急傾斜特厚煤層層間巖柱動力學失穩誘災傾向預測*

來興平，劉彪，陳建強，張新戰，孫秉成，王建

(1.西安科技大學能源學院，陜西西安710054;2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西西安710054; 3.神華新疆能源有限責任公司，新疆烏魯木齊830027)

急傾斜特厚煤層層間巖柱動力學失穩誘災傾向預測*

來興平1，2，劉彪1，2，陳建強3，張新戰3，孫秉成3，王建3

(1.西安科技大學能源學院，陜西西安710054;2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西西安710054; 3.神華新疆能源有限責任公司，新疆烏魯木齊830027)

∶烏魯木齊礦區烏東煤礦開采條件復雜，急傾斜煤層群間賦存均厚60m傾斜巖柱，近年來已發生十余次動力災害。針對急傾斜巖柱動力學失穩誘災傾向預報，采用開采條件調查、理論分析和現場監測等方法，綜合預測了深層巖柱動力學失穩誘災傾向區域。首先，基于現場調查成果，構建了急傾斜巖柱失穩應力撬轉效應(stress leverage rotation effect，SLRE)力學模型，揭示了巖柱動力學失穩誘發動力學災害的力學機制。再次，通過現場微震監測，分析了巖柱破斷失穩微震—能量—空間演化規律∶急傾斜巖柱動態失穩經歷擾動破裂、應力擠壓、斷裂失穩和應力重構階段。最后，綜合分析并圈定了深層巖柱動力失穩誘災傾向區域，其分別位于B1-2煤層+500～+510 m區域開采煤體、B3-6煤層+475～+485 m區域巖柱側煤體，這為現場災害防控設計和安全開采提供了科學依據。

∶急傾斜特厚煤層;層間巖柱;動力學失穩;應力撬轉效應;誘災傾向預測

0 引言

地下礦山動力學災害(沖擊地壓、礦震和巖爆等)嚴重制約安全生產［1-2］。50多年來，我國東部礦區有關沖擊地壓、礦震和巖爆發生機理與調控機制的探索研究積極有效［3-5］。蔡美峰等提出建立了沖擊地壓預測的“開采擾動勢”模型，揭示了沖擊地壓事件在時間、能量、空間方面不同物理與幾何特征的相關性和統一性［6-8］。姜耀東等將動力學災害分為滑移錯動型、材料和結構失穩型［9-11］。但是我國西部礦區煤層賦存環境、構造分布以及地應力水平與東部礦區迥異，烏魯木齊礦區急傾斜特厚煤層水平分段綜放開采誘發動力學災害機制相對復雜。石平五等［12-13］認為，急傾斜特厚煤層水平分段綜放(Sublevel top coal caving，STCC)與緩斜煤層走向長壁開采(longwall top coal caving，LTCC)工作面力學結構迥異。STCC工作面沿煤層厚度的水平線布置，其上方形成“跨層拱”(Arch of Spanning Strata，ASS)結構，其滑落和結構失穩具有隨機性。急傾斜特厚煤層群層間巖柱體內蘊藉的彈性勢能與重力勢能動態釋放是煤層失穩的主要力源，具備動力失穩致災條件［14-15］。開采擾動作用下堅硬煤巖體靜態破裂和動態宏觀力學耦合失穩過程中釋放巨大能量產生微震與破壞，是典型人工開采誘發礦震(mining-induced seismicity，MS)現象且具有動力學本質特征［16］。微震與應力場變量存在密切的對應關系，根據微震時空分布規律可對高應力區域與遷移重構進行刻畫［17-18］。針對烏東煤礦急傾斜特厚煤層群層間巖柱動力學失穩致災預報，通過開采條件現場調查、層間巖柱失穩致災機制分析，現場微震監測與煤巖體空間結構的演化特征及彈性能量釋放規律辨識，預測了誘發動力災害傾向區域，為現場安全開采提供了科學依據。

