倾斜煤层综放回采工作面冲击危险性研究

2020-02-24徐仁桂

煤炭工程 2020年2期

徐仁桂

(内蒙古煤炭科学研究院有限责任公司，内蒙古呼和浩特 010010)

我国煤炭资源的聚集和赋存规律千差万别，从各类地质条件中煤层可采储量所占比重可知，倾斜煤层所占比重为10.16%，急倾斜煤层所占比重为3.88%[1-4]。可见，虽然倾斜煤层所占比重较小，但矿井数量众多，煤质较好，具有重要的经济开采价值。据不完全统计，在全国20多处重点矿区内，存在倾斜煤层开采条件的矿井数量高达100多个，约占全国重点矿井数的1/6左右[5，6]。鉴于此，针对倾斜煤层工作面开采诱发冲击地压机理的研究[7，8]，对于冲击地压准确判识预警与针对性防治具有重要指导意义。

1 工作面冲击危险性评价

以17#煤层三四区二段工作面为研究对象，该工作面推进方向长1106m，倾斜方向长178m，煤层倾角28°～36°，平均倾角31.9°。采用综合机械化放顶煤工艺进行回采，采高3m，放顶煤高度8.93m，工作面采深686m。17#煤层及岩层顶板冲击倾向性测定结果见表1和表2。

表1 17#煤层冲击倾向性测定结果

注：DT为动态破坏时间；WET为弹性能指数；KE为冲击能指数；Rc为单轴抗压强度。

表2 顶板岩层冲击倾向性测定结果

根据采掘工作面周围地质条件影响冲击地压危险状态的因素及指数，确定冲击地压危险等级评定的指数Wt1=0.81；根据采掘工作面周围的开采技术因素对冲击地压的影响程度及指数，确定冲击地压危险等级评定的指数Wt2=0.39。三水平北17#煤层三四二段冲击地压危险状态整体定性评估综合指数Wt取最大值为0.81，评定为强冲击危险工作面。

2 “11.14”冲击地压事故原因分析

17#煤层三四区二段工作面回采初期，根据微震监测结果，于2018年11月14日3时22分，在三水平北17#煤层三四区二段工作面接收到一个1.17×104J的微震事件，位于工作面前方20m、回风巷下帮40.9m处，距煤层顶板40.49m，距工作面顶板54.25m，该大能量事件剖面位置关系如图1所示。

图1 11月14日大能量事件剖面图

“11.14”冲击地压事故发生后，技术人员立即对井下进行了核实，情况如下：

1)二段工作面回风巷超前段42m范围内碹皮大面积脱落，U型棚下帮侧卡子错口位移0.4m，巷帮最大移进量0.5m，U型棚向上帮侧挤压变形较大，单体中心柱向上帮倾倒位移1m。工作面超前替棚(7架)、木梁受巷帮移进挤压全部折断，上出口一根单体支柱受冲击破坏折断，超前段内三处开关位移倾倒。

2)工作面75—85组支架煤壁抛出煤块至支架前脚处，震动发生后煤壁片帮大块下滑至运输机头阻塞下出口通风，二段回风巷下帮侧采煤机截盘处瓦斯浓度为1.6%，回风流中瓦斯浓度为0.6%，第97组支架四柱安全阀全部卸载损坏。

3)地面值班人员均感到轻微震感。

3 工作面冲击地压的微震多参量时空监测预警

3.1 时间上定量描述目前的冲击危险状态

根据17#煤层三四区二段工作面回采初期微震监测数据(2018年11月1日—2018年11月21日)，统计得到在该段时间内日总能量、日平均能量以及日最大能量的变化规律，如图2所示，冲击地压动力灾变的能量触发条件如图3所示。由图2中微震数据变化规律，并结合图3中关于冲击地压动力灾变的能量触发条件[9，10]，可对“11.14”强矿震产生的时间历程进行分析总结，具体分析如下：

图2 “11.14”强矿震前后矿震能量变化规律

1)11月8日在该工作面接监测到2次103J的微震事件，因此在图2(a)中可以看到11月8日的日总能量值较高，达1.69×104J。而11月14日发生强矿震时的日总能量值较11月8日要小，为1.30×104J。

培养基：PDA培养基：马铃薯200 g、葡萄糖20 g、琼脂20 g、马铃薯去皮，切成块煮沸30 min，然后纱布过滤，再加糖及琼脂，融化后补足水至 1000 mL，121 ℃灭菌30 min，液体培养基不加琼脂。

2)由图2 (b)中可以看出11月8日的日平均能量值为3.68×102J，而11月14日的日平均能量值为6.52×102J，较11月8日的日平均能量值几乎大一倍，而总能量却较11月8日要小。这说明11月8日的微震活动较11月14日要频繁，小能量事件居多(压制能力RE>RE0，扰动强度DIRE0，扰动强度DI>DI0，不能定能量E>E0)，诱发了此次“11.14”强矿震显现。

3)由图2(c)中可以看出11月8日的日最大能量为8.90×103J，而11月14日的日最大能量为1.17×104J。11月14日产生的大能量事件更容易诱使煤岩体积累了超过发生突发性灾害所需要的不稳定能量E0，同时又产生了强度大于DI0的初始启动扰动，进而瞬间失稳破坏并诱发了此次强矿震。

