厚坚硬顶板工作面覆岩运动规律与采动应力分布研究

侯晓松,梁 超,刘士磊,牛世伟

(1.枣庄矿业(集团)有限责任公司 田陈煤矿,山东 枣庄 370400;2.枣庄市能源局,山东 枣庄 277020;3.山东科技大学 能源与矿业工程学院,山东 青岛 266590)

冲击地压是矿山开采中发生的煤岩动力现象,是聚集在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放,是煤矿重大灾害之一[1]。国内外专家在研究煤层上方覆岩结构时,发现采空区上方坚硬、厚层砂岩顶板是影响冲击地压发生的主要因素之一[2-3]。特别是对于存在坚硬厚层顶板的煤矿而言,工作面开采过程中存在发生高能量矿震的风险,尤其是大面积采空后,顶板产生大范围破断、运移,容易形成强矿震,严重时可能诱发冲击地压事故[4-8]。基于这一问题,窦林名等[9]从弹性能释放的角度分析了坚硬厚层岩层对发生冲击地压的影响,提出了用离层注浆的方法控制坚硬岩层。于斌等[10]以晋华宫煤矿坚硬厚层顶板条件为工程背景,通过理论分析与现场实测相结合,研究了厚层坚硬顶板的临界失稳条件、失稳方式、影响失稳的因素以及失稳的机理,提出了厚层坚硬顶板失稳控制的方法。刘长友等[11]根据大同矿区多采空区坚硬厚层破断顶板群的赋存条件,采用理论分析、相似模拟实验和现场实测分析相结合的研究方法,对多采空区破断顶板群结构的失稳规律及其对工作面来压的影响进行了研究探讨。

综上所述,对于坚硬厚层顶板工作面,覆岩运动规律及采动应力分布特征研究成果相对较多,但是研究的工作面没有冲击地压危险性。因此,针对具有坚硬厚层顶板的冲击地压危险工作面,覆岩运动规律及其采动应力分布特征的研究成果相对较少。田陈煤矿3下煤层7115工作面属于典型上覆坚硬厚岩层条件,研究田陈煤矿工作面覆岩运动规律及采动应力分布特征,对矿井防冲技术体系的建立和工作面的安全高效开采具有重要的指导意义。

1 工程概况

田陈煤矿3下7115工作面地面相对位于北副井东北约2 100 m,地表为农田,周边无建筑物,井下位于七一采区东翼,东侧靠近尹家洼断层(H=40～110 m,∠65～77°),西侧靠近邢寨断层(H=30～100 m,∠65°),北侧为3下7111工作面集轨。工作面标高为-749.4～-806 m,地面标高+56.24 m,走向长度为383 m,倾斜长度为140 m,面积为53 200 m2,所在煤层厚度为2.2～7.8 m,平均厚度4.16 m,煤层倾角5°～19°,平均12°,可采指数1.0,煤厚变异系数20.6%,煤层为稳定煤层,煤层上方60 m范围内分别存在厚度30.8 m和20.8 m的中细砂岩,且在煤层上方90 m左右存在厚度达63 m的砾岩层,属于典型的坚硬厚岩层,3下7115工作面平面布置图如图1所示,工作面采用单一走向长壁后退式采煤法,全部用垮落法处理采空区。

图1 3下7115工作面平面布置图

2 工作面覆岩运动规律

根据成岩时间与矿物组成成分的不同,井下各岩层之间的厚度、物理性质和力学性质存在很大的差异。工作面上方全部的坚硬厚岩层决定着采动岩体变形和破坏程度,它们在平面上形成一种类似连续梁的力学结构支承上部岩层,连续梁破断后变为砌体梁,同时梁的破断与岩层位移、工作面压力和地表沉陷存在密切关系。

由3下7115工作面钻孔数据和现场检测力学参数可知,关键层为工作面上覆厚层砾岩,结合工作面开采实际情况,厚层砾岩可作为弹性基础上的梁,根据Winkler假设,厚砾岩关键层的初次破断即为弹性岩梁的极限破断步距。根据梁的对称性,在支撑梁破断之前,可对二分之一的梁进行力学分析,通过平衡原理支撑梁的挠度方程[12-13],代入边界条件和连续条件即可得到弹性岩梁的极限破断步距,如式(1)所示:

(1)

开采煤层上方覆岩力学参数,见表1.把相关参数代入式(1)计算可得最大厚度为76 m的砾岩层在弹性基础上的极限破断步距约为43.5 m.

