急倾斜煤岩体工程结构特征综合调查

单鹏飞

(西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054)

煤炭资源是我国经济社会发展的主体能源，煤炭资源的安全开采依然是重大科学问题之一[1-2]。乌鲁木齐矿区作为国家批建的第14个亿吨级大型煤炭基地，赋存着大量的急倾斜特厚煤层群，是我国重要的能源基地接替区和战略储备区。急倾斜煤层赋存环境复杂，煤层倾角大、厚度大、地应力水平高且煤岩体坚硬，长期高强度的煤炭资源回收易导致灾害发生[3-5]。特别是高应力强卸荷下，急倾斜煤层采空区顶板大范围悬顶，不合理的处理方案难以有效、及时弱化采空区顶板并致其出现大尺度突发性垮落，极易诱发动力灾害。急倾斜煤层复杂的煤岩体工程结构特征条件根本上决定了对急倾斜煤岩体的强度劣化演化机制，科学揭示急倾斜煤岩体工程结构特征是建立急倾斜煤层动力学畸变动态防控体系的基础之一[6-8]。

急倾斜煤层水平分段开采煤岩体工程结构特征研究方面已取得系列创新成果[9-13]。无论是研究急倾斜煤岩体的静力还是动力屈曲，单一手段在急倾斜煤岩体动力屈曲和灾害预测预警及动态调控具有局限性，必须以现代高精度地球物理探测与分析方法等多手段联动，发展地面地下立体监测技术与方法，提高灾害预报水平。来兴平等[13]基于变形、应力、声发射、微震、地质雷达、光学扫描和钻孔摄像等不同空间层位的多元监测指标信息辨识，为急倾斜煤岩体结构参数确定、力学模型构建、结构与应力畸变发生临界条件和演化致灾预报提供定量方法与科学手段。为急倾斜煤层综放开采动力灾害预测预警系统开发奠定基础。基于以上认识，本文在分析急倾斜煤岩体赋存与开采条件的前提下，基于综合监测手段包括光学钻孔电视、矿用地质雷达及光学实时摄像，建立煤岩体宏观裂隙分布特征的统计模型，评价急倾斜煤岩体宏观结构特征。

1 急倾斜煤岩体赋存与开采条件

1.1 赋存条件

乌鲁木齐矿区赋存着大量的急倾斜特厚煤层，原有的碱沟煤矿、小红沟煤矿、大洪沟煤矿和铁厂沟煤矿四矿合一为现有的乌东煤矿。

乌鲁木齐矿区地质力学背景极其复杂(图1)，矿区内急倾斜煤层的地层赋存环境在世界范围内都极具特殊性，所属地壳板块形成阶段受印度板块和欧亚板块碰撞的影响，挤压作用强烈、构造活动性强矿区地质力学特征可大体表现为以下三点：强烈挤压应力状态为主，仅在隆起区具有次生拉张应力状态，地震机制大多表现为逆冲性断裂错动；地壳运动及构造活动性极强，地壳形变及断裂错动表现位移速度高达10 mm/a；地壳变形呈现弹塑性变形特征，地块内部断裂有较强的活动性，断裂带常具塑性剪切特征。

图1 乌鲁木齐矿区急倾斜煤层地质赋存条件Fig.1 Geological settings of steeply inclined coal seams in the Urumchi coal field

1.2 开采条件

急倾斜特厚煤层存在煤层厚度大、煤层倾角大、顶板坚硬等开采特征。

1) 由于急倾斜煤层倾角大，多数介于66～86°之间。若采用缓倾斜长壁工作面开采方法将导致工作面支架及刮板输送机的向下倾滑。因此水平分段综放开采是解决急倾斜特厚煤层安全高效开采的有效方式之一，应用最为广泛。

但是，水平分段综放开采模式为多层采空空间相互叠加影响，造成工作面正上方为遗留在采空区的残煤及覆岩等。因此，急倾斜特厚煤层中的水平分段工作面形成了特殊的“残留煤矸-顶煤-支架-(下分段)煤层”力学环境，在工作面顶底板的破坏运动对工作面影响与缓斜煤层极为迥异(图2)。

图2 乌鲁木齐矿区典型急倾斜煤岩体围岩关系Fig.2 Typical relatio of surrounding rock of steeply inclined coal seams in the Urumchi coal field

2) 急倾斜煤层采空区顶板难以垮落。由于煤层跨度小、倾角大导致采空区顶板在急倾斜特厚煤层开采后不易垮落。随着大量煤体的放出，采空区顶板依旧耸立，容易形成大面积顶板悬空区，从而严重影响开采的安全性。当悬空的顶板跨度达到顶板的承载极限时突然垮落，造成工作面和回采巷道的动力事件显现。

