急斜煤層淺轉深綜放開采煤巖動力災害誘發(fā)機理

摘要：中國煤炭資源深部開采已成為常態(tài)。依托急傾斜煤層開采為工程背景，構建考慮水平分段綜放開采影響的淺轉深開采組合梁模型，引入應力差異系數（α）表征淺轉深開采煤巖體應力狀態(tài)特征，分析地表大尺度裂隙與工作面相對空間層位關系，揭示急傾斜煤層淺轉深開采煤巖體動力災害誘發(fā)機理，對指導急傾斜煤層深部開采具有重要意義。研究表明：通過全景智能鉆孔圖像信息辨識揭示了急傾斜煤巖層紋層角與傾斜層理方向基本一致，說明煤巖層處于強壓縮構造狀態(tài)；淺轉深開采應力差異系數呈非線性增長，確定臨界開采α為04；急傾斜煤層淺轉深開采動力災害誘發(fā)實質為水平分段多階段重復擾動下覆層結構失穩(wěn)產生循環(huán)性動力沖擊。關鍵詞：急傾斜煤層；淺轉深開采；應力差異系數；空間層位；循環(huán)動力沖擊中圖分類號：TD 821

文獻標志碼： A

Mechanism of dynamic hazards due to coal and rock mass instability

in extremely steep coal seams with the deepening mining

LAI Xingping1，2，SUN Huan1，2，3，CAI Ming3，CHEN Jianqiang4，CHANG Bo4

（1.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

2.Key Laboratory of Western Mine Exploration and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an 710054，China；

3.College of Bharti Engineering，Laurentian University，Sudbury P3E 2C6，Canada；

4.Shenhua Xinjiang Energy Co.，Ltd.，Urumqi 830027，China）

Abstract：Deep coal mining has become a common practice with shallow coal resources depletion in China.The combination beam model is built according to the condition of horizonal section top coal caving（HSTCC）.Insitu stresses discrimination coefficient（α）is quantitatively used to describe the stress condition with the deepening coal and rock masses.Relation model

of relative space and horizontal section

is built with position of ground surface fractures and workplaces.Mechanism of dynamic hazards due to coal and rock mass instability can be revealed，which is of significant guidance for the deep mining in extremely steep coal seams.Results show that microstratification angle is approximately equal to the inclined bedding by analyzing panorama images using intelligent recognition function of borehole TV，which indicates that coal and rock seams are in the condition of strong tectonic compression.Insitu stresses discrimination coefficient（α） shows nonlinear increase with the mining depth，which is about 04 on the condition of critical mining.The dynamic hazards are triggered by cyclical shock of overlying strata structure instability under the circumstance of the multilevel mining disturbance.Key words：extremely steep coal seams；deepening mining；insitu stresses discrimination coefficient；space and horizontal section；cyclical dynamic shock

0引言中國煤炭資源深部開采已成為常態(tài)，揭示淺轉深開采煤巖體動力災害機理對指導深部礦井安全開采具有重要意義＼[1-3＼]。急傾斜特厚煤層（傾角45°～87°，煤層厚度超過18 m）依據地質賦存條件及開采情況，通過水平分段（分段高度12～27 m，最大段高30 m）綜放工藝實現安全高效開采＼[4-5＼]。考慮淺轉深開采圍巖應力分布、地應力水平、煤巖體內部變形、地表裂隙與工作面相對空間層位關系等因素影響，揭示深部煤巖體工程響應機制，成為深部煤巖體動力災害防治的基礎＼[6＼]。E.Hoke和E.T.Brown＼[7＼]基于對地應力測試結果，通過水平應力（σH）與垂直應力（σV）比值k估算方程（100/H+03≤k≤1 500/H+05）反映深部巖體力學狀態(tài)，當埋深H足夠大時，k的取值范圍為03～05，顯然這與實際不符；HKang等＼[8＼]考慮最大、最小水平主應力的差異性，引入了平均應力比率因子k=（σH+σh）/2σV，基于國內若干礦井地應力測試數據結果，得出了k與采深關系；蔡美峰等＼[9-11＼]在玲瓏金礦、新城金礦及萬福煤礦等礦區(qū)開展了深部和淺部2期地應力測量工作，揭示了地應力場最大水平主應力與自重應力的關系，認為深部開采臨界深度是采動巖體動力響應由線性轉為非線性的過程；謝和平等＼[1＼]提出了深部開采的力學定義，認為深部開采不是深度，而是由深部的應力水平、應力狀態(tài)和圍巖屬性綜合反映，并基于若干礦區(qū)地應力測試與煤巖力學特性測試結果，定量化界定煤層開采的亞臨界深度（Hscr）、臨界深度（Hcrl）及超深部臨界深度（Hcr2）。

