巨厚礫巖與逆沖斷層控制型特厚煤層沖擊地壓機理分析

姜福興,魏全德,王存文,姚順利,張 寅,韓榮軍,魏向志,李澤成

(1.北京科技大學土木與環境工程學院,北京 100083;2.義馬煤業集團股份有限公司,河南義馬 472300;3.新南威爾士大學采礦工程學院,新南威爾斯州悉尼 2052)

巨厚礫巖與逆沖斷層控制型特厚煤層沖擊地壓機理分析

姜福興1,魏全德1,王存文1,姚順利1,張 寅2,韓榮軍2,魏向志2,李澤成3

(1.北京科技大學土木與環境工程學院,北京 100083;2.義馬煤業集團股份有限公司,河南義馬 472300;3.新南威爾士大學采礦工程學院,新南威爾斯州悉尼 2052)

以某典型沖擊地壓事故為背景,通過理論研究和現場勘查,研究了巨厚礫巖與逆沖斷層控制下特厚煤層工作面沖擊地壓致災機理和防治方法。通過對地層結構與開采形成覆巖空間結構的研究,建立了側向靜態支承壓力估算模型,得到了21221工作面上覆巖層空間結構與應力分布規律;估算了巨厚礫巖傳遞應力、自重應力與F16逆沖斷層及相變帶構造應力的疊加總應力,該應力超過了該礦的臨界沖擊應力;特厚煤層在疊加應力作用下發生塑性滑移,逐漸形成滑移線場,并產生塑性膨脹,導致巷道圍巖應力增加,在外部擾動應力作用下,煤體發生瞬間大范圍滑移是發生沖擊地壓的主要原因。針對這類沖擊地壓的致災機理,通過合理設計巷道平面位置以避開傳遞應力峰值區域、采用半煤巖巷道以減小滑移線場范圍和合理設計煤層大直徑卸壓孔參數以改變煤體滑移方向等措施,有效治理了該類沖擊地壓。

巨厚礫巖;逆沖斷層;沖擊地壓;特厚煤層

據不完全統計,某巨厚礫巖特厚煤層礦區, 2006—2011年已發生33起沖擊地壓事件,已造成數十人傷亡,上百人受傷,巷道損壞數千米。國內外諸多專家學者,對不同開采和地質條件下的沖擊地壓機理、預測方法、控制方法等已有大量研究。

例如,Cook N G W等[1]提出能量理論;宋振騏等[2]對沖擊地壓事故發生的原因、災害實現條件及其動力信息進行了系統研究,并提出了各類沖擊地壓預測和控制的方法;章夢濤[3]提出了沖擊地壓失穩理論;李玉生[4]提出沖擊地壓發生的“三準則”理論;潘立友等[5]建立了沖擊地壓的擴容模型,擴容理論解釋了沖擊地壓前兆信息的穩定性與突變性,是沖擊地壓前兆信息識別的理論基礎;潘一山等[6]將沖擊地壓分為煤體壓縮型、頂板斷裂型和斷層錯動型等3類,并指出其發生條件;齊慶新等[7]應用數值模擬和相似材料模擬等方法,分析了原巖應力、構造應力、采動應力對沖擊地壓發生誘發機制;姜福興等[8]提出復合厚煤層發生沖擊地壓的“震-沖”機理;姜耀東等[9]應用數值模擬研究了采動影響下斷層的活化規律;竇林名等[10]運用理論分析、實驗室試驗、數值模擬及工程實踐方法,研究了斷層區的沖擊機制;繆協興等[11]建立了巖(煤)壁附近壓裂紋的非時間相關和時間相關的滑移擴展方程對沖擊地壓進行預測預報;高明仕等[12]研究了沖擊煤層巷道錨網支護防沖機理,提出了沖擊-支護的3D特性匹配要求。但是,迄今為止,巨厚礫巖與逆沖斷層控制下的特厚煤層工作面,鮮有可靠的、科學的沖擊地壓危險性預測、評價和防治方法。

本文針對義馬礦區“11·3”沖擊地壓事故,應用礦山壓力的基本理論和覆巖空間結構理論[13],構建地層結構與開采結構形成的覆巖空間結構模型,研究巨厚礫巖與逆沖斷層控制下特厚煤層工作面沖擊地壓致災機理和防治方法。