3) 煤岩体动力灾害频发。在乌东四矿合并之前，+555 m水平B3和B6、+535 m水平B3和B6、+501 m水平B3和B6在上分层回采下分层掘进过程中出现过四次不同程度的动力灾害现象合并之后出现两次较大的动力现象，特别是2012年7月2日的动力现象显现事件。动力灾害的共同点均是瞬间巷道及工作面发生震动，伴随着煤尘泛起，巷道顶板下沉、底板鼓起，锚网撕裂、多排锚杆失效，给巷道及工作面的作业人员安全带来严重影响。

2 急倾斜煤岩体宏观结构特征分析

2.1 宏观构造裂隙发育情况

为准确描述急倾斜煤岩体宏观构造裂隙发育特征，在+500 m水平B3-6工作面上方地面布置钻孔，运用钻孔电视对乌东煤矿北采区煤岩体宏观构造裂隙发育程度进行三维描述。结果表明：监测区域内，急倾斜煤岩体的宏观构造裂隙发育不显著，三维岩芯反映出顶板整体较为致密。煤岩体本身水量贫乏，渗透性极弱，持水性极强，B3-6煤层的回采巷道恰好位于该岩体上部，在B1+2煤层的开采扰动下岩体发生倾斜，极易导致B3-6煤层的回采巷道产生底鼓、帮鼓等塑性变形，亦可能发生块体塌落、滑落的剪切滑移。当其作为顶板，易产生重力坍塌等动力灾害问题。区内无变质岩、火成岩，无大的地质构造，地质构造简单，煤层稳定。

2.2 急倾斜煤岩体宏观缺陷地质雷达全地层扫描

地质雷达是对浅层地质勘测一种行之有效的方法，特别是对煤岩体的异常区域、断层破碎带、裂隙导水带等不良地质构造反映异常显著。通过反演分析地质雷达所获取图像中的频率、振幅、波形、相位以及电磁波能量吸收等参数演化特征，可判断并确定地质构造异常现象，此处探测乌东煤矿北采区采空区顶板处急倾斜煤岩体的宏观缺陷分布情况。将沿地表探测线开展地质雷达扫描工作，探测线位于地上沿43#煤层与45#煤层北巷正上方一线布置，走向由西向东，探测长度分别为715 m及527 m，探测线布置情况见图3。本次地质雷达探测采用100 MHz的天线，该天线在9时视窗的探测深度近似为40 m，数据采集模式为连续型采集。

图3 采空区顶板宏观缺陷地质雷达全地层扫描测线布置Fig.3 Layout of geological radar survey line for macroscopic defects in mine-void roof

图4 急倾斜煤岩体宏观缺陷地质雷达全地层扫描结果Fig.4 Scanning results of macroscopic defects in the mine-void roof

图4(a)为东翼43#煤层回采工作面顶板煤岩体宏观地质缺陷扫描结果：垂向0～20 m范围内，同相轴分布首先不均匀且发生明显错动，振幅波动显著，但电性差异性较小，表明此范围煤岩体已出现破坏，宏观裂隙场已形成，但未出现明显的介电常数异常区域，因而煤岩体仍处于稳定状态；垂向20～35 m岩体结构(A区域)能量吸收显著，同相轴分布不均匀且发生明显错动，其振幅明显增加，波形杂乱；电磁波能量衰减快，特别是高频部分衰减较快，自动增益梯度较大，表明煤岩体已发生破碎，宏观裂隙场逐渐形成，但由于煤岩体间的相互作用，导致裂隙多处于压密状态，煤岩体仍旧稳定；垂向35～60 m范围内的煤岩体未收到开采扰动影响，介质较均匀，电磁波衰减缓慢，探测距离远且规律性强，且没有明显的反射界面；局部存在强反射细亮条纹，为原始地质作用所形成的地质异常区域，整体波形均匀，无杂乱反射。分析表明：东翼43#煤层回采工作面采空区顶板煤岩体基本处于失稳后的再稳定状态，开采后形成宏观裂隙场，但未发生大面积垮落，采空区顶板煤岩体处于悬顶状态。图4(b)为西翼45#煤层回采工作面顶板煤岩体宏观地质缺陷扫描结果：从雷达探测图像中可看出探测区域内煤岩体的介质反射波形均匀，无杂乱反射，形成低幅反射波组，自动增益梯度相对较小；能量团分布也均匀，说明此范围内采空区顶板煤岩体较完整；垂向10～35 m测程范围内，图4(b)中B区域内煤岩体出现离散式高强能量反射，但的波形总体均匀且同相轴连续，振幅很小，推断此处顶板煤岩体为破坏后再稳定状态，存在松散未压实的空洞，但未影响采空区顶板煤岩体的稳定性。