表1 岩石物理力学性质综合

工作面开采后,在矿山压力作用下,煤层上方悬露的顶板会发生垮落。由于垮落特征的不同,将上覆岩层的垮落分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。其中,弯曲下沉带的下沉范围直接影响着地表沉陷的范围,若采场采高过大,采深较小,弯曲下沉带影响范围就会较大,地表沉陷量也随之较大。此外,开采方式和岩体的碎胀性也影响着地表沉陷量。

由于顶板岩性为中细砂岩,用经验公式进行计算[14],可得工作面垮落带高度为25.22 m,导水裂缝带高度为65.14 m.

3 工作面采动应力分布规律

3.1 围岩支承压力分布规律

采场开挖后,煤层上覆顶板运动以岩层组为单位,其中关键层的运动决定岩层组的整体运动。由于采空区上方煤层上覆顶板均布载荷状态被破坏,致使顶板岩层载荷向采空区两帮转移,采空区以及采空区两帮煤壁同时支承顶板岩层载荷[15-16]。根据关键层运动规律和上覆岩运移特点,建立支承压力计算模型。分析田陈煤矿3下7115工作面中地质结构,经计算得出,田陈煤矿3下7115工作面采场倾向支承压力峰值大小约为40 MPa,峰值点到煤壁距离约为10 m,峰值影响范围约60 m;走向支承压力峰值出现在距煤壁25 m处,峰值约为51 MPa,支承压力传递范围可达到100 m.相对于传统走向支承压力特征,厚层砾岩层走向支承压力分布具有峰值位置距离煤壁距离远、影响范围大等特征。

3.2 支承压力在底板岩层中传播规律

工作面开采一定距离后,上覆岩层会对采空区和其一定范围内的煤体形成支承压力,支承压力不仅会在采空区前方煤体内集中,而且还会导致底板下岩层的应力重新分布[17-18],进而对下方的工作面产生影响。用应力增量的形式来表现重新分布的垂直压力,假设应力峰值位于煤壁前方12 m,在煤壁前方70 m左右应力保持相对稳定。参考文献[11]距煤壁60 m时应力保持稳定,参考文献[12]距煤壁12 m时应力保持稳定,参考文献[13] 距煤壁58 m时应力保持稳定。当x取-140～160 m,z取0～100 m,峰值应力集中系数k为3时,煤柱下方附加应力分布如图2所示。

图2 附加应力集中系数分布图

由图2可知采空区下方的附加应力集中系数是负值,其意义是工作面的开采对下方底板起到卸压作用。在采空区前方应力达到峰值处下部附加应力集中系数为正值,其意义是前方煤柱应力集中导致下方应力增大。分析应力峰值下方附加应力系数可知,随着埋深的增加,应力集中程度持续减弱,但影响范围慢慢扩大。同一水平下,附加应力在超前峰值下方达到最大值,向两侧逐渐降低。

根据3下7115工作面底板微震监测结果结合底板破坏深度分析,3下7115工作面底板微震事件最深距煤层为60 m,则支承压力峰值对底板破坏深度为60 m.

