多因素耦合诱发孤立煤体冲击地压机理研究

陈 洋董春雨于海峰文志杰

(1. 北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083； 2. 华北科技学院 安全工程学院，河北 廊坊 065201；3. 山东济宁运河煤矿有限责任公司，山东 济宁 272055； 4.山东李楼煤业有限公司，山东 菏泽 274700； 5. 山东能源集团有限公司，山东 济南 250014； 6. 济宁矿业集团公司安居煤矿，山东 济宁 272059； 7. 山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590)

随着我国煤矿逐步进入深部开采阶段，所面临的问题与浅层开采有着很大不同[1-3]。煤矿在深部开采时发生冲击地压事故的机率大大提高，我国学者在煤矿冲击地压事故的发生机理、防治方法等方面取得了较多研究成果[4-9]。矿井深部开采时在高地应力作用下，遭遇断层、沿空开采与形成孤立煤体等情况时，受开采扰动易发生冲击地压事故。在沿空开采方面，姜福兴等[10]分析了决定深部开采沿空巷道冲击危险性的关键因素；姜耀东等[11]基于地应力测量和三维建模技术探索了一种确定构造应力区沿空巷道合理窄煤柱宽度方法。断层影响方面，姜福兴等[12]研究了巨厚砾岩与逆冲断层控制下特厚煤层工作面冲击地压致灾机理；李康等[13]认为断层、侧向顶板结构以及顶板周期破断是影响矿震发生的主要原因；杨伟利等[14]分析了断层构造应力和临断层采动工作面上覆岩层运移对冲击地压的影响；曹明辉等[15]利用数值模拟方法研究了工作面沿断层走向推进时，断层煤柱宽度的大小对断层活化失稳与断层内部能量变化的影响；Jiao等[16]通过对义马煤层断层附近的围岩研究发现，断层附近围岩发生冲击地压的风险与矿体埋深呈正相关。孤立煤体开采方面，王高昂等[17]研究了深井大巷切割形成孤立煤体整体失稳诱发冲击地压机理；李东等[18]分析了两工作面之间间隔大煤柱一侧工作面回采完毕、另一侧工作面进行回采时冲击地压发生机理；宋艳芳[19]等针对煤矿冲击地压发生具有滞后性的特点，采用解析分析方法建立了孤立煤柱蠕变失稳理论；Shen等[20]通过对某矿11061工作面孤立煤体的研究，提出使用大直径钻孔与松动爆破等手段综合控制冲击地压灾害的方案。

众多学者对深部矿井煤层沿空开采、遇断层开采、孤立煤体开采等问题进行了大量研究，但对煤层受采空区、断层联合影响形成孤立煤体发生冲击地压事故的研究较少，故本研究以某矿“2·22”冲击地压事故为背景，采用数值模拟的方法分析工作面在采空区、断层的影响下，孤立煤体的应力、塑性区演化、孤立煤体开采至“见方”时在侧向支承应力、超前支承应力与断层附近应力集中区域叠加影响下的应力集中分布情况，揭示此类孤立煤体的冲击地压发生机理，为此类工作面的安全回采提供依据。

1 事故分析

1.1 工作面概况

某矿2305S综放工作面位于-810水平二采边界下山以北，东为正在准备的2306S工作面，西为开采完毕的2304S工作面，工作面平均埋深980 m，工作面走向长度2 294.5 m，倾斜长度270 m。FD8断层位于工作面北部，主要位于三联巷以北，为正断层，三维地震解释断层落差为0～15 m，倾角70°，倾向NW，走向NE，断层在工作面延展长度720 m。FD11断层位于工作面中部，为正断层，倾向E，走向近NS，断层落差0～15 m，断层面倾角70°，断层在工作面延展长度750 m。工作面与断层分布示意如图1所示。本工作面开采煤层为3煤，煤体抗压强度为17.4 MPa。煤层直接顶为8.73 m厚的砂岩，老顶为11.06 m厚的中粒砂岩，直接底为0.35 m厚的泥岩，老底为2.52 m厚的粉砂岩。经鉴定，煤层和顶底板均具有弱冲击倾向性。

1.2 事故概况

2305S工作面推采至250 m时，发生了“2·22”冲击地压事故。经现场事故勘查，事故区域为2305S工作面上平巷自上端头10 m以外420 m，三联巷66 m，合计486 m，工作面受事故破坏区域范围如图2所示。事故造成的破坏详见表1。