急傾斜煤層賦存條件復雜、采動應力影響顯著、頂板結構特征凸顯，這些特點均與緩傾斜煤層開采有差異。急傾斜煤層淺轉深開采應考慮原始構造運動影響，對比分析不同采深條件下圍巖應力分布、煤巖內部變形及空間幾何關系，通過引入應力差異系數表征急傾斜煤層淺轉深開采應力特征，建立考慮地表裂隙與工作面相對空間層位關系模型，揭示急傾斜煤層淺轉深開采動力災害誘發(fā)機理，為急傾斜深部煤巖動力災害預測預報提供基礎。

1急傾斜煤層地質賦存條件急傾斜特厚煤層地質賦存條件迥殊，烏魯木齊礦區(qū)位于準噶爾東南部，地質條件劃分為二級構造帶中的次級褶皺斷裂帶，局部構造多由短軸向斜（八道灣向斜）、背斜（七道灣背斜）及逆沖斷層（紅山嘴-白楊北溝逆沖斷層）組成，如圖1所示。烏東煤礦南采區(qū)煤層（傾角87°）分布于八道灣向斜南翼，為一單斜構造，主采煤層為B1+2和B3+6煤組；北采區(qū)煤層（傾角45°）分布于八道灣向斜北翼，主采煤層為43#和45#煤組。地層年代追溯于侏羅系西山窯期，沉積形成的西山窯組（J2x）經歷了海西、印支、燕山（I-III幕）和喜馬拉雅等構造運動的影響。其中，燕山I幕逆掩推覆作用對西山窯組煤層賦存特征具有重要控制作用＼[12-13＼]。這使得烏魯木齊礦區(qū)急傾斜煤巖層處于強壓縮構造狀態(tài)，煤巖體內部積聚了大量彈性變形能，屬于原始高地應力區(qū)，實測水平應力占主導。

2淺轉深開采力學模型構建水平分段綜放工作面通過確定合理分段高度，將急傾斜煤層由淺及深進行分區(qū)域開采。“強-弱煤巖層重構”是不同空間層位煤組開采后的典型特征，水平剖面方向組合為“頂板-采空區(qū)-巖柱-采空區(qū)-底板”，上下層位組合為“頂板-采空區(qū)-工作面-下分段煤體”。隨著急傾斜煤層淺部向深部開采轉移，煤巖層重構平衡體系不斷被打破，然后又形成新的平衡體系，整個采場煤巖重構為動態(tài)演化過程＼[14-15＼]。

“強-弱煤巖層重構”平衡體系演化的實質為作用于梁體荷載（qR，qB）分布范圍變化的組合梁平衡體系重構，因此可認為急傾斜煤層淺轉深開采是梁體荷載（qR，qB）的重新分布過程。上層位煤組（B3+6煤組和43#煤層）開挖后作用于組合梁體的非均布荷載變化從qR1至qR2，下層位煤組（B1+2煤組和45#煤層）開挖后作用于組合梁體的非均布荷載變化為qB1至qB2，煤組未開采部分認為是作用于組合梁體的均布荷載。忽略注水、爆破及結構失穩(wěn)等因素對荷載分布特征的影響，僅考慮建立組合梁體隨采深（h）變化影響下的穩(wěn)態(tài)分析模型（圖2）。假設煤層傾角為α，組合梁體自重為G，qR和qB為均布荷載，分段高度為Δh.當采深為h時，組合梁垂直高度為H，組合梁端簡化為固定鉸支座，可分析得出作用于組合梁體的分區(qū)載荷力（FRij）與采深h之間關系，組合梁頂底所受荷載力分別為FRoof和FBottom，如式（1）所列。

.

