峻德煤礦傾斜煤層開采沿空側巷道誘沖機理研究

江麗麗，李常浩，楊增強，翟春佳

(1.重慶工程職業技術學院，重慶 402260；2.潞安集團余吾煤業有限公司，山西 長治 046103；3.中國礦業大學(北京)能源與礦業學院，北京 100083)

近些年，隨著煤礦開采深度的不斷增加，以及綜采液壓支架在工作面的普遍應用，85%的沖擊地壓顯現均發生于巷道中，尤其是發生在沿空側回采巷道的超前段區域[1-3]。

我國煤炭資源賦存規律千差萬別，從各類地質條件中煤層可采儲量所占比重可知，傾斜煤層占比為10.16%，急傾斜煤層占比為3.88%[4-6]。雖然傾斜煤層所占比重較小，但礦井數量眾多，煤質一般較好，具有重要的開采價值。據不完全統計，在全國20多處重點礦區內，存在傾斜煤層開采條件的礦井數量高達100多個，約占全國重點礦井數的1/6[7-8]。鑒于此，開展針對傾斜煤層工作面開采誘發沖擊地壓機理的研究，對沖擊地壓準確判識預警與防治具有重要的指導意義。

1 工程地質概況

鶴崗礦區內的峻德井田褶曲簡單，煤系地層為走向呈北—北東、向東傾斜的單斜構造，煤層傾角為 25°～35°，平均傾角30°。井田內三水平北17層三四區二段工作面傾斜長度178 m，推進長度1 106 m，煤層傾角為28°～36°，平均傾角32°，屬于中傾斜煤層。該工作面主采17#煤層，其平均厚度9.8 m，采用放頂煤開采工藝。工作面回采期間，沿空側回風平巷多次發生沖擊地壓顯現，對礦井安全生產造成嚴重影響。如回采初期的“11.14”沖擊地壓事故，造成了回風平巷超前段嚴重破壞。

現場采集的煤巖樣沖擊傾向性測試結果表明：17#煤層單軸抗壓強度為19.353 MPa，動態破壞時間為2 077 ms，沖擊能量指數為2.893，彈性能量指數為6.417，根據國標GB/T 25217.2—2010可以綜合判定17#煤層具有Ⅲ類強沖擊傾向性；頂板復合彎曲能量指數為469.39 kJ，可以判定17#煤層頂板具有 Ⅲ類強沖擊傾向性。

2 傾斜煤層覆巖破斷特征

2.1 微震事件定位結果

通過礦方安裝的SOS微震監測系統對該次沖擊地壓事件進行監測分析，定位結果如圖1所示。

(a)平面圖

(b)剖面圖

由圖1可知，在三四區二段工作面內監測到1個1.17×104J的大能量微震事件，該事件位于工作面前方20 m、二段回風巷下幫40.90 m位置，且距煤層頂板40.43 m、距工作面頂板54.25 m。說明在傾斜煤層開采期間，工作面上側堅硬頂板較下側頂板更容易發生破斷而釋放較大的能量，進而形成強烈的動載荷。

2.2 覆巖運移規律物理相似模擬

根據三四區二段工作面現場地質情況，采用物理相似模擬實驗對回采工作面覆巖運移規律進行模擬研究，結果如圖2所示。可以看出，沿著工作面走向推進方向覆巖“三帶”呈等腰梯形破斷，垮落角α大小與巖層力學性質有關；沿著工作面傾向方向，由于受煤層傾角θ的影響(θ=30°)，覆巖“三帶”呈現出非對稱破斷特征，并沿傾向方向形成“空頂區→部分充填區→完全充填區→壓實區”的過渡結構特征[9-10]。可見，在傾斜煤層回采期間，工作面上部覆巖較下部的運移更為劇烈，從而更容易在工作面上部覆巖中形成劇烈的動力載荷。

(a)工作面走向

(b)工作面傾向

2.3 覆巖運移規律數值模擬

采用FLAC3D數值軟件對三四區二段工作面進行模擬，模型尺寸沿煤層走向長240 m，傾向長230 m，模型高度在煤層傾角為0°、15°、30°、45°時分別對應為80、130、186、235 m。所建立的三維模型采用Mohr-Coulomb強度準則作為煤巖體材料屈服判據，其煤巖物理力學參數如表1所示。

