倾斜煤层内走向工作面开采诱冲机理研究

吕传庆

(晋城宏圣建筑工程有限公司，山西 晋城 048000)

我国煤炭储量丰富，赋存地质条件多样，在开采过程中，常受到断层、褶曲等地质构造的影响，导致煤炭资源开采条件复杂化[1-2].褶曲构造往往伴随着地壳的运移而形成，其翼部特殊的构造形态将会导致煤层赋存倾角的多变。褶曲轴两翼部区域内的煤体进行开采时，褶曲翼部的倾角随着靠近翼部区域而逐渐趋于水平，而远离翼部区域的位置倾角较大，这也导致了煤层开采后顶板覆岩破断结构和应力集中与煤层倾角变化相关。因此，针对翼部区内工作面开采诱发冲击机理，需要更多地考虑煤层倾角的变化特性，进而提出相应的防治方法。

1 “11.14”冲击地压事故

山西晋能能源控股集团所属某矿目前开采的东翼三四采区为一向斜构造区的翼部区域，整个采区内煤层沿倾向的倾角起伏为28°～36°，平均倾角为32°.三四采区内主采5#煤层，厚度为7.6～12.2 m，平均厚度为9.9 m，采用综采放顶煤开采工艺，采高为3.5 m，放顶煤高度为6.4 m，采放比为1∶1.8.煤层上覆岩层从下向上依次为泥岩层(1.6 m)、粉砂岩层(5.2 m)、炭质泥岩层(2.2 m)、细粒砂岩层(3.8 m)、粗砂岩层(6.7 m)和细砂岩层(8.9 m).

三四采区内工作面沿倾向从上向下开采，目前所开采的第二个工作面为三四采区二段工作面，其上侧一段工作面已经开采完毕，为邻近采空区。当对二段工作面进行回采综放作业时，于2018年11月14日发生了一起严重的冲击地压事故，造成工作面内多处液压支架压架、倒架，导致沿空侧二段回风巷超前段内超前单体支柱折断、围岩变形严重等，并有若干作业人员受伤。事故发生后现场典型破坏情况见图1.

图1 现场典型破坏调研情况

事故发生后，结合该矿安装的SOS微震监测系统[3]对“11.14”冲击地压事故发生时的微震能量事件进行定位，定位结果见图2.

图2 微震能量事件定位结果图

由图2a)可知，“11.14”冲击地压发生时，在工作面中部前方位置处微震能量事件较为密集，说明工作面前方煤体受超前支承应力影响塑性变形释放能量，但微震能量事件的能量值整体较小，控制在104J以下。由图2b)可知，“11.14”冲击地压发生时，在工作面上方基本顶内存在一较高的微震能量事件，能量值为1.17×104J，且该能量事件位置靠近二段回风巷侧，进而在一段工作面采空区所形成的侧向支承应力和超前支承应力(静载荷)以及采空区上覆岩层中基本顶破断所形成的较高微震能量事件(动载荷)共同作用下，造成了“11.14”冲击地压事故的发生。

2 倾斜煤层开采诱冲机理分析

2.1 物理相似模拟分析

结合三四采区内二段工作面的工程地质背景，采用物理相似模拟按照1∶200的比例在实验室内铺设物理相似模型，实现对于二段工作面回采期间覆岩运移规律的相似模拟，见图3.

图3 二段工作面回采期间物理相似模拟结果图

由图3a)可知，二段工作面上覆岩层沿走向呈现对称式梯形破断，整体破断角为α.其中破断覆岩中低位岩层呈现出垮落破断形式，而高位岩层则以离层变形为主。由图3b)可知，二段工作面上覆岩层沿倾向同样呈现梯形破断形式，但是破断后所形成的轮廓为非对称式梯形。其中沿倾向上侧破断的高度较大，而下侧破断的高度较小，这是因为低位岩层垮冒后，将会沿着倾向在重力作用下向下滚落，导致沿倾向上侧采空区悬空区更大而造成的[4].这也意味着上侧覆岩中高位坚硬顶板更容易发生破断形成强动载荷，进而对沿空侧的二段回风平巷造成剧烈动载扰动影响。

2.2 数值模拟分析

同样结合三四采区内二段工作面的工程地质背景，采用FLAC3D软件按照1∶1的比例建立三维数值模型，并通过计算机的模拟运算对二段工作面回采期间覆岩应力临界线演化规律进行分析。其中覆岩应力临界线可以看作是随着工作面的回采推进，覆岩结构稳定时判别系数η为0的等值线，其计算公式如下：

(1)

式中，σ0表示工作面未回采时覆岩中的应力值；σ1表示工作面回采推进后覆岩中的应力值。

根据数值模拟运算结果，并结合式(1)，可以求出判别系数η等于0时的等值线图，见图4.