（2）由公式（2）關系可以得知，隨著采深h增加，分區(qū)荷載力FR12，FB12積分求解區(qū)間增大，所求積分值增大，FR12，FB12分區(qū)荷載力顯著增大，急傾斜煤層淺轉深開采局部應力畸變特征愈加凸顯。

3淺轉深煤巖應力應變特征

3.1引入煤巖體應力差異系數深部煤炭資源開發(fā)面臨高應力、高井溫、高滲透壓和地質與采礦環(huán)境條件惡化、開采后提升成本急劇增加等一系列難題，而深部煤巖高應力誘發(fā)的動力災害現象最為突出。深部開采不是某種定量的深度值，而是由賦存條件、地應力水平及采場環(huán)境等因素共同決定的一種應力狀態(tài)。急傾斜煤層地質賦存條件特殊、構造應力影響顯著，水平分段短壁綜放工作面隨著開采深度增加不斷向深部延伸，淺轉深開采過程中采動應力影響顯著，原始構造運動形成了急傾斜地層原始高地應力。為了綜合反映急傾斜煤巖體應力狀態(tài)，引入應力差異系數（α）表征最大水平應力與垂直應力的差異性。定義應力差異系數為應力差值（最大水平主應力和垂直應力差值大小）與水平主應力的比值，即α=（σH-σV）/σH，結合現場實測地應力大小進行應力差異系數求解，得出淺轉深開采過程中α值變化情況，揭示淺轉深開采過程中煤巖體應力狀態(tài)特征。選取烏東煤礦為研究區(qū)域，在礦區(qū)不同埋深位置開展了煤巖體地應力測試，結果見表1，分析了急傾斜煤層淺轉深開采應力差異系數變化規(guī)律。

σh；②隨著淺轉深開采，埋深300，365，390及410 m位置處的應力差異系數α值呈非線性增長；③埋深365 m位置處地應力差異系數明顯增高，可界定急傾斜煤層淺轉深臨界開采應力狀態(tài)指標為α取值約為04，隨著開采深度向超深部、極深部發(fā)展，煤巖體三向應力逐漸向靜水壓力狀態(tài)恢復，水平應力σH與垂直應力σV的差值逐漸減小，應力差異系數α逐漸減小。

32采動煤巖體內部變形分析采動煤巖內部變形量與采深密切關聯。急傾斜煤層水平分段重復開采擾動影響作用下煤巖體內部變形表現為次生裂隙發(fā)育充分、構造裂隙特征顯著，變形破壞方式主要為切割層理結構。通過全景智能鉆孔電視獲取得到煤巖體內部變形的光學特征圖像，定量化急傾斜采動煤巖體裂隙化程度（角度、數目、跡線長度及隙寬等）、紋層及碎裂帶等特征，揭示急傾斜煤層開采煤巖體內部變形特征與埋深位置關系。選取烏東煤礦東采區(qū)（原大洪溝）、西采區(qū)（原堿溝）及北采區(qū)（原鐵廠溝）3個測試點進行原位試驗，位置分別為北采區(qū)+500 m水平45#煤層南巷（埋深225 m）、西采區(qū)+556 m水平B8繞道（埋深245 m）及東采區(qū)+535 m水平石門西車場（埋深307 m），測試鉆孔施工垂直于巷道頂板，基本參數為直徑=56 mm，鉆深D=15 m，選取具有典型代表性的分段全景孔壁圖像進行分析，得到如圖4所示的（a）、（b）及（c）段全景孔壁裂隙智能辨識圖像。

