基于关键层控制原理的淮南矿区煤岩动力灾害分析

2021-07-24甘林堂

煤矿安全 2021年7期

甘林堂

（淮河能源控股集团，安徽淮南 232001）

动力灾害的产生是由于采矿活动引起的，其危险源在于原位煤岩层中聚集了大量的弹性能量受采动影响释放。动力灾害发生后，关键硬岩层既是应力承载的主体，同时兼具承载应力转移的传递载体，叠加效应作用于周边煤岩体进而加剧了煤岩动力灾害强度。近年来，国内相关科研机构在煤矿开采过程中对采场上覆顶板关键层破断规律开展了大量研究，形成了系列成熟的关键层覆岩破断控制技术以及瓦斯运移控制技术[1]，而对原岩应力状态下受地球内部运动关键覆岩层控制软岩层弹性应力分布差异研究较少，前苏联学者布霍依诺·G提出的夹持煤体理论[2]没有持续研究，对形成动力灾害的机理、主次控制因素研究忽视了关键硬岩层的内在作用分析。现有针对冲击地压发生机理的研究，主要有强度理论[3]、刚度理论和能量理论[4]、“三准则”理论、冲击倾向性理论、变形失稳理论，但上述理论对冲击动力灾害的预测方法、相关参数及预防措施的可靠性均存在解释不清的地方，采取的防控措施也做不到精准施策。以淮南矿区的工程条件为基础，为此，以关键硬岩层为地球应力场的承载主体，分析了关键层控制形成煤层及上覆顶板弹性能富积区（应力集中区）机理，提出了基于关键层控制理论的防控煤岩体动力灾害措施，防止在一定范围内形成能量（应力）富积区，降低采掘作业空间动力灾害的始冲能量，从而防止煤岩动力灾害的发生。

1 淮南矿区煤岩层赋存概况

淮南矿区处于黄淮平原的南部，矿区煤层赋存为高瓦斯煤层群，8～15层可采煤层中主采的C13、B11、B8、B4煤层均为强突出煤层，煤层瓦斯含量为12～26 m3/t，煤层瓦斯压力最高达6 MPa。煤的坚固性系数为0.2～0.8，渗透率为0.001×10-15m2，煤体极松软，煤层透气性低。主采煤层普遍上覆厚硬岩关键层。如新庄孜矿主采C13煤层顶板砂岩直覆厚度14～20 m，平均18 m；主采B11b煤层顶板33 m范围内发育2层较厚的中砂岩，平均厚度分别为7.5、10 m；谢桥矿8#煤顶板向上10 m发育1层平均厚度15 m的细砂岩和石英砂岩，潘二矿4#煤顶板发育3.7～11.5 m砂岩，淮南矿区煤层综合柱状图如图1。

图1 淮南矿区煤层综合柱状图（局部）Fig.1 Comprehensive histogram of coal seams in Huainan Mining Area（for the partial）

2 关键层控制消除弹性能富积机理

地下煤岩层因自重和构造应力的存在，始终处于受力状态。当煤岩体的受力状态解除后，煤岩体变形恢复，贮存在煤岩体内的弹性能以对外做功的形式表现出来。真三轴应力状态下的煤岩体变形破坏全阶段的应力-应变曲线[5]如图2。

从图2中煤岩体应力-应变关系的前3个阶段也看出，原岩体随三轴应力值增大而应变增大，软弱煤岩体内储存的弹性能也越多。坚硬岩体受力变形破坏小，厚煤层因变形量大储存弹性能相对较多，而主要的厚硬岩层控制一定范围内相对软弱煤岩体弹性能分布，是其控制空间自重应力和水平应力承载的主体。淮南矿区的强突出煤层C13、B11、B8、B4均存在上覆厚硬关键层（图1），正是厚硬岩层的作用造成上述煤层采掘作业过程多次发生动力灾害。故把所提“主要的厚硬岩层”定义为主导动力灾害的关键层，也是这些关键层的作用促使形成下述文中所述动力现象几种特征。

图2 煤岩体变形破坏的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain relationship of rock mass