1 現場調查與災害事故描述

烏魯木齊礦區烏東礦有兩組主采煤層(群)，傾角87°～89°，B1-2煤層總厚平均37.0 m，B3-6煤層總厚平均48.0 m，均為急傾斜特厚煤層。兩組煤層間賦存均厚60 m巖柱，隨開采深度的增加(地面標高+825 m，目前已采至+475 m水平，開采深度達350 m)，開采時間與開采次序不均衡，層間巖柱先后失去兩側煤體非同步約束，在開采擾動與重力作用下產生下滑及傾斜，失穩巖柱對開采煤層產生耦合動力學效應，極易誘發動力災害事故。2010—2014年，烏東煤礦累計發生十余起危害程度不同的動力災害事故。其中，危害程度較大的有∶2013年2月27日，B3-6煤層綜放工作面發生動力災害，影響范圍達200 m，B3巷串車掉道側翻，其上部防護棚撕裂，工作面端頭頂板最大下沉30 cm，底臌10 cm，巷道收縮率60%;B6巷道20 m段皮帶掀翻。2013年7月2日，南采區B3-6綜放面發生強烈動壓事故(圖1)。B3巷沖擊破壞范圍約400 m(1 070～1 450 m)，其中1 265～1 365 m范圍破壞嚴重，巷道南幫底角側向臌脹20～45 cm，北幫電纜震落，錨桿托盤崩脫，“U”型鋼棚收縮量40 cm，巷道幫臌量達50 cm;B6巷震顫范圍1 066～1 272 m，其中1 066～1 100 m震顫嚴重，幫臌50～90 cm，底角側向臌脹20～50 cm，+475 m水平B6巷沖擊影響范圍1 080～1 203 m，巷道南幫最大橫向臌脹變形達30 cm，南幫最大變形量30 cm.2013年9月18日，+500 m水平綜放工作面與巷道發生礦震(ML=3.2)，造成人員傷亡與設備損毀，隨開采深度的延展，動力破壞致災問題更加嚴重。

2 急傾斜巖柱動力學失穩致災機制

地下開采擾動導致煤巖體結構與應力重構，淺部轉深部開采易引發動力災害。深層位煤巖體動力學失穩是時間-空間-強度綜合作用下的動力學演化過程。根據烏東煤礦煤巖賦存特點、開采時間和開采工藝次序情況，巖柱動力失穩引發應力撬轉作用(圖2)，圖2(a)簡單描述了急傾斜煤層群層間巖柱受力情況。傾斜巖柱在巖層自重和開采擾動作用下有回轉傾向，概化的力學模型如圖2(b)所示。巖柱下部受到實體煤層接觸面的約束載荷(q0)，形成了巖柱撬轉(力矩M0)傾向。

圖1 7.2事故破壞現象描述Fig.1 Description of destroy phenomena of the 7.2 accident

式中M0為回轉力矩，N·m;h為受約束段高度，m;q0為接觸面約束載荷，N.

重力G作用于受擾動巖柱的重心C處，受力還包括作用于B點的支撐力FB，A點的壓力FA(B點和A點分別為撬動點和支撐點)。

式中FAy為FA垂向分力，N;α為巖柱傾角。

采空區內部側向約束解除或消弱，為巖柱發生側向變形提供了變形空間。巖柱結構動力失穩-撬動-回轉力學機制可概化為

式中L1為撬動點A到支點B之間距離，m; L2為支點B到巖柱重心C之間距離，m.

巖柱動力學失穩不僅是煤巖體空間結構演化的結果，也是煤巖體釋放積聚能量的動力學過程。

圖2 巖柱受力及力學模型Fig.2 Mechanicalmodel and stress of rock pillar

3 現場微震監測設計

3.1 微震監測系統簡介

烏東礦微震監測采用ESG產Paladin-TM型24位微震系統，能夠實現實時連續采集現場產生觸發信息，自動記錄微震波形，實現事件類型自動識別、濾波處理、閾值設定和帶寬檢波等，并實時動態顯示微震時空位置、震級與震源等。監測系統參數見表1.

表1 微震監測系統參數Tab.1 Param eters of MSmonitoring system

3.2 現場微震監測布局

現場布置了從地表+825 m到井下+400 m，覆蓋多個水平的微震監測系統。微震傳感器布置如圖3所示，其中1#與2#傳感器分別布置于地表，3#傳感器置于+660 m水平，4#～10#傳感器布置于+500 m水平，11#～15#傳感器布置于+475 m水平，16#傳感器布置于+400 m水平。傳感器空間位置見表2.