2.3 基于光学成像技术的宏观裂隙发育特征探测

应用光学钻孔摄像进行煤岩内部节理追踪，预测不良地质体特征。按照宏观裂隙的不同倾向对裂隙进行分组统计，该钻孔内顶板煤岩体裂隙玫瑰图如图5所示，并确定该区域采空区顶板煤岩体的六个宏观观裂隙优势结构面方位角分别为：SE120～130°、SW240～250°、NW300～310°、NW340～350°、NE30～40°及NE60～70°。沿光学钻孔走向方向(x)与采空区顶板宏观裂隙数量(y)的定量化关系见下式。

上式可用于评价采空区顶板处煤岩体宏观裂隙发育演化机制，沿着光学钻孔走向方向，按照宏观裂隙数量大体可将煤岩体划分为3个区域：0～5 m为区域Ⅰ(煤岩体破碎区)，该区域内煤岩体中宏观裂隙数量增加显著、并逐步增至最大值；5～8 m为区域Ⅱ(煤岩体塑性区)，该区域内煤岩体宏观裂隙已进一步扩展，但宏观裂隙数量随距离增加出现反向地减少；8～10 m为区域Ⅲ(煤岩体弹性区)，判定该区域煤岩体较稳定，宏观裂隙已成形且裂隙数量随距离增加基本保持不变。

3 急倾斜煤煤岩体细观结构特征DR扫描

数字化X射线摄影系统(digital radiography,DR)扫描技术很好地解决了急倾斜特厚煤层内部细微观裂纹演化规律的研究问题。针对急倾煤岩体细微观结构特征的DR扫描在实现无损监测的基础上，实时获取煤岩体内部裂纹的时空演化规律，具有不可比拟的技术优势。对乌东煤矿北采区煤岩体运用DR细微观扫描方法，现场获取乌东煤矿北采区采空区顶板处煤岩体。分别对煤岩体中6个随机位置处在三维方向(XYZ方向)上的细微观结构特征进行扫描，扫描结果见图6。

在90 kVp、320 mA、100 ms测试条件下，X射线均完全穿透煤体试样(图6(a))： 煤体试样各向差异性显著，存在大量细微观尺度预生微观裂纹；此外，扫描图像中煤体内出现强对比区域，初步判定为相对原子质量大的物质；后期对异常区域的物质成分进行分析，判定含Fe、S元素，外观呈暗黄色，属吸附型硫化物。图6(b)为岩体试样的扫描结果，测试条件为150 kVp、320 mA、50 ms。该实验条件下，X射线均完全穿透岩体试样，相比较煤体试样，岩体试样的预生微观裂隙数量明显较少，岩体试样的各向异性小，岩体试样成分组成仍旧存在差异，经过后期的物质成分分析，多掺杂泥岩或泥质砂岩，致使岩体试样的胶结程度更佳。

综上可以看出：乌东煤矿北采区采空区顶板处煤岩体在成岩过程中，细微观组成成分差异小、原生裂隙少、含一定量高强度的胶结物质等因素决定其宏观力学强度大，尤其是在上述的特殊地层赋存状态及开采条件下，并且急倾斜煤岩体所受载荷偏小，乌东煤矿北采区采空区顶板更易在大范围顶煤放出后形成大面积悬顶及大尺度顶板整体性的垮落，出现动力性冲击，直接影响采场的安全生产。

图5 急倾斜煤层采空区顶板宏观裂隙光学探测Fig.5 Optical observation of macroscopic cracks in the mine-void roof

图6 急倾煤岩体细微观特征DR扫描结果Fig.6 DR scanning results of microsopic and mescoscopic chacterisitcs of the steeply inclined coal-rock masses

4 结 论

1) 乌鲁木齐矿区所开采的急倾斜特厚煤层恰位于复杂地质构造区域，地质构造活动频繁，属地震多发区域，开采环境极其复杂，开采后顶板极易大范围悬顶及大尺度顶板整体性的垮落，小煤窑分布情况不明且动力灾害频发。

2) 综合分析结果表明：区域内采空区顶板的宏观结构较为致密、构造裂隙较少；急倾斜煤岩体多为破坏后再稳定结构，存在松散未压实的空洞，但不影响采空区顶板的稳定性，其宏观裂隙发育不明显；构建了急倾斜煤岩体宏观裂隙分布特征的统计模型，将采空区内急倾斜煤岩体大体划分为3个区域，分别为0～5.0 m破碎区、5.0～8.0 m塑性区、8.0～10.0 m弹性区。

3) 煤体试样各向差异性显著，存在大量微观尺度原生裂纹并夹含硫化物。岩体试样原生细微观裂隙数量明显较少，岩体试样的各向异性小且多掺杂泥岩或泥质砂岩等胶结物质，此为导致采空区顶板出现大面积悬顶及整体性垮落的主因之一。