4 现场监测数据分析

田陈煤矿3下7115工作面自2020年8月份开始回采,到11月为止,本次工作面检测包括微震监测、CT反演、钻孔应力在线监测以及钻屑量监测等。

4.1 微震监测数据分析

由图3微震分析结果可知,8月份开采初期,工作面推进长度较小,岩层垮落强度不高,悬顶面积小,上方岩层尚未发生较大的断裂,因此震源事件相对较少,且分布较为分散。9月份开采时,煤壁前方区域微震事件逐渐增加,局部区域微震事件存在明显集中。10月、11月回采时,微震事件随工作面推进继续向前移动,但采空区后方微震事件较少,采空区岩层垮落强度不高(微震事件能量普遍不超过1×104J),微震震源主要集中在煤壁前方区域,这与岩层垮落不充分有关。工作面采动造成了煤壁前方约500 m范围的上覆岩层产生了变形和破坏。

图3 3下7115工作面微震监测平面图

3下7115工作面震源主要集中在距煤层上方40 m、下方60 m左右范围内,主要为直接顶和老顶的裂隙发育、底板破坏产生的微震事件,而未接收到高位砾岩层的活动情况。工作面直接顶及老顶分别为0.9 m厚的砂质泥岩和30 m厚的中细砂岩,老顶强度与厚度均较大。从走向方向上看,震源主要集中在煤壁前方500 m范围内,影响范围大,见图4.

图4 3下7115工作面微震分布剖面图

4.2 工作面震动波CT反演

工作面开采期间(2020年8月—11月),微震震源波速的被动反演结果如图5所示。

图5 3下7115工作面震动波CT反演

根据图5所示,从微震波速的CT反演结果来看,工作面回采距离小,8月份微震事件较少,分布散乱,应力集中区相对不明显。自9月开始到11月为止,煤壁前方均出现了一定区域由超前支承压力引起的高应力集中区,并随着工作面的推进逐渐前移。

4.3 钻孔应力与钻屑法监测数据分析

钻孔应力在线对3下7115工作面两巷道钻孔应力进行监测,结果表示工作面运输巷和轨道巷超前钻孔应力基本平稳,没有出现异常报警的情况,说明煤层大直径卸压效果好,工作面整体应力水平降低,支承压力影响范围较远,但是没有出现明显的应力集中和峰值现象。

3下7115工作面轨道巷268～288 m处巷道地质条件较简单,距离邢寨断层142 m,相邻区域无冲刷等地质构造,煤层赋存稳定,无压力显现,周围无采掘活动,对该处煤体侧施工了标准煤粉采样钻孔5个,孔深14 m,孔径45 mm,间距平均5 m,监测数据如图6所示,数据结果表明煤粉量最大值出现在8～9 m位置,即工作面侧向支承压力峰值位置,钻屑量为3.75 kg,去掉最开始1 m参考值,最小值为2.70 kg/m,并且分布不规律,所有煤粉平均值为3.21 kg/m,分析该巷道周边无其他采掘活动,变化相对较为稳定,该范围即为工作面侧向支承压力峰值位置。

图6 钻屑法监测数据折线图

5 结 语

1) 根据田陈煤矿3下7115工作面钻孔柱状图和实测力学参数分析,确定了工作面上覆厚层砾岩为关键岩层。通过理论计算得到3下煤层工作面上覆厚层砾岩层在弹性基础上的极限破断步距约为43.5 m,通过经验公式计算得到3下7115工作面垮落带高度为25.22 m,导水裂隙带高度为65.14 m.

2) 根据现场微震监测数据分析得出,田陈煤矿3下7115工作面底板微震事件最深距煤层约为60 m,采场支承压力对底板破断的深度约为60 m.3下煤层工作面采动应力在垂直方向约为煤层上方40 m,下方60 m范围内,主要为直接顶和老顶的裂隙发育、底板破坏产生的微震事件。微震震源波速的被动反演结果表明煤壁前方出现了一定区域由超前支承压力引起的高应力集中区,并随着工作面的推进逐渐前移。

3) 根据钻孔应力在线监测结果表明工作面运输巷和轨道巷超前钻孔应力基本平稳,说明煤层大直径卸压效果好,工作面整体应力水平降低,支承压力影响范围较远,无明显的应力集中和峰值现象。在3下7115工作面轨道巷268～288 m处进行了钻屑法取样,结果表明煤粉量最大值出现在8～9 m位置,该范围即为工作面侧向支承压力峰值位置。侧向支承压力峰值位于煤壁深处8～9 m.