图1 2305S工作面分布情况Fig. 1 Distribution of 2305S working face

表1 事故所造成的破坏Tab. 1 Damage caused by the accident

图2 事故造成的破坏区域范围Fig. 2 Damage area caused by the accident

2305S工作面布置了KJ551微地震监测系统，微地震监测系统布置方式为：上、下巷距切眼60、120、180和240 m处设置4组顶板检波器测站；上、下巷距切眼90和210 m处设置2组底板检波器测站，允许误差范围±1 m。根据工作面推进速度随撤随安装，保证不少于6组测站正常运行。同一巷道的检波器采用顶、底板交叉布置。在事故发生前的2月22日6点17分，微震监测到距工作面面前90 m，上巷以下31.2 m处发生能量达4.2×107J的大能量事件，并引发3级矿震。事故发生后，工作面区域微震事件持续发生，但是其能量大小相比事故发生时微震事件大为降低，主要集中发生在工作面面前160 m至工作面面后80 m范围之间，少量微震事件分布在2304S采空区。其发生时间、数量、位置详见图3。

图3 事故发生后工作面微震事件分布图Fig. 3 Distribution map of microseismic events at working face after the accident

图4 数值模拟计算模型Fig. 4 Numerical simulation calculation model

2 应力与塑性区演化数值模拟

以某矿2305S工作面为背景，利用FLAC3D数值模拟软件模拟2305S工作面从开挖到发生冲击地压事故期间的应力与塑性区演化规律。模型长×宽×高=900 m×700 m×120 m，模型顶部为应力边界，模型四周和底部施加位移约束，数值模拟模型见图4。为模拟埋深980 m煤层的初始受力情况，模型顶部施加22.5 MPa的垂直应力作为均布载荷替代上覆岩层重量；为模拟工作面受FD8正断层的影响，在模型水平方向施加垂直方向上最大梯度变化为11.25 MPa的应力，模型采用interface建立接触面模拟FD8正断层。模型计算采用Mohr-Coulomb准则，物理力学参数见表2。

表2 模型各层的岩石物理力学参数Tab. 2 Each layer of rock physical and mechanical parameters in model

2.1 FD8断层与2304S采空区对应力分布的影响

FD8断层为正断层，2305S工作面未开采时，断层处于未活化状态，在煤层上盘靠近断层一侧形成宽度约80 m的应力集中区域，但应力集中系数较低，仅为1.12左右，应力集中区域分布见图5。

2034S采空区走向长度超过2 000 m，但事故发生时，2305S工作面仅沿2304S采空区开采约145 m，因此为控制数值模拟模型大小，模型中2304S采空区走向长度缩短为350 m。因受2304S工作面采空区的影响，2305S工作面采空区一侧煤体会承受侧向支承应力，为探究侧向支承应力与超前支承应力的影响范围与大小，在数值模拟计算模型上布置侧向支承应力监测线与超前支承应力监测线，布置位置如图6。

图5 断层附近应力分布Fig. 5 Stress distribution near faults

图6 应力监测线布置位置Fig. 6 Layout position of stress monitoring line

如图7所示，随着距采空区距离的增加，采空区侧向支承应力急剧增加，在距采空区约30 m处达到峰值55.81 MPa，此处应力集中系数为2.28。随着距采空区距离的继续增加，侧向支承应力逐步下降，但受2304S采空区与FD8断层的叠加影响，侧向支承应力仍在煤层原始应力之上。在经过FD8断层后，受断层影响，侧向支承应力突然下降约3 MPa，之后逐渐恢复到煤层原始应力大小。

侧向支承应力在断层处出现突然下降，且在断层下盘附近，煤层所受应力略小于煤层原始应力。随着与断层距离的增加，煤层所受应力逐步恢复为煤层原始应力大小。这种现象证明断层阻碍了侧向支承应力的传播，且造成断层上下盘所受侧向支承应力在断层附近波动较大。

图7 侧向支承应力影响范围与采空区侧向支承应力曲线Fig. 7 Influence range of lateral bearing stress and the curve of lateral bearing pressure in goaf