1 事故基本情況

1.1 21221工作面概況

21221工作面設計位置及周邊開采情況如圖1所示,21221工作面在掘進期間發生“11·3”沖擊地壓事故,21141,21172工作面正在回采,21141工作面與21181采空區之間為實體煤。21221工作面平均采深800 m,21221工作面回風巷與21201工作面采空區留有5 m煤柱,工作面運輸巷側為實體煤,設計走向長度1 500 m,傾斜長度180 m,工作面巷道沿底板掘進但留有0.3～2.0 m的底煤。工作面位于2-1煤與2-3煤合并區,全煤厚3.89～11.10 m,煤層傾角3°～13°,煤層合并線(相變線)如圖1跨兩翼的弧線所示,工作面煤層頂底板巖層及其厚度如圖2所示。地質構造為F16區域性逆沖斷層,斷層淺部傾角75°,深部傾角15°～35°,落差50～500 m,具體參數有待進一步探測,井下推測揭露位置如圖1中虛線所示。工作面巷道斷面25 m2,采用“錨網+鋼帶+錨索梁+36U”復合支護方式。108J。事故發生期間為檢修班作業人員正在進行21221掘進工作面運輸巷的防沖卸壓工程、防火工程、加強支護和清理等工作。事故發生后,工作面運

圖1 采區概況及21221工作面位置Fig.1 Mining situation and the position of accidentworking face

1.2 事故概況

圖2 采區西翼覆巖空間結構與地面鉆孔對應關系Fig.2 The relationship of overlying strata spatial structure and surface drilling

2011-11-03 T 19:18,義馬千秋煤礦21221掘進工作面運輸巷發生沖擊地壓,微震事件能量為3.5×輸巷內風筒部分脫落,支柱傾倒,多段巷道閉合。經全力搶救,64名作業人員升井,10人遇難,事故發生前后現場照片如圖3所示。

圖3 事故前后現場照片Fig.3 The scene pictures before and after the accident

2 事故機理分析

21221工作面處于掘進期間,靜應力對沖擊地壓的發生具有主導作用。巨厚礫巖傳遞應力與逆沖斷層構造應力、上覆巖層自重應力、相變帶構造應力耦合疊加形成了21221工作面的靜應力場。通過對地層結構與開采形成的覆巖空間結構研究,建立了側向靜態支承壓力估算模型,估算了巨厚礫巖傳遞應力,結合自重應力、逆沖斷層和相變帶構造應力分析,進行了多因素應力疊加估算,并以靜應力值與煤體單向抗壓強度的比值作為沖擊危險性判別標準,預測了21221工作面運輸巷沖擊危險區和危險性。

2.1 開采形成的覆巖空間結構

為了估算高位巖層覆巖空間結構產生的傳遞應力,通過地表鉆孔探測,構建了地層結構與開采形成的覆巖空間結構模型,以此為基礎,研究高位巖層傳遞應力的分布規律。

2.1.1 采區西翼工作面覆巖空間結構

根據覆巖空間結構理論,結合采區工作面開采情況與地層結構,建立如圖2所示的覆巖空間結構模型。模型中上覆巨厚堅硬礫巖存在離層但尚未斷裂,空間結構類似于“不等距雙孔橋”,工作面采空區為橋孔,待采煤體為橋墩,楔形巨厚礫巖層覆蓋在不同寬度的煤柱(橋墩)上。上覆巨厚礫巖層自重力主要作用在21141工作面、21161工作面和深部煤體上,因此,21141工作面、21161工作面和深部煤體(21221工作面)處于較高的應力場內。

2.1.2 采區覆巖空間結構與地面探測孔驗證

千秋煤礦在2010年由地面至21121工作面采空區實施地面鉆孔,探測三帶情況,鉆孔位置在圖1中圓點處。根據鉆孔的巖芯情況,結合鉆孔打設過程中掉鉆、瓦斯涌出、漏水、漏漿等現象,判斷地表至采空區整個采場上覆巖層的三帶范圍(圖2)。

地面鉆孔實測的運動巖層分組與圖2所示的覆巖空間結構模型基本相符,采空工作面上覆巨厚礫巖層形成的傳遞應力影響范圍較大,需要建立側向靜態支承壓力估算模型,對傳遞應力進行估算。