表1 煤巖物理力學參數

對于數值模擬結果，引入應力拱殼判別系數來進行分析[11]。關于應力拱殼判別系數，可由下式表示：

(1)

式中：η為應力拱殼判別系數；σ0、σ1分別為煤層開采前后同一位置處的應力值。

由公式(1)可知，當η<0時，表明煤層開采后應力降低，屬于應力降低區；當η>0時，表明煤層開采后應力增高，屬于應力增高區；當η=0時，表明煤層開采后應力不變，屬于臨界點，即應力拱殼的邊界值。根據數值模擬結果，并基于應力拱殼判別系數，可以得到三四區二段工作面開采后覆巖中應力拱殼的演化特征，如圖3所示。

(a)沿走向方向

(b)沿傾向方向

由圖3可知，沿工作面走向推進方向，覆巖中應力拱殼縱半軸高度隨著工作面的推進而不斷增大，當工作面推進至一定距離后，應力拱殼的縱半軸高度趨于穩定，此時形似一等腰梯形狀態；沿著工作面傾向方向，覆巖中應力拱殼形態受煤層傾角影響而呈非對稱分布特征，應力拱殼縱半軸最大高度位置偏向于回風巷一側，且隨著工作面的推進，呈現出的非對稱特征愈發明顯。

綜上所述，現場微震監測、物理相似模擬，以及FLAC3D數值模擬結果具有較好的一致性，說明傾斜煤層開采期間覆巖沿煤層傾向方向呈非對稱破斷特征，靠近回風巷的上側覆巖高位厚硬關鍵層更容易發生破斷，從而產生劇烈的動載擾動。

3 傾斜煤層煤體內應力演化特征

3.1 煤層內應力場演化規律數值模擬

基于FLAC3D數值軟件[12]對三四區二段工作面回采期間的模擬結果，可以得到不同煤層傾角下煤層內的應力分布規律，如圖4和5所示。

(a)θ=45°

(b)θ=30°

(c)θ=15°

(d)θ=0°

(a)θ=45°

(b)θ=30°

(c)θ=15°

(d)θ=0°

由圖4和5可知，隨著煤層傾角從45°向0°遞減，二段回風巷煤柱幫內應力峰值從86.18 MPa向57.53 MPa遞減，而二段回風巷實體煤幫內應力峰值從43.67 MPa向136.59 MPa 遞增。可見，隨著煤層傾角的減小，沿空側回風巷煤柱幫內應力集中程度減小，而實體煤幫內應力集中程度增大，說明當煤層傾角較大時，煤柱幫內存在較高的集中靜載荷，而在煤層傾角較小時，煤柱幫內的應力向實體煤幫轉移，此時實體煤幫內存在較高的集中靜載荷。工作面下側機巷實體煤幫應力集中程度較低，這說明鄰近采空區的殘余側向支承應力對下側機巷圍巖影響較小，而主要對沿空側回風巷造成影響。

3.2 回風巷圍巖應力場演化規律理論計算

針對沿空側回風巷兩幫煤體內應力演化規律，基于Winkler彈性地基假定[13]建立力學模型，如圖6所示。

圖6 回風巷兩幫煤體沿傾向方向力學模型

由圖6可知，假定支承基本頂的煤柱和實體煤符合Winkler彈性地基梁理論，則煤體對基本頂的垂直支承應力滿足下式：

p=-ky

(2)

式中：p為煤體對基本頂的垂直支承應力；k為墊層系數；y為煤體的垂直變形量。

將基本頂視為半無限長梁，取鄰近采空區邊緣位置為坐標原點，基本頂懸臂末端橫坐標為-L，基本頂受到豎直方向載荷q作用在基本頂上的垂直分量載荷qy，梁端面彎矩M0、剪切力Q0及軸向力N作用。參照Timoshenko解，可得基本頂彎曲變形微分方程：

煤柱上方(0≤x

EIy″″+Ny″=qy-ky

(3)

沿空巷道上方(W≤x

EIy″″+Ny″=qy

(4)

實體煤上方(W+W1≤x<∞)：

EIy″″+Ny″=qy-ky

(5)