分析結果表明：①急傾斜煤層地質賦存特征表現在紋層特征顯現，沉積紋層通常為水平紋層，而急傾斜煤層原始形成過程經歷了燕山I幕逆掩推覆作用，因此地層紋層角與煤層傾角一致；②急傾斜采動煤巖體裂隙化程度受地層賦存特征和采動擾動影響顯著，87°煤巖層裂隙化程度相對45°煤巖層較為發(fā)育，主要表現在隙寬、跡長及數目均較大；③急傾斜煤層淺轉開采誘致煤巖體裂隙化程度明顯增加，局部離層隙寬最大為25 mm，剪切裂隙角分布范圍從26°～74°，頻繁出現多組平行剪切裂隙，剪切破壞特征顯著。

4淺轉深開采動力災害誘發(fā)機理

急傾斜煤層淺轉深開采地表變形特征主要表現為地面塌陷坑形成、地表大尺度裂隙擴展及塌陷坑坡面滑移坍塌，井下災害特征主要表現為工作面局部位置液壓支架折損、采空區(qū)漏風通道形成及回采巷道大面積冒頂，此類災害的共性誘因是急傾斜煤層開采覆層局部應力畸變誘使結構失穩(wěn)所致。因此，確定地表覆層結構形成過程對揭示淺轉深開采動力災害誘發(fā)機理至關重要。基于地表測點位移數據，建立考慮地表裂隙與工作面相對空間層位關系模型，得出地表大尺度裂隙幾何特征參數與采深位置關系，可揭示急傾斜煤層淺轉深開采動力災害誘發(fā)機理。

大尺度裂隙由塌陷坑向外依次命名為No1，No2和No3，定義地表靠頂板側位置處大尺度裂隙和B3+6，B1+2工作面連線與水平線之間的夾角為β和γ，裂隙邊界與開采深度位置的水平投影距離為H，分析地表大尺度裂隙與采深位置幾何關系（圖5），統(tǒng)計情況見表2.通過對表2分析得知，水平分段綜放工作面不斷向深部延伸，上分段回采影響產生的地表大尺度裂隙與開采水平的投影距離逐漸縮短，角度參數β和γ增大，最終趨于90°.地表裂隙不斷向采空區(qū)延伸并形成塊體，塊體失穩(wěn)后形成動力沖擊，沖擊勢能通過煤巖介質傳遞至回采工作面，造成工作面局部位置處支架折損，地表覆層出現新生界面，坍塌坑形成。因此，急傾斜煤層淺轉深開采動力災害誘發(fā)實質為水平分段多階段開采重復擾動下覆巖結構失穩(wěn)誘發(fā)的循環(huán)性動力沖擊，在空間層位關系上具有明顯的周期性、傳遞性及區(qū)域性。

5工程實踐急傾斜煤層開采微震事件空間分布特征區(qū)別于緩傾斜或傾斜煤層開采，主要表現在微震事件量級劃分和空間位置差異。如圖6所示為急傾斜煤層開采微震監(jiān)測系統(tǒng)大數據可視化結果，提取+475 m至+500 m水平范圍內（采深約340～365 m）微震監(jiān)測數據，開采實踐總結認為能量大于10E6J微震事件因覆巖結構失穩(wěn)所致，結合地表塌陷坑位置進行分析，可將不同采深條件下微震事件（能量>10 E6J）按照空間劃分為Ⅰ～Ⅳ區(qū)域（圖6），并沿地表塌陷坑走向具有明顯區(qū)域性特征，不同層位空間內微震事件數統(tǒng)計具有相似地演化規(guī)律（圖7），這驗證了急傾斜煤層淺轉深開采動力災害循環(huán)性特征。

6結論1）急傾斜煤巖層紋層角與傾斜層理方向基本一致，說明煤巖層處于強壓縮構造狀態(tài)，其內部積聚了大量彈性變形能，淺轉深開采局部應力畸變特征愈加凸顯；2）引入應力差異系數表征淺轉深開采煤巖應力演化特征，認為急傾斜煤層淺轉深開采應力差異系數呈非線性增長，確定臨界開采α為04；3）急傾斜煤層淺轉深開采動力災害誘發(fā)實質為水平分段多階段開采重復擾動下覆層結構失穩(wěn)誘發(fā)的循環(huán)性動力沖擊，在空間層位關系上具有明顯的周期性、傳遞性及區(qū)域性。參考文獻References

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