2.1 主关键层破断断层两侧弹性能的富积

煤矿井工开采大部分为多煤层开采，上覆覆盖硬岩基本顶关键层，故存在多层关键层，正常情况下关键层对下覆软岩（煤）作用形成的能量（应力）富积是均匀的，但由于煤岩体在不同区域存在赋存的差异，导致区域关键岩层的承载状态和促使煤岩变形的能力以及软弱煤层的变形量也有不同；同时受地球自转应力场作用，进一步加剧不同区域的应力集中程度和弹性能积聚差异。煤岩体弱断面屈服、破坏在平面上表现为硬岩关键层下的软弱煤岩体破碎产生裂隙，在垂面上则是水平应力促使承载主体的关键层产生变形，部分地段形成褶曲，大部分地段由于关键层变形量小的特征则形成断裂构造。褶曲构造为背斜时，关键层下煤岩体储存弹性能受关键层夹持控制往往产生应力集中区，褶曲构造为向斜关键层时，下部煤岩体储存弹性能情况则相反。硬岩关键层破断产生断层时，岩体贮存的弹性能向周边转移，造成构造破坏带两侧一定范围内关键层下覆煤岩体弹性能富积，弹性能富积区垂向应力和水平应力大幅提升，形成构造应力集中区，成为关键硬岩层板状结构的支撑点（带），是动力灾害易发区[6]。当存在多层坚硬岩层时首先是垂面方向上的下部较弱的岩层先行破断，周边集中应力随岩层的破断向外转移，最后破断的硬岩层破断前关键层控制的周边集中应力（能量）最为富集。因此把控制动力能量最为富积的岩层为主关键层，其他相对软弱的硬岩层为亚关键层。多层关键层的承载状态如图3。

图3 多层关键层控制作用承载状态示意图Fig.3 Schematic of the bearing state of control action of the multi-layer key layers

从图3可以看出，水平地应力作用形成断裂构造，促使形成断层两侧一定范围形成应力集中区，虽然应力集中区内垂直应力同时升高，较周边集中，但形成这种状况的主导作用是水平地应力，因此煤矿构造应力表现出的显著特征是水平地应力大于垂直地应力。同时可以看出，水平地应力作用形成断层构造促使产生能量（应力）富集的同时，由于关键层板状结构的承载状态和控制地应力分布的主导作用，垂直应力分布呈现出高低的不均衡性。淮南矿区-1 000 m以浅地壳运动水平地应力促使形成断层、褶曲构造如图4，淮南矿区地质异常体的形成正符合这一特征[7]。

图4 淮南矿区水平地应力形成地质异常体示意图Fig.4 Sketch of geological anomaly formed by horizontal in-situ stress in Huainan Mining Area

2.2 弹性能的富积引发动力灾害分析

淮南谢一矿望峰岗井正是位于图中阜凤断层带的八公山区范围，主井深956 m处揭13#煤突出事故，煤厚6.5 m；顶板为6～8 m厚的细砂岩基本顶关键层，突出点沿倾斜向上200 m处存在3条落差60～80 m的F13-5、F13-6、F13-7断层组，突出位置南偏西200 m正是垂直上述断层组的断裂方向，表现出水平构造应力垂直于断层面、应力方向指向断层面的反向。事故突出煤量2 153 m3，瓦斯量约2.9×105m3，12人遇难。按照突出时突出煤体以沿煤层倾斜上帮向上延伸30°或60°向外扩展计算，待掘井筒上侧27～38 m的突出煤体全部倾出于井筒中，动力灾害突出深度达38 m以上，反映关键层板状结构形成大构造的集中应力控制着较大范围的突出危险区域，应力集中最严重地段处于封闭式断层组200 m以远。

