急傾斜特厚煤層采場結(jié)構失穩(wěn)探測分析

申曉東

(西山煤電(集團)有限責任公司鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

引 言

45°特厚煤層采場煤巖體在復雜的地質(zhì)構造與采動影響下，形成一系列復雜的、不規(guī)則的弱面系統(tǒng)，而此類弱面系統(tǒng)能夠直觀的反映煤巖體的賦存狀態(tài)。為了確定某煤礦北采區(qū)45#煤層+575水平西翼工作面推進過程中，采場煤巖體賦存特征，采用地質(zhì)雷達探測技術、松動圈探測技術、微震在線監(jiān)測系統(tǒng)分別對采場頂板巖體、巷道圍巖、采場微震事件及能量變化特征體進行探測[1-3]。

1 工程背景

工作面地質(zhì)賦存特征。某煤礦北采區(qū)位于八道灣向斜北翼，地層走向北東67°，傾向南東157°，西陡東緩，采區(qū)地面平均標高為+790 m。目前采區(qū)主采煤層為43#和45#煤層，煤層結(jié)構簡單，平均厚度分別約為41.3 m、30.6 m，傾角43°～51°。43#煤層與45#煤層間巖柱為堅硬的粉砂巖(f=3.5～4)，平均厚度約為102 m。老頂與直接頂及底板均為粉砂巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，直接頂厚度為3 m～5 m。煤層上部受原鐵廠溝煤礦與已廢棄小煤窯不同程度的采動影響。其中，原鐵廠溝煤礦45#煤層已開采至+707水平，43#煤層開采至+726水平，開采深度為70 m～90 m，其他廢棄小煤窯的開采垂深為67 m～125 m。

2) 工作面布置特征。由于45°特厚煤層特殊的地質(zhì)賦存特征，導致其很難應用水平煤層的工作面布置方式。目前，北采區(qū)的開采方式為水平分段綜放開采，即工作面沿煤層厚度水平布置。在該開采條件下采空區(qū)位于工作面的上方，而準備巷道和掘井巷道系統(tǒng)則處于工作面下方[4-5]。

2 基于電磁波覆巖結(jié)構特征探測

2.1 探測方案

本次觀測采用美國勞雷公司研發(fā)的SIR-20專業(yè)型高速地質(zhì)雷達光譜地磁技術，在+575水平45#煤層西翼頂板、底板巷道內(nèi)對采場煤巖體進行探測。具體采用MLF240cm型低頻組合天線，在超前工作面100 m～150 m范圍內(nèi)，分別在頂、底板側(cè)巷道內(nèi)進行連續(xù)測量。其中頂板側(cè)巷道內(nèi)測量方向與水平方向夾角為70°，對集中應力影響范圍內(nèi)巖體破壞特征進行探測分析；底板側(cè)巷道內(nèi)測量方向為垂直向上，對工作面煤體采空區(qū)以及部分直接頂進行探測。地質(zhì)雷達參數(shù)見第37頁表1，觀測方案見第37頁圖1。

2.2 探測結(jié)果及分析

頂板巖層探測結(jié)果分析。第37頁圖2反映了沿走向距工作面100 m～150 m范圍內(nèi)，工作面頂板內(nèi)裂隙、離層等弱面的分布特征。由第37頁圖2a)