2.2 掘進工作面應力場與沖擊危險性分析

21221工作面煤巖體具有沖擊傾向性,因此,煤巖體所受應力的大小是決定沖擊地壓是否發生的關鍵因素。事故發生在掘進面檢修班期間,靜應力值與沖擊危險程度呈正相關性,因此,疊加總應力是沖擊危險區及危險程度預測的關鍵。

2.2.1 采動形成的靜態支承壓力分布估算

根據采區西翼覆巖空間結構模型,建立非充分采動條件下側向靜態支承壓力估算模型(圖4)(Hmax為最大采深,Mi為關鍵層i厚度,α為巖層斷裂角,Li為關鍵層i厚度中心的寬度,2I為工作面傾斜長度,Hi為關鍵層i厚度中心至底板距離)。以關鍵巖層[14]為估算單位,非關鍵巖層的自重作為載荷作用在關鍵巖層上,從煤層到地表分為n組,每組由于工作面的開采而發生離層,各關鍵層離層前端的連線為巖層移動線,該移動線與水平線的夾角α為巖層斷裂角。斷裂角通過微地震[15-16]監測數據分析得到。

圖4 側向支承壓力估算模型Fig.4 The calculationmodel of lateral of abutment pressure

煤層上支承壓力σ由以下兩部分組成:

(1)在采空區上方各關鍵層懸露部分傳遞到兩側煤體上的壓力之和稱為支承壓力增量Δσ,Δσ= Σσi,i=1～n,i為第i個關鍵層。

(2)自重產生的支承壓力σq。

支承壓力由下式計算:

代入21221工作面條件后,得到支承壓力估算曲線如圖5所示。以動應力比d=σ/[σc]≥1.5為沖擊危險判斷標準。煤層單向抗壓強度為18 MPa,沖擊的臨界應力為σ≥27 MPa,因此,在不考慮其他因素影響時,根據估算結果,傾向上在離21201工作面采空區34～178 m內掘進巷道具有沖擊危險,綜合考慮斷層、相變帶、現場開采實際等因素后,建議工作面傾斜長度不小于250 m。事故巷道距離采空區185 m,在不考慮斷層應力、相變帶應力影響的條件下,巨厚礫巖傳遞應力已經接近發生沖擊地壓的應力條件。

2.2.2 構造應力分析

根據已經揭露的邊界斷層剖面,如圖6所示,F16逆沖斷層屬于應力積聚斷層,造成該斷層水平運動的殘余構造應力依然存在。F16逆沖斷層和相變帶構造應力平面影響范圍及程度如圖7所示,對F16斷層進行應力分析如圖6所示,上盤中煤體出現直立現象,因此,斷層上盤存在較大的水平推力;斷層兩盤在自重力與水平力作用下,沿斷層面存在較高的剪切應力;下盤中上部煤體由于多個工作面采空,存在較大的采空區巖層下滑力,深部煤體還承載著上覆巖層的自重應力,因此,21221工作面運輸巷附近煤體受到斷層的水平推力、斷層面滑移應力形成的剪切力、上覆巖層重力和采空區下滑力綜合作用,在垂直方向和水平方向均存在較高的應力。

圖5 支承壓力估算曲線分布Fig.5 Estimated curve of abutment pressure

圖6 F16逆沖斷層剖面受力分析Fig.6 Stress profilemap of the thrust fault

圖7 F16逆沖斷層和相變構造應力估計平面影響范圍Fig.7 Influence range of thrust fault and phase transformation tectonic stress

煤層相變是指煤層厚度、硬度、煤質等發生變化,是應力集中區,當采掘工作面接近相變帶時,易發生煤炮、沖擊地壓等動力現象[17]。事故工作面相變帶為煤層厚度變化帶,相變帶附近存在較高的應力集中,相變帶形成的應力場與F16斷層形成的應力場疊加作用后,形成了高應力場。