图4 二段工作面回采期间覆岩应力临界线演化规律图

由图4a)可知，随着二段工作面沿着走向的推进，其上覆岩层中的应力临界线逐渐向高位岩层扩展，但整体上保持着对称性的梯形状态，这与物理相似模拟结果一致。由图4b)可知，随着二段工作面沿着走向的推进，其上覆岩层中的应力临界线同样逐渐向高位岩层扩展，但是整体上呈现出非对称性的梯形状态，这也与物理相似模拟结果一致。同时从图4中可以看出，伴随着二段工作面的回采推进，高位岩层破断更容易出现在靠近二段回风巷侧，这意味着二段回风巷更容易受到高位岩层破断所形成的剧烈动载扰动影响。

2.3 动静载叠加诱冲分析

结合物理相似模拟和数值模拟分析结果，建立二段工作面回采期间的动静载叠加诱冲机理模型，见图5.

图5 动静载叠加诱冲机理模型图

由图5可知，随着二段工作面的回采推进，其上覆岩层内的低位较坚硬顶板将会先发生破断，进而形成扰动较小的近场应力扰动σdn，其对工作面的回采扰动影响较小，可视作常规的小能量微震事件。随着工作面的进一步回采推进，采空区上方高位坚硬顶板也将会随之发生破断，进而形成强烈的远场应力扰动σdf，而沿空侧巷道围岩受邻近采空区的侧向支承应力与本工作面的超前支承应力叠加影响，将会在巷道两侧煤岩体中形成高应力集中σj1和σj2，可见远场动载荷以弹性应力波的形式向沿空巷道围岩中受高集中应力影响的区域传播时，将会与巷道围岩中的高集中静载荷叠加，进而在动静载荷的叠加效应下诱发冲击地压事故。关于动静载叠加诱发冲击机理[5-6]的计算公式如下：

(2)

(3)

式中,σdf为工作面上覆高位岩层破断所形成的远场扰动载荷；σj1为沿空巷道实体煤侧所积聚的高集中静载荷；σj2为沿空巷道煤柱侧所积聚的高集中静载荷；σmin为巷道周围煤岩体失稳破坏所需要的最小临界载荷；E为煤岩体的平均弹性模量。

根据式(2)或(3)可知，动静载叠加作用下，当沿空巷道周围煤岩体内积聚的能量超过煤岩体失稳破坏所需要的临界最小能量时，煤岩体将会在一瞬间失稳而发生冲击地压事故。

3 倾角对沿空巷道围岩应力演变影响分析

基于上述采用FLAC3D软件按照1∶1的比例建立的三维数值模型，选用煤层倾角为0°、15°、30°和45°四种情况分别进行数值模拟，揭示不同煤层倾角情况下沿空巷道围岩应力的演变规律情况，数值模拟结果见图6，图7.

图6 不同煤层倾角条件煤柱侧垂直应力演变规律图

图7 不同煤层倾角条件实体煤侧垂直应力演变规律图

由图6可知，煤柱侧垂直应力集中程度随着煤层倾角由45°向着0°减小而减小，峰值应力由86.18 MPa减小至57.53 MPa，降幅高达33.2%，这意味着在较小的煤层倾角条件下，沿空侧护巷煤柱承载的支承应力将会大幅减小，进而降低其诱发冲击地压的可能性。

由图7可知，实体煤侧垂直应力集中程度随着煤层倾角由45°向着0°减小而增大，峰值应力由43.67 MPa增大至136.59 MPa，增幅高达212.8%，这意味着在较小的煤层倾角条件下，沿空巷道实体煤侧煤体承载的支承应力将会大幅增加，进而增加其诱发冲击地压的可能性。

结合图6和图7所示垂直应力随煤层倾角变化的演化结果可知，随着煤层倾角由45°向着0°减小变化，沿空巷道煤柱侧诱发冲击地压的可能性逐步降低，而实体煤侧诱发冲击地压的可能性逐步增加，因此针对不同煤层倾角条件下的沿空巷道要有相应的防冲措施。

4 结 论

1)倾斜煤层开采条件下，上覆岩层沿倾向破断后所形成的轮廓为非对称式梯形，其中沿倾向上侧破断的高度较大，而下侧破断的高度较小。伴随着二段工作面的回采推进，高位岩层破断更容易出现在靠近二段回风巷侧。

2)动静载叠加作用下，当沿空巷道周围煤岩体内积聚的能量超过煤岩体失稳破坏所需要的临界最小能量时，煤岩体将会在一瞬间失稳而发生冲击地压事故。

3)随着煤层倾角由大向小变化，沿空巷道煤柱侧诱发冲击地压的可能性逐步降低，而实体煤侧诱发冲击地压的可能性逐步增加，因此针对不同煤层倾角条件下的沿空巷道要有针对性的防冲措施。