表1 地質(zhì)雷達參數(shù)表

圖1 地質(zhì)雷達觀測方案

地質(zhì)雷達探測線掃描特征圖可知，垂向0 m～8 m范圍內(nèi)，圖像顏色變化較大，表明該范圍內(nèi)頂板巖層在巷道開挖與圍巖應力共同作用下裂隙發(fā)育，局部破碎嚴重；而在垂向8 m～19 m范圍內(nèi)圖像顏色變化單一，表明該范圍內(nèi)頂板巖層受周圍煤巖體的束縛，頂板巖層裂隙發(fā)育，但未產(chǎn)生就大范圍的離層；在垂向19 m～27 m范圍內(nèi)圖像顏色再次紊亂，表明頂板巖層破碎嚴重，甚至局部產(chǎn)生離層；而在垂向27 m～40 m范圍內(nèi)圖像顏色單一，表明頂板巖層完整。由圖2b)雷達波形時間剖面圖可看出：在垂向0 m～8.5 m范圍內(nèi)反射波的波形能量大，頻率高，判斷此處巖體松散；在垂向8.5 m～19 m范圍內(nèi)反射波的波形能量比0 m～8.5 m范圍內(nèi)的明顯減小，表明8.5 m～19 m范圍內(nèi)巖體破碎程度低；在垂向19 m～27 m范圍內(nèi)反射波波形的能量較大，但頻率較高，甚至局部呈現(xiàn)黑色區(qū)域，由此可以判斷此處為巖體裂隙發(fā)育，局部可能發(fā)生離層；在垂向27 m～40 m范圍內(nèi)波形變化幅度較小，表明巖體裂隙發(fā)育程度差。探測區(qū)域內(nèi)巖體裂隙發(fā)育程度較差，整體完整性較好，僅在0 m～8 m和9 m～27 m范圍內(nèi)裂隙發(fā)育。

圖3描述了煤層—采空區(qū)—直接頂板弱面分布的情況。由圖3a)地質(zhì)雷達探測線掃描特征圖可知，在垂向0 m～23 m范圍內(nèi)圖像顏色變化復雜，表明該區(qū)域內(nèi)煤體工作面煤體裂隙發(fā)育，局部破碎嚴重；在垂向23 m～30 m范圍內(nèi)煤巖體介質(zhì)松散，并在局部形成空區(qū)；在垂向30 m～40 m范圍內(nèi)，頂板巖層裂隙發(fā)育，但未產(chǎn)生明顯的離層。由圖3b)雷達波形時間剖面圖可看出：在0 m～5 m范圍內(nèi)波形振幅較小，極性為產(chǎn)生明顯的偏轉(zhuǎn)，表明該范圍內(nèi)煤體裂隙發(fā)育，但未發(fā)生明顯的離層；在垂向5 m～10 m范圍內(nèi)，波形振幅較大，局部極性為負，表明該范圍內(nèi)煤體破損嚴重；垂向10 m～23 m范圍內(nèi)，波形振幅較小，變化幅度小，表明該區(qū)域內(nèi)煤體裂隙發(fā)育；在垂向23 m～30 m范圍內(nèi)波形振幅大，多出極性為負，表明該范圍內(nèi)以松散介質(zhì)為主；在30 m～40 m范圍內(nèi)波形再次區(qū)域平穩(wěn)，表明該范圍內(nèi)巖體裂隙發(fā)育程度差。監(jiān)測區(qū)域內(nèi)煤體裂隙發(fā)育，部分區(qū)域破碎嚴重；采空區(qū)內(nèi)垮落的煤巖塊呈松散態(tài)，并在局部形成空區(qū)。

圖2 頂板巖層探測結(jié)果

圖3 煤層-采空區(qū)-巖層探測結(jié)果

3 采場巷道煤巖體應力特征監(jiān)測

3.1 監(jiān)測方案

為了更加真實全面的獲取北采區(qū)45#煤層實際開采過程中，工作面應力傳導規(guī)律，本文運用錨桿應力計對北采區(qū)45#煤層+575水平西翼工作面，進行錨桿應力監(jiān)測。錨桿的受力大小及分布，可以真實反映錨桿與錨固體之間的相互作用關系，可以判錨桿承載程度，判斷其是否發(fā)生變形、破裂，進一步判定巷道頂板及兩幫是否保持穩(wěn)定狀態(tài)。高強度錨桿和錨索實施安裝后，其桿體將承受因圍巖內(nèi)部原生或者次生的結(jié)構面及圍巖相對位移而產(chǎn)生的拉應力、剪切力與彎矩，為了解錨桿的實際工作的狀態(tài)，判斷圍巖煤巖體相對位移的發(fā)展趨勢。通過對錨桿或者錨索對錨固范圍內(nèi)的巷道圍巖的錨固狀態(tài)進行分析，反推該錨固區(qū)范圍內(nèi)巷道圍巖的整體受力情況[6-7]。

