果如表1及图3所示。统计可知，21103工作面超前支承压力影响范围为50～73m，平均58m；应力峰值超前工作面距离5～16m，平均7.7m，应力集中系数2.20～5.39，平均3.61。对比可知，回风巷冲击破坏范围为超前工作面0～60m，与监测获取的超前支承压力影响范围(58m)基本一致。另外，破坏最为严重的区域为0～10m范围，也是超前应力峰值分布的区间。可见，冲击显现的地点及严重程度与超前支承压力分布较为吻合，总体为支承压力越大，冲击破坏越严重。

2.2.3 煤柱硐室附近应力分布规律

图4为2017年11月26日，21103回风巷两帮应力监测数据。可见，压力最大值分布在工作面附近，随着远离工作面，回风巷帮部压力逐渐下降，直至稳定在4～5MPa。同时发现，煤柱内硐室或联巷周围应力是正常煤柱区应力的1.5～4.2倍，这表明煤柱硐室对应力的影响极为显著，容易发展成为冲击危险源。

表1 21103回风巷采动应力监测结果

图3 21103回风巷采动应力实测曲线

图4 21103回风巷帮部应力

2.3 动载荷源分析

采用波兰ARAMIS M/E微震监测系统对21103工作面微震活动进行监测，分析其平面、剖面分布规律。

2.3.1 微震事件平面分布规律

图5为不同能级微震事件的平面分布情况，可见，不同能级的微震事件分布区域差别较大，主要规律：高能级的104J以上事件全部集中在开掘了联巷的临空煤柱附近；断层可引起103J事件频发，但尚不足以诱发104J事件；102J事件在两巷附近大量分布，但在采空区中部较少；101J事件在工作面范围广泛分布。诱发因素的类型决定了微震事件的能级，该规律可用于预判强矿震及冲击地压危险性，具体表现为：

图5 不同能级微震事件平面分布

(1)临空煤柱内开掘了联络巷可导致高能事件频发，诱发冲击地压概率较高，应加强超前卸压。

(2)断层附近煤岩层活动异常，微震能量释放相对活跃，但引起的微震事件最大能量限定在103J级别，一般条件下尚不足以诱发冲击显现，但应采取防范措施。

(3)101J、102J微震事件分布范围更广，但采空区中部偏少，这可能是由于采空区内部微震事件向巷道内拾震器传播过程中衰减过快，未被有效记录。

2.3.2 微震事件垂向分布规律

图6为21103工作面微震事件沿倾向垂直剖面的投影。从煤岩层破裂高度上来看，工作面回采后，微震活动分布在煤层上方160m范围内，表明覆岩最大破裂高度约160m。但高能事件发生层位更低，其中103J级别微震事件发生在煤层上方80m范围，104J级别微震事件发生在煤层上方30m范围。低位坚硬顶板活动形成的高能量微震震源距离采掘巷道更近，应力波传递至巷道围岩的极限平衡区时，衰减程度较小，诱发冲击地压风险概率更高。

图6 不同能级微震事件垂直剖面投影

2.3.3 微震活动与班次的关系

图7为不同能级微震事件在夜班(0时-8时)、早班(8时-16时)、中班(16时-24时)的分布比例。可得以下规律：

(1)从所有微震发生的频次来看，夜班>中班>早班，表明夜班受开采扰动最强烈，中班次之，早班(检修班)最小。

(2)62%的3次方事件、100%的4次方事件发生在夜班，可见，夜班高能量震级冲击地压风险最高。这主要是因为工作面经历8～16h的连续生产，顶板悬露面积不断增大，活动强度不断增大，动载荷释放强度也就增大。

(3)早班为检修班，回风巷超前段作业人员较多，该时间段内虽未发生过4次方事件，但3次方事件达到20次，仍具有一定的诱冲风险。这主要是因为工作面已经经历了连续16h的高强度生产，虽然早班停机，但顶板活动尚未完全停止。

图7 不同班次里不同能级微震事件频次的比例

3 临空留巷冲击地压发生机理

基于冲击地压动、静载荷源监测分析结果，葫芦素煤矿21103回风巷冲击地压发生机理可描述为：厚硬顶板、宽煤柱等关键因素影响下，采空区侧向支承压力引起临空宽煤柱静载荷整体高度集中，在本工作面回采引起的超前支承压力以及煤柱硐室、联巷周边集中应力的共同作用下，超前区域煤柱局部区段的静载荷水平急剧升高。回采扰动下动静载荷发生叠加，达到煤柱冲击启动的载荷条件，进而发生冲击地压。

煤层的冲击倾向性决定了煤柱具备发生瞬时动力破坏的基本属性。集中静载荷水平处于高位的临空宽煤柱弹性区为冲击启动位置。冲击能量向周围传播过程中，对留巷帮部冲击作用最为强烈，但由于巷帮支护强度较高，整体性较好，因此只发生了整体变形。而巷道底板早已发生塑性破坏，抗冲击能量差，成为能量释放的主要通道。顶板为相对坚硬的岩石，且支护完好，基本无破坏。