淮南矿区第2大突出动力事故潘二矿W2B组运输石门（4#煤）突出煤量1 433 t，事故地点处于F28（H＝30 m）、F68（H＝30 m）2个断层交叉处150 m以远。而淮南矿区141起突出动力事故在断层面处表现出频次多、以中小动力灾害为主。充分说明关键层控制下的封闭式断裂构造50～200 m以远的范围为关键层下应力最为集中（弹性能最富积）的区域，呈现流体态失稳[8]。矿井对该类关键层控制的断层带区域一定范围（一般建议以200 m以远产界）应划为禁采区或缓采区，否则必须采取强化防控冲击动力灾害措施。

2.3 连续关键硬岩层传转应力

原岩应力作用下张集矿1152（3）工作面轨道巷顶板垂直应力测试如图5。

图5 张集矿1152（3）轨道巷顶板应力转移变化分布图Fig.5 Distribution of stress transfer along the roof of 1152（3）r ail in Zhangji Mine

图5中横坐标-8～0 m段为8 m煤柱区域，0～5.2 m是煤巷。工作面煤巷开挖前后顶板的应力位置分布反映了顶板关键层承载集中区从8 m煤柱位置转移传递到煤壁26 m处，研究发现轨道巷掘进过程监测也有1处附近应力转移显现不明显的，分析是该处存在断裂构造，应力转移分散到顶板以远空间。可见顶板硬岩关键层是转移并控制开采层采场应力（能量）分布的主要因素。掘进工作面5～10 m范围为采动应力集中区。

开采扰动会改变原岩的应力状态。随采掘向前推进，超前应力向前方及周边转移形成采动应力集中区，在采掘作用应力集中区处诱发动力灾害[9-10]，如遇应力叠加则动力灾害将加剧扩大。重庆中梁山南矿+290 m水平南西二半抬高石门揭开西K10煤层多次动力叠加导致突出[11]过程也证实了这一规律。

3 控制关键层防治动力灾害措施

关键层控制一定范围内相对软弱煤岩体弹性能分布，控制应力集中区分布，决定了软煤层内弹性能积聚，因此关键层是突出动力灾害发生的主导因素。

3.1 防治原理

关键层破断形成断层构造带，断层构造带两侧一定范围弹性能最富积。构造带附近的能量富积（应力集中）极易发生动力灾害，且发生动力灾害时表现出断层落差越大，动力灾害表现越强烈。关键层控制下的水平地应力作用形成断裂构造，促使形成断层两侧一定范围形成应力集中区。

关键连续硬岩层也是传递转移关键层承载应力（能量）的载体，分析和试验研究均证实完整顶板会加大集中应力的形成及加剧灾害的扩大。为减轻工作面应力集中和防止动力灾害扩大应采取切缝措施切断应力传递途径。

3.2 防治措施

1）保护层区域开采卸压措施。开采保护层能解除应力集中和弹性能积聚，解除关键硬岩层或关键硬岩层上覆的其他荷载，因此动力灾害治理措施首选为开采下保护层，由于关键硬岩层下随着软岩层厚度增加，采场前方应力集中的峰值数值和位置都有远离采场的趋势[12]，宜选择关键层下60 m以远的煤（软岩）层先行开采。

2）区域卸压槽切顶措施。连续关键硬岩层是传递转移承载应力的传递载体，爆破和煤岩体水压致裂预裂切缝起到阻断连续顶板传递应力[13-16]，将应力转移到开采层更远以外的区域，阻止动力灾害应力叠。

3）划为禁采区或缓采区或采取其他有效强化防控冲击动力灾害措施。由于关键层板状结构形成大构造的集中应力控制着较大范围的突出危险区域，造成封闭式断裂构造50～200 m形成应力集中最严重（弹性能最富积）地段，动力灾害的危险性最大，且断层面附近50 m以内的动力灾害发生频次多、以中小动力灾害为主，也会严重威胁安全，因此应封闭式断裂构造200 m以内的范围划为禁采区或缓采区，对掘进作业必须穿过的应采取有效强化防控冲击动力灾害措施，如定向长钻孔水力压裂技术，通过定向长钻孔远程对封闭式断裂构造进行压裂破坏煤岩体产生裂隙，降低封闭式断裂构造能量的突然释放，可以大幅度减少煤岩动力灾害的发生频率和强度，有效的防控冲击动力灾害的发生。