2.2.3 高應力場分布與沖擊危險區預測、評價

工作面處于掘進期間,掘進擾動應力處于移動中,靜應力對沖擊地壓的發生具有主導作用,靜應力大小決定了沖擊危險程度。應用多因素耦合評價法進行沖擊危險區預測與評價。首先,確定引起沖擊地壓的控制因素,然后,對各個影響因素進行應力估算與分析,最后將應力估算結果進行耦合疊加。將側向靜態支承壓力、上覆巖層自重力、F16斷層構造應力、相變帶應力單獨估算與分析后,進行疊加計算,并將計算結果以等色圖的形式展示,如圖8所示。假定掘進期間沖擊危險區及危險程度判別標準為:一般沖擊危險d∈[1.5,2),中等沖擊危險d∈[2,2.5],嚴重沖擊危險d∈(2.5,+∞)。根據估算結果和沖擊危險區判別標準進行沖擊危險區預測,結果如下:21221工作面運輸巷相變線至F16斷層線段是嚴重沖擊危險區;工作面運輸巷斷層線至開切眼段巷道屬于中等沖擊危險區;相變線至巷口段屬于中等沖擊危險區。

圖8 多因素應力疊加Fig.8 The stress figure ofmultiple factors superposition

2.3 特厚煤層蠕變膨脹沖擊機理

特厚煤層巷道開挖時,巷道附近煤體應變隨著時間延長而增加,部分煤體發生蠕變變形。在巨厚礫巖傳遞應力與逆沖斷層、相變帶構造應力疊加影響區內,巷道附近煤體承載的應力超過彈性極限應力,因此,開挖巷道附近煤體產生塑性變形。巷道附近煤體產生的應變是一個蠕變變形-塑性變形的動態過程,并在高應力作用下逐漸形成滑移線場,產生塑性膨脹,導致巷道圍巖應力增加,在外部擾動應力作用下,發生上幫與底角沿滑移線場瞬間大范圍滑移沖擊,這類沖擊不是在巷道開挖時發生,而是在巷道開挖完成一段時間后發生沖擊,因此,稱為蠕變膨脹沖擊。

通過對21221工作面應力場分析與估算,在巨厚礫巖傳遞應力與逆沖斷層構造應力疊加影響區內,工作面運輸巷存在高水平應力與高垂直應力。工作面巷道內留有一定厚度底煤,工作面巷道內底煤與兩幫煤體在高水平應力與高垂直應力作用下,特厚煤層發生塑性變形,同時圍巖在工作面巷道上幫與底角內形成滑移線場,產生膨脹應力,巷道圍巖處于極限平衡狀態,在高位巖層運動或掘進擾動作用下,發生了上幫與底角煤體沿滑移線沖出的沖擊地壓災害,如圖9所示。通過支柱的傾倒方向和工作面運輸巷上幫底角沖出的煤體狀況,可以推斷底板蠕變膨脹沖擊力來自上幫底角方向。

蠕變膨脹沖擊是特厚煤層工作面發生沖擊地壓災害的主要原因。經過近4 a在義馬、阜新、鶴崗礦區等沖擊現場勘查,巷道沖擊大多來自工作面運輸巷上幫與底角,與煤體的滑移線場十分吻合,因此,特厚煤層降低膨脹應力,避免形成滑移線場或改變滑移線場運動方向是沖擊地壓防治的重要途徑。

圖9 現場照片與底板滑移線場Fig.9 The scene pictures and slip line fields in floor

3 防治方法的建議及應用

3.1 防治方法的建議

針對這類沖擊地壓,尚未掘進的工作面需要進行基于防沖的開采設計,通過合理設計巷道平面位置以避開傳遞應力峰值區域、采用半煤巖巷道以減小滑移線場范圍,可從根本上降低工作面巷道的沖擊危險性。已掘進或正在回采的工作面,通過合理設計煤層大直徑卸壓鉆孔參數,向巷幫深部轉移應力,改變煤體滑移方向,并降低煤體密度,減小膨脹應力,同時在大直徑卸壓鉆孔卸壓區域內,分區域采用柔性支護或框架式強支護等措施,實現沖擊地壓治理的“移、讓、抗、降”4個方面,降低該類型沖擊地壓發生的可能。