2.2 工作面推采的应力演化分析

数值模拟计算2305S工作面断层上盘部分推采10、50、105、150、200和250 m时的应力分布状态，分析工作面在推采时超前支承应力演化过程。

如图8所示，2305S工作面推采10 m时，由于开采范围较小，距2304S采空区距离较远，工作面超前支承应力较小，受采空区侧向支承应力影响也较小。2305S工作面推采50 m时，随着开采范围的扩大、与2304S采空区距离逐渐减小且工作面开始经过断层，工作面上平巷端头前方附近开始出现应力集中现象，但应力集中程度较小。推采到105 m时，到达2304S工作面切眼位置，2305S工作面开始进入沿空开采阶段。此时，由2304S采空区、FD8断层与2305S工作面推采形成的采空区在断层上盘形成了孤立煤体，孤立煤体应力峰值在工作面超前45 m处，峰值应力为52.23 MPa，应力集中系数为2.13。当2305S工作面推采到150 m时，工作面超前支承应力峰值在工作面超前39 m处，峰值应力为63.67 MPa，应力集中系数为2.60。当工作面推进到200 m时，随着孤立煤体的面积减小，应力集中加剧，应力峰值在工作面超前40 m处，达到67.60 MPa，应力集中系数为2.76。当工作面推进到250 m处，冲击地压事故发生。此时，应力峰值在工作面超前41 m处，峰值应力为70.96 MPa，应力集中系数为2.90。推采全过程中，断层下盘应力分布未见大的变化，整体应力大小为煤层原始应力。由图9可知，随着工作面的推进，超前支承应力峰值在工作面推采10～150 m阶段增加较快，在推采150～250 m处时，虽然超前支承应力峰值仍在增加，但是增长幅度较小。

2.3 工作面推采时煤层塑性区演化

如图10，在工作面开采初期，工作面塑性区主要分布在工作面周围20 m范围内。当工作面推采到沿空开采阶段时，受采空区侧向支承应力与工作面超前支承应力的叠加影响，煤层塑性区分布范围增大，由工作面前20 m增加到工作面前25 m的范围，且此时工作面上平巷端头附近开始出现三角形塑性区。随着工作面逐步推采到冲击地压事故发生区域，塑性区范围逐步扩大到工作面前30 m处，三角形塑性区范围也在逐步增大。由前文工作面超前支承应力演化分析可知，工作面超前支承应力的峰值在工作面超前40～45 m附近，而工作面前方煤层塑性区范围随着推采的进行不断增加。

图8 工作面推进过程中超前应力分布情况Fig. 8 Advance stress distribution during the advancing process of working face

孤立煤体在开采过程中面积不断减小，使得孤立煤体中塑性区范围所占比例越来越大，影响工作面推采的安全性。断层下盘塑性区范围很小且随工作面的推采范围不会增加，说明断层对塑性区的演化有着阻隔作用。

3 冲击地压发生机理

3.1 多因素形成孤立煤体造成应力集中

从应力演化图来看，当2305S工作面没有推采到沿空开采时，超前支承应力与断层影响叠加所形成的应力集中区域并不明显，此时工作面沿断层附近应力分布没有明显变化，表明断层并未活化，工作面推采较为安全。2305S工作面在推采50 m时经过FD8断层，工作面与断层交界处附近应力分布出现变化，断层附近出现应力集中，表明断层在开采扰动下开始活化。工作面推采105 m时进入沿空开采阶段，此时，由2304S采空区、FD8断层以及2305S工作面推采形成的采空区在断层上盘一侧形成了三角形孤立煤体。孤立煤体在推采时受采空区侧向支承应力、工作面超前支承应力以及断层活化的叠加影响。随着工作面推采的不断进行，孤立煤体的体积不断减小，但其所受总应力不变，使得孤立煤体单位应力随着工作面的推采不断升高。当工作面推进到冲击地压事故发生位置时，数值模拟显示该工作面超前支承应力峰值达到70.96 MPa，而煤层抗压强度仅17.4 MPa，应力集中系数达4.078，这就使得煤层在受开采扰动时极易发生冲击地压事故。

图9 不同推采距离超前支承应力曲线Fig. 9 Advance support stress curve for different pushing and mining distances

图10 工作面推进过程中塑性区演化情况Fig. 10 Evolution of the plastic zone during the advancement of the working face