圖3 現場微震監測布置Fig.3 Monitoring arrangement of MS in field

表2 現場微震傳感器位置的三維坐標Tab.2 3D－coordinates ofmonitoring m

4 監測結果

4.1 微震能量與頻率特征規律

文中重點考察38 d(2013.08.16—2013.09. 24)日累積能量和微震事件數特征。以天為統計時間序列，按照日累積能量的波動規律，將巖柱失穩致災過程分為4個階段。日累積能量與微震事件數波動特征如圖4所示。

圖4 巖柱失穩破壞微震數與能量演化規律Fig.4 Mechanism on MS-energy and count in pillar’s instability failure

1)擾動破裂階段(1～14 d)∶隨工作面推進，巖柱原有平衡被破壞，有運動趨勢及產生局部破裂，此階段能量較活躍，偶有大能量事件發生，如第5天B1巷底板發生沖擊地壓。

2)應力擠壓階段(14～33 d)∶巖柱局部運動，支撐能力下降，整體處于塑性變形階段，局部破裂被擠壓閉合，能量活動等級較小。

3)失穩階段(33～34 d)∶傾斜巖柱應力持續增高，破裂加速擴展，最終達到巖柱支撐的強度極限時巖柱失穩，積聚彈性能釋放，發生強破壞性動力災害。

4)應力重構階段(34～38 d)∶巖柱應力與結構重構，達到新的應力平衡，一段時間內煤巖體沒有較大能量波動。

除失穩階段B6巷頂板發生的最為明顯的動力災害事故外，其他階段也有大能量事件發生，并伴隨不同等級的動力災害，分析發生時間和位置有助于辨識巖柱動力學失穩誘發的動力災害區域。

4.2 微震事件的層位分布規律

開采過程中，采場結構處于不斷加載和卸載的循環過程，應力活躍區也隨回采推進而變化，重點考察能量活躍區域的空間分布很有必要。

統計2013.09.08—09.22監測數據，此階段B3-6煤層事件數22次，B1-2煤層事件數40起，事件數相差近一倍，表明B1-2煤層能量活動更活躍。在開采位置關系上，B1-2煤層回采滯后B3-6煤層300 m左右，B3-6煤層回采后，巖柱受到一定程度的破壞，B1-2煤層事件數和能量等級也相對較大。

微震事件水平分布集中在工作面前方巖柱側煤體，B1-2煤層滯后開采范圍內的煤體中微震事件也較為集中。從豎直方向上的分布狀況來看，監測各等級能量事件均分布在+475～+510 m水平層位之間，高位巖層(＞+550 m)在此時間段內并未監測到大能量事件。從圖5可看出，微震在垂向上分布集中在+500～+510 m與+475～+485 m層位之間。

圖5 微震事件層位分布(2013.09.08—09.22)Fig.5 Layers distribution of MS-events(2013.09.08—09.22)

5 動力災害傾向性區域預測

開采擾動下巖柱動態斷裂與動力學失穩引起應力撬動效應對B1-2煤層及B3-6煤層巷道底板和側幫施壓，這種作用力是引發動力災害事故的力源。綜合分析巖柱斷裂、應力異常和工作面開采擾動情況，定量預測具有動災傾向性的危險區域。

5.1 巖性條件

烏東煤礦B1-2和B3-6急傾斜特厚煤層的層間巖柱的巖性主要為粉砂巖(f=3.5～4.0)，塑性變形較小，φst很小，φsp很大，彈性能指數F=φsp/φst趨于比較大的數值，開采擾動下巖柱在深部發生斷裂失穩時具有沖擊傾向，進而觸發動力學破壞并造成事故。

5.2 力源條件

+500 m水平B3巷和B6巷均處于煤柱影響范圍內，形成了煤體應力集中條件，B3-6煤層與B1-2煤層之間存在50～110 m，均厚60 m，高350 m巖柱，巖性較堅硬。巖柱大范圍懸頂加劇了B3-6煤層底煤的煤體應力集中程度。

5.3 采掘次序

1)+475 m水平B6巷掘至1 200 m，B6巷迎頭前方超前支承壓力和南幫側向支承壓力與上方+500 m水平B3-6煤層底煤內已經集中的應力疊加，誘發了動力學斷裂與失穩破壞。