4)在“11.14”强矿震事件显现前，在11月12日出现了一次小的矿震能量升高期，日最大能量为2.86×103J，此后紧接着于11月14日在工作面及回风巷超前段发生了强矿压显现事故。可见在“11.14”强矿震事故发生前3d，存在矿震能量小幅度“升—降”的波动变化过程。

图3 冲击地压动力灾变的能量触发条件

3.2 空间上精准识别冲击危险区域及等级

倾斜煤层水平投影位置偏差示意图如图4所示，由图4可知，倾斜煤层工作面开采期间，当其上覆岩层中存在一微震信号源A时，其在工作面上的垂直投影位置A1位于工作面的上侧，而其在工作面(水平投影)上的垂直投影位置A2基本位于工作面(水平投影)的中间位置处，两者水平间距偏差为S。因此，在对冲击危险区域进行空间上精准识别时，要考虑煤层倾角引起的在工作面(水平投影)上垂直投影位置的偏差影响。

图4 倾斜煤层水平投影位置偏差示意图

“11.14”强矿震前后微震能量云图演变规律如图5所示，由图5(a)可知，11月8日能量密度云核心区已经开始显现，且核心区显现位置坐落于工作面上侧；由图5(b)可知，11月14日能量密度云以核心区为中心加速扩展，并在工作面前方形成了高强度能量密度云。围岩应力和能量在发生转移和释放的同时，裂纹也在不断扩展，最终在能量密度云的边缘部位产生了1.17×104J的强矿震。大能量事件往往发生在成核区的边缘，而不是成核区中心。基于室内实验及现场监测结果证实：岩爆、冲击地压(或大破裂)发生于微破裂集结区边缘这一现象是客观存在的，并非个别现象，是岩体破坏过程中固有现象。这是由于众多微破裂活动造成事件集结区能量耗散应力松弛，出现应力转移，导致事件集结区边缘形成高应力集中，储存大量可释放能量，使岩体处于临界稳定状态。原有和新生微破裂进一步扩展，事件集结区边缘原有能量平衡系统被打破，从而导致围岩储存能量突然释放。由图5(c)和(d)可知，此次“11.14”冲击地压事故发生后，后续工作面回采期间，能量密度云以成核区继续向前扩展，在工作面上侧前方煤体中形成了一定范围的中等强度能量密度云。

图5 “11.14”强矿震前后微震能量云图演变规律

4 倾斜煤层开采动静载叠加诱冲分析

4.1 静载荷作用

由于17#煤层三四区二段工作面回风巷掘进期间顶煤完整，两帮无明显变形，且未接收到大能量震动，而在回采初期，还未开采至初次来压及一次见方位置时，就发生了“11.14”冲击地压事故，且冲击显现位置主要位于二段回风巷超前段(42m范围)以及工作面上端头处(75—85组支架处，第97组支架处)，这是由于二段工作面回采期间，受邻近采空区侧向残余支承压力和本工作面超前支承压力叠加的影响，易在工作面上端头L形区范围内形成较高的集中静载荷。

通过对煤层倾角为30°时工作面开采期间工作面内的应力演化特征进行数值模拟，能够很好地对工作面内超前支承应力分布情况及演化特征进行分析。采用FLAC3D软件[11，12]建立三维计算模型，模型长×宽×高=450m×200m×180m；模型边界条件为左右两侧边界施加水平约束，底部边界施加垂直约束；计算时模型采用Mohr-Coulomb强度准则作为煤岩体材料屈服判据。根据现场地质调查和相关岩石力学试验结果，并考虑矿山岩体的尺寸效应，数值模型计算中所用的岩性参数见表3。

表3 模型岩性力学特性参数

模型计算步骤为：①计算原岩应力→②开采邻近工作面形成采空区→③本工作面两侧巷道掘进→④本工作面回采，数值模拟结果如图6所示，从图6中可以看出，倾斜煤层开采情况下，工作面上侧超前段范围内易形成小范围的高应力集中，这为动静载叠加诱发冲击地压创造了先决条件。

图6 煤层倾角30°时工作面回采期间垂向应力分布云图

4.2 动、静载荷叠加作用

当工作面后续回采期间，随着采空区低位顶板岩层的垮冒，其上方的高位岩层在工作面推进至达到其悬顶极限破断步距时，如初次来压、周期来压、一次见方、二次见方、三次见方等期间，也会发生破断而形成强烈的远场应力扰动。远、近场应力扰动与工作面采掘空间周围煤岩体中的高应力集中叠加，在动静载叠加作用下极有可能诱发冲击地压[13-15]，如图7所示。

图7 倾斜煤层条件下动静载叠加诱发冲击示意图

17#煤层三四区二段工作面回风巷掘进期间未出现明显的矿压动力显现，而回采初期却发生了严重的冲击地压事故，且破坏位置主要在工作面上端头超前工作面一定范围的巷道内。说明巷道掘进期间引起的应力集中与相邻工作面侧向支承应力叠加不足以诱发冲击地压，而当与二段工作面回采引起的超前应力叠加时形成了高集中的静载荷，并受回采引起的顶板运动、断层滑移等动载荷扰动影响，导致了“11.14”冲击地压事故的发生。因此，该倾斜煤层工作面后续回采阶段，要做好工作面回风巷超前段的卸压防冲工作，进而对冲击地压的防治起到预警的效果。