本次監(jiān)測在北采區(qū)45#煤層+575水平西翼工作面頂、底板巷內(nèi)各布置4個監(jiān)測點，其中1#監(jiān)測點與5號監(jiān)測點距工作面50 m，各監(jiān)測點間距為50 m。錨桿應力計安裝時應采用穿孔式固定安裝，安裝在錨桿的托盤和緊固螺母之間；安裝時要居中，首先對錨桿施加預應力，記下壓力表指示的的壓力值，此后定時量測錨桿與距工作面距離或與時間的變化關系。現(xiàn)場監(jiān)測方案及錨桿應力及安裝方式，如圖4所示。

圖4 采場應力監(jiān)測測站布置

圖5 采場應力監(jiān)測結(jié)果

3.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

隨工作面的不斷推進，各測點與工作面間的相對距離也逐漸縮短，且工作面的推進速度可視為勻速推進；因此單個測點不同時間段內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可反映距工作面不同位置應力變化特征。為了在減小誤差的前提下，盡可能真實的反映超前工作面不同位置的應力變化特征，在對個監(jiān)測點數(shù)據(jù)統(tǒng)計時，取頂、底板巷內(nèi)各監(jiān)測點距工作面同一距離的平均值作為統(tǒng)計樣本進行分析。具體統(tǒng)計結(jié)果如下。

圖5反映了頂、底板巷內(nèi)超前工作面不同位置的應力演化特征。由圖5可知，頂板巷內(nèi)圍巖應力值明顯高于底板巷，尤其是應力極值，頂板巷內(nèi)應力極值高達109 kN，而底板巷的應力集中僅為91 kN。根據(jù)頂板巷應力值曲線可知，在距工作面30 m～65 m范圍內(nèi)圍巖應力值隨距工作面距離的減小而平穩(wěn)升高，在距工作面8 m～30 m范圍內(nèi)應力增長速率驟增，且在8 m位置達到最大值91 kN，此后隨距工作面距離的減小應力值也不斷減小。與底板巷應力曲線變化趨勢相同，頂板巷應力曲線在距工作面27 m～65 m范圍內(nèi)應力值平穩(wěn)升高，在7 m～27 m范圍內(nèi)應力值增長速率較高，且在距工作面7 m位置應力達到最大值109 kN，而在0 m～7 m范圍內(nèi)應力值逐步減小。

采場頂板側(cè)煤巖體內(nèi)應力集中程度明顯高于底板側(cè)煤巖體；在超前工作面0 m～65 m范圍內(nèi)，巷道支護系統(tǒng)所受載荷整體偏高，尤其是在超前工作面0 m～40 m范圍內(nèi)，載荷高達45 kN～109 kN。

4 采場微震事件及能量變化特征分析

4.1 探測方案

具體監(jiān)測方案為，在+575水平45#西翼煤層綜采工作面安裝12通道微震系統(tǒng)，傳感器分布+575水平45#煤層西翼南巷與北巷，共放置4個單軸地音傳感器。

4.2 觀測結(jié)果及分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計過程中，選取連續(xù)50 d內(nèi)的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計樣本，重點分析每天釋放能量高于1×105J的微震大事件的變化特征。第39頁圖6反映了工作面正常推進，50 d內(nèi)微震事件釋放能量高于1×105J的大事件變化特征。由圖6可知，在監(jiān)測的第6 d～10 d與45 d～49 d內(nèi)微震大事件發(fā)生次數(shù)相對集中，每天平均發(fā)生4次～5次，且單個事件釋放能量值相對較高；而其他時間段內(nèi)，微震大事件發(fā)生次數(shù)較少，基本保持在1次～2次，甚至個別時間段內(nèi)微震大事件數(shù)為0次。與此同時，微震大事件所釋放能連變化特征與事件數(shù)變化特征基本相同，在第6 d～10 d與45 d～49 d微震事件總釋放能量高達 5×105J(統(tǒng)計范圍內(nèi)微震大事件共釋放能量7×105J)，且單個事件釋放能量也相對較高。工作面的推進過程中，采場微震事件及其釋放能量總體呈驟增—驟減—再驟增的趨勢。由此可以推斷，隨工作面的推進采場頂板巖體并未隨采隨落，而是在工作面推進一段距離后產(chǎn)生一定的破壞，其能量總體呈蓄積—釋放—蓄積的趨勢，且采場煤巖體能量釋放過程中，釋放時間短，釋放能量值高。