2)前期在+500 m水平實施B2，B3巷煤層間巖柱體爆破工程，B2巷施工至1 480 m，B3巷施工至1 580 m，施工進度不均衡導致巖柱突然向B2側傾斜回轉，誘發了動力破壞。

圖6 動力災害傾向性區域判定Fig.6 Determination of dynamic hazard-prone region

總之，通過圈定+500 m開采水平微震頻率最高區域和大能量事件發生的位置，判斷應力撬動效應的支撐點與撬動點區域。B1-2煤層巖柱側滯后開采的煤體作為應力撬動效應的支撐點承受了巖柱傾倒產生的較大壓力(FB)，此外由于滯后B3-6煤層開采，回采時所受開采擾動更大，綜合作用下支撐點區域容易誘發動力災害;在失穩巖柱的應力作用下B3-6煤層工作面前方及下部煤體受到撬轉作用，發生動力破壞，B3巷道穩定性及底臌均與應力撬轉有關。圈定的具有動力災害傾向性的危險區域如圖6所示。通過對動災傾向區域高壓注水軟化、卸壓爆破、加強支護和局部充填等措施［19］，實現了持續性安全開采。

6 結論

1)急傾斜煤層層間巖柱隨采深增加和開采擾動作用引發煤巖體斷裂，產生應力撬動效應和應力集中，這為動力災害事故誘發提供了力源;

2)巖柱斷裂與動力學失穩過程的微震指標監測表明∶急傾斜層間巖柱失穩破壞經歷擾動破裂、應力擠壓、失穩和應力重構4個階段。撬動效應的支撐點區域位于B1-2煤層+500～+510 m水平之間滯后開采的煤體，撬動點區域位于B3-6煤層+475～+485 m水平之間工作面前方巖柱側的煤體;

3)現場實施高壓注水軟化、卸壓爆破、加強危險區域巷道支護等災害防治措施，并現場實施驗證科學有效，為后續安全開采與災害防控提供了借鑒依據。

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Induced hazard-prone prediction to the intermediate rock-pillar dynam ic instability in heavy steep-thick coal seam

LAIXing-ping1，2，LIU Biao1，2，CHEN Jian-qiang3，ZHANG Xin-zhan3，SUN Bing-cheng3，WANG Jian3

(1.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 2.Key Laboratory ofWestern Mine Exploration and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an 710054，China; 3.Shenhua-Xinjiang Energy Co.，Ltd.，Urumchi830027，China)

∶There existed 60 m thick and steep rock-pillar atWudongmine.More than ten dynamic accidents happened in recent years.For prediction on dynamic destabilization and induced hazard-prone to interlayer steep rock pillar，somemethods using in-situ mining condition investigation，theoretical analysis and fieldmonitoringwere achieved.The induced hazard-pronewas predicted of the deeper rock-mass damage and dynamic instability of heavy steep-thick rock pillar.Firstly，themechanicalmodel on stress leverage rotation-effect(SLRE)was built based on in-situmining condition investigation，and themechanism of induced hazard was analyzed.Then，according to the field monitoring and analysis，we indicated that the spatial distribution and its evolutionary law ofmicro-seismic energy releasing of rock pillar andhazard-prone zone.The steep pillar dynamic destabilization related to disturbance burst，stress squeezing，damage destabilization and stress redistribution.Finally，the induced hazard-prone region and ranging under SLRE have been determined，respectively，locating coal excavated from+500～+510 m of B1-2and coal neighboring rock pillar to+475～+485 m of B3-6.This provides a scientific proof for hazard control and safemining.

∶heavy steep-thick coal seam;interlayer rock pillar;dynamic instability;stress leverage rotation-effect(SLRE);induced hazard-prone prediction

∶TD 324

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0301

∶1672-9315(2015)03-0277-07

∶2015-02-20責任編輯∶劉潔

∶科技部973計劃前期專項(2014CB260404);國家自然科學基金(U1361206);新疆科技支撐計劃項目(201432102)

∶來興平(1971-)，男，寧夏平羅人，教授，博導，E-mail∶laixp@xust.edu.cn