3.2 應用效果

在義馬礦區多個礦井通過合理設計巷道位置和層位,避開了高應力區布置巷道,在F16斷層附近的巷道采用了半煤巖巷道,現場掘進實踐發現,巷道穩定性明顯好轉,煤炮和大能量微震事件數量明顯減少,避免了大量的防沖卸壓工程,防沖和防滅火效果良好。義馬礦區某礦25110工作面條件與21221工作面地質條件相近,工作面掘進期間動力現象頻發,工作面回采初期,發生多次沖擊地壓事件,其中有一次影響400多米巷道的沖擊地壓,雖未造成人員死亡,但是巷道變形嚴重,頻繁發生動力現象。該礦通過設計了合理煤層大直徑卸壓孔參數等措施,實現了沖擊地壓治理的“移、讓、抗、降”,改變了煤體滑移方向,工作面回采期間雖然動力現象時有發生,但沒有再發生破壞性沖擊地壓事件,該工作面于2013年安全回采結束。

4 結 論

(1)“11·3”事故掘進工作面靜應力對沖擊地壓事故的發生具有主導作用。巨厚礫巖傳遞應力與F16逆沖斷層構造應力、自重應力和相變帶構造應力疊加后,總應力達到或超過沖擊危險臨界應力比(σ/ [σc]≥1.5),特厚煤層在疊加應力作用下發生塑性滑移,逐漸形成滑移線場,并產生塑性膨脹,導致巷道圍巖應力增加,在外部擾動應力作用下,煤體發生瞬間大范圍滑移是發生沖擊地壓的主要原因。

(2)通過合理設計巷道平面位置以避開傳遞應力峰值區域、采用半煤巖巷道以減小滑移線場范圍和合理設計煤層大直徑卸壓孔參數以改變煤體滑移方向等措施,有效治理了該類沖擊地壓。

(3)對于逆沖斷層、相變帶等地質構造的構造應力尚無法建立準確、嚴謹的力學計算公式,無法實現定量化的構造應力計算,只是進行了半定量化估算;提出了特厚煤層蠕變膨脹沖擊致災機理,但是,該機理是一個分區域、分時間段的動態變化過程,需要進一步開展研究工作。

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Analysis of rock burstm echanism in extra-thick coal seam controlled by huge thick conglomerate and thrust fault

JIANG Fu-xing1,WEIQuan-de1,WANG Cun-wen1,YAO Shun-li1, ZHANG Yin2,HAN Rong-jun2,WEIXiang-zhi2,LIZe-cheng3

(1.School ofCivil&Environmental Engineering,University ofScience&Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.Yima Coal Industry Group Corporation Ltd.,Yima 472300,China;3.School ofMining Engineering,University ofNew South Wales,Sydney 2052,Australia)

Through theoretical research and field exploration,the mechanism and control method of rock burst happened in extra-thick coalseam ofworking face controlled by huge thick conglomerate and thrust faultwere studied with typical cases analysis.The calculation model of static side abutment pressurewas established through studying the stratum structure and overlying strata spatial structure,and the distribution law of the stratum structure and stress of No.21221 working face.By means of stress superimposing including transmission stress of conglomerate,in-situ stress and tectonic stress,the final value exceeded the critical stress value inducing rock burst.Under superimposed stress effect, extra-thick coal seam slid and formed slip-line field gradually,and at the same time plastic swelling occurred resulting in stress increase around the roadway,which was themain cause of rock burst occurrence.Aiming to control this kind of rock bursteffectively,we can design the position of roadways and the parameters of pressure-relieving boreholes reasonably,and adoptmixed coal-rock roadways.The research results were successfully applied to rock burst control inseveral coalmines of Yima.

huge thick conglomerate;thrust fault;rock burst;extra-thick coal seam

TD324

A

0253-9993(2014)07-1191-06

姜福興,魏全德,王存文,等.巨厚礫巖與逆沖斷層控制型特厚煤層沖擊地壓機理分析[J].煤炭學報,2014,39(7):1191-1196.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1402

Jiang Fuxing,Wei Quande,Wang Cunwen,et al.Analysis of rock burstmechanism in extra-thick coal seam controlled by huge thick conglomerate and thrust fault[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1191-1196.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1402

2013-09-29 責任編輯:常 琛

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2010CB226803);國家自然科學基金資助項目(51174016,51204010)

姜福興(1962—),男,江蘇常州人,教授,博士生導師。Tel:010-62332900,E-mail:jiangfuxing1@163.com。通訊作者:魏全德(1985—),男,山東濰坊人,博士研究生。Tel:010-62660111,E-mail:wfwqd@126.com