圖6 微震事件變化特征

5 采場巷道系統(tǒng)破裂特征探測

5.1 探測方案

本次監(jiān)測采用RSM-SY5智能松動圈檢測儀，對北采區(qū)+500水平45#煤層西翼巷道圍巖質(zhì)量進行測定。具體采用一發(fā)雙收測試，每3個測試鉆孔構成一組，頂板中心處1個，兩幫距離底板1.5 m處各1個，每個鉆孔深度為10 m，直徑為50 mm。測試前先將探頭伸至鉆孔底部進行注水，并用封孔器將空口封死，以防注水大量外流；待注水完成后再對圍巖進行探測，測試過程中每次拉出1 m，共測10個點，頂板巷內(nèi)南幫為巖石，北幫及頂部均為煤體，底板巷內(nèi)南幫為煤體，北幫為巖體。

5.2 觀測結(jié)果及分析

圖7反映了北采區(qū)+500水平45#煤層西翼工作面，頂?shù)装逑锏纼?nèi)縱波波速與孔深關系，即巷道圍巖破壞特征。由圖7a)可知，南幫在0 m～2.8 m范圍縱波波遠小于巖體標定值2 217 m/s，2.8 m～10 m范圍內(nèi)縱波波速在標定值2 217 m/s附近浮動；與南幫相比頂部巖體內(nèi)縱波波速整體較低，尤其在0 m～2.9 m范圍內(nèi)縱波波速均小于1 750 m/s；北幫煤體內(nèi)縱波波速在測程范圍內(nèi)整體小于煤體標定值1 629 m/s，局部范圍內(nèi)(0 m～2.8 m)縱波波速小于1 000 m/s；由圖7b)可知，南幫與頂部煤體內(nèi)縱波波速整體小于煤體標定值1 629 m/s，尤其在0 m～2.5 m范圍內(nèi)縱波波速遠低于標定值；北幫巖體內(nèi)縱波波速相對較高，除0 m～2.3 m范圍內(nèi)波速在1 500 m/s～1 900 m/s間變化為，其他區(qū)域縱波波速均在標定值2 217 m/s附近浮動。根據(jù)上述頂、底板巷縱波波速隨孔深的變化關系描述可知，由于頂板巖體強度較高，在集中應力作用下局部破壞嚴重，而其他區(qū)域僅裂隙發(fā)育；煤體強度相對較低，在集中應力作用下裂隙發(fā)育程度較高，甚至局部產(chǎn)生離層；而頂板巖體所受應力較低，未發(fā)生較大范圍的破壞。從而導致頂板巷周圍煤巖體破裂程度明顯高于底板巷煤巖體，且頂板巷北幫、底板巷南幫煤體破裂程度較高，在測程范圍內(nèi)大部分區(qū)域，縱波波速明顯低于其標定值1 629 m/s，由此可以推斷，在高應力作用下，頂板巷圍巖破裂程度高，承載能力較低，從而使巷道支護系統(tǒng)所受載荷較高；而頂板較頂板巷而言，破裂程度較低，其圍巖承載能力也大幅降低，巷道支護系統(tǒng)所受載荷較高。

根據(jù)上述分析可知：工作面頂板巷道圍巖破裂程度明顯高于底板巷道，松動范圍較大，對圍巖應力的承載能力較低；此外，頂、底板巷道煤體一側(cè)，破裂程度較高，甚至局部呈松散狀態(tài)，對圍巖應力的承載能力大幅降低。

圖7 波速與孔深關系

6 結(jié)語

現(xiàn)場監(jiān)測表明，工作面推進過程中，頂板整體完整，煤體裂隙發(fā)育，局部破碎嚴重，采空區(qū)內(nèi)局部頂板懸空，并隨工作面的推進，采場煤巖體內(nèi)微震大事件數(shù)與總釋放能量整體表現(xiàn)為驟增—驟減—驟增；工作面巷道松動范圍較大，對圍巖應力的承載能力較低，而在超前工作面7 m～40 m范圍內(nèi)，巷道支護系統(tǒng)所受載荷卻由40 kN～50 kN驟增至91 kN～109 kN。現(xiàn)場應用結(jié)果表明：井下與地面相結(jié)合的頂板弱化措施有效的改變了內(nèi)巖體能量存儲于釋放形式，采場發(fā)生強礦壓事件的幾率凸降，保證了工作面的安全生產(chǎn)。