3.2 工作面推采至“见方”与大能量微震事件诱发冲击地压

2305S工作面倾斜长度为270 m，随着工作面的逐步推采，工作面斜长不变，走向长度不断增加，当工作面走向长度与倾斜长度相等时，工作面“见方”。事故发生时，工作面已处于“见方”状态。从应力演化云图来看，当工作面推采至200 m时，工作面沿空侧超前应力集中区域范围减小，但应力集中程度更高，表明此时工作面已有“见方”显现。当工作面推采到250 m时，超前支承应力达到最大，应力集中程度达到最高，上下岩层运动高度达到最大，悬顶面积达到最大，“见方”效应明显。

2305S工作面直接顶由4层厚度0.8～4.4 m砂岩组成，老顶为11.06 m的中粒砂岩。由于坚硬顶板易形成悬顶、积聚大量弹性能，且工作面此时已“见方”，此时顶板来压时矿压显现剧烈，坚硬顶板聚积大量弹性能。受开采扰动等影响，坚硬顶板破断或滑移过程中，会突然释放大量弹性能而引发大能量微震事件。2月22日6点17分，在工作面前90 m、上巷以下31.2 m处，发生一起能量水平为4.2×107J的大能量微震事件，引发3.0级矿震。且在事故发生后，该工作面又发生了多次微震事件，虽然能量值相比事故发生时的微震事件大为降低，但主要分布在工作面前后。

由事故发生后微震事件的分布可以发现，事故发生后，顶板岩层持续不断地发生破断，坚硬顶板聚集的弹性能不断释放，但范围大都在工作面前后，这也说明事故发生时工作面上方顶板已聚集了大量的弹性能，受扰动时能量释放，引发冲击地压事故。

综上分析，2305S工作面由于2304S采空区、FD8断层以及2305S工作面推采形成了高应力集中的孤立煤体。而此时工作面“见方”，坚硬顶板积聚大量弹性能，受开采扰动，顶板破断引发大能量微震事件，在多因素的耦合作用下高应力集中的孤立煤体发生冲击地压事故。

3.3 地堑结构对冲击地压事故的影响

2304S工作面与2305S工作面之间存在沿工作面走向的两条断层FD8(落差15 m)和FD6(落差10 m)，两条断层切割工作面形成楔形地堑结构，位于2304S工作面采空区内地堑结构和位于2305S工作面孤立煤体的地堑结构具体位置如图11所示。2304S工作面回采后形成的侧向支承压力作用于2305S工作面前孤立煤体，使该区域应力集中；随着2305S工作面回采，工作面前孤立煤体的面积逐渐减小，单位面积承载的应力逐渐升高，回采时动载扰动使工作面前孤立煤体应力集中程度加剧；2304S工作面回采后，采空区也使得楔形地堑区岩层沿高倾角断层面滑移，挤压孤立煤体区域，造成2305S工作面孤立煤体应力进一步集中，多应力场在2305S工作面孤立煤体耦合，超过了煤体的承载极限，从而诱发冲击地压的发生。

图11 地堑结构分布区域Fig. 11 Graben structure distribution area

4 结论

对于断层横穿工作面的情况，工作面、采空区与断层形成的孤立煤体，随着开采的进行，孤立煤体的面积逐渐减小，单位面积上应力程度逐渐升高，此地质条件下极易发生冲击地压。研究发现此类孤立煤体发生冲击地压的原因主要有：

1) 数值模拟发现，千米深井沿空开采工作面所受采空区侧向支承应力影响范围大；采空区侧向支承应力峰值高，使得未开采工作面煤层沿空侧的应力集中系数大。

2) 工作面断层附近应力分布有着较大的波动。在正断层上盘，断层附近会出现沿断层走向分布的应力集中区域，在断层下盘，沿断层走向分布的区域内应力值会低于工作面初始应力。断层的存在会阻碍侧向支承应力、超前支承应力与塑性区的演化、传播。

3) 在开采由采空区、断层和工作面推采形成的孤立煤体时，随着工作面的推进，受侧向支承应力、超前支承应力与断层附近应力集中的叠加影响，再加上孤立煤体随着推采面积不断减小，孤立煤体单位应力不断上升，应力集中程度不断提高。2305S工作面推采至“见方”时，采空区一侧应力集中区域范围减小，但应力集中程度增大，可达70.96 MPa，应力集中系数达2.90。同时楔形地堑区岩层沿高倾角断层面滑移也使得孤立煤体应力进一步集中；在多因素耦合影响下，工作面发生冲击地压事故。