根據現場調研和測試可知，q=γ(h1+h2)為豎向分布載荷，基本頂厚度h1=3.44 m，軟弱加載層厚度h2=1.56 m，體積力γ=25 kN/m3，EI為基本頂抗彎剛度，基本頂彈性模量E=30 GPa，基本頂慣性矩I=3.39 m4，根據基本頂抗拉強度Rt=3.46 MPa可求得懸臂梁A的最大懸臂長度L=5.58 m。因而M0=9.77 MN·m，Q0=1.37 MN，N=0.81 MN，N/EI=0.000 007 9 m2，墊層系數取k=100 MPa。根據三四區二段工作面實際煤柱留設寬度取W=12 m，巷道寬度取Wt=4 m，求解微分方程可以得到不同傾角條件下基本頂內位移變化曲線，如圖7所示。

圖7 基本頂內位移變化曲線

根據公式(2)可知,基本頂位移和煤體對基本頂的垂直支承應力呈正相關關系，因此煤層傾角變化導致的位移變化規律也能很好地反映出煤層中的應力變化情況。由圖7可知，隨著煤層傾角減小，回風巷煤柱幫內應力集中程度減小，實體煤幫內應力集中程度增大，應力集中由煤柱幫內向實體煤幫內轉移，這與前述數值模擬結果相一致。

4 傾斜煤層開采誘發沖擊機理

三四區二段工作面回采期間沿空側回風巷發生了多次嚴重的沖擊地壓事故，而掘進期間巷道穩定性卻相對較好，這說明掘巷引起的應力集中不足以誘發沖擊地壓。當與工作面回采引起的超前支承壓力疊加形成高集中靜載，并受回采引起的頂板破斷等動載擾動影響，易導致巷道兩側煤體在動靜組合擾動影響下而失穩發生沖擊。

根據沖擊地壓啟動理論[14-15]可知，巷道沖擊地壓的發生要經歷沖擊啟動、沖擊能量傳遞和沖擊地壓顯現3個階段。沖擊啟動階段煤體中過剩的能量Us可表示為：

(6)

式中：σj為巷道圍巖中的高靜載荷；σd為覆巖破斷形成的強動載荷；σmin為巷道圍巖失穩破壞的最小臨界載荷；E為巷道圍巖的彈性模量。

沖擊啟動階段Us沿煤體介質向巷道傳遞過程中所消耗的能量為UΩ1，沖擊顯現時支護系統具有的“柔性吸能功能”所消耗的能量為UΩ2，最終剩余能量ΔU以巷道淺部的煤體為載體向巷道自由空間沖出而釋放能量：

ΔU=Us-UΩ1-UΩ2

(7)

由公式(7)可知，巷道沖擊地壓發生的前提條件是Us>0，沖擊顯現的劇烈程度由ΔU的大小決定。因此，沖擊啟動是由巷道兩側內承受高集中靜載的煤體引起的，巷道淺部煤體、底板只是沖擊能釋放的載體，即沖擊地壓顯現位置。

因此，該傾斜煤層工作面后續回采階段，要做好工作面回風巷超前段的卸壓防沖工作，且卸壓防沖重點區域要結合現場實際煤層傾角進行分析選擇，從而確保降低沖擊地壓發生的可能性,減小沖擊顯現破壞程度。

5 結論

1)根據峻德煤礦“11.14”沖擊地壓微震監測結果，并結合物理相似模擬和數值模擬，得出傾斜煤層工作面開采期間覆巖沿煤層傾向方向呈非對稱破斷特征，靠近回風巷的上側覆巖高位堅硬關鍵層更容易發生破斷而形成劇烈的動載擾動。

2)對三四區二段工作面開采期間進行數值模擬和理論分析計算，得出沿空側巷道兩幫煤體內易積聚高集中靜載荷。且隨著煤層傾角遞減，回風巷煤柱幫內應力集中程度減小，實體煤幫內應力集中程度增大，應力集中由煤柱幫內向實體煤幫內轉移。

3)不同煤層傾角條件下高集中靜載荷在回風巷兩幫煤體內的積聚程度也不同，其與覆巖關鍵層破斷形成的劇烈動載擾動疊加，基于沖擊地壓啟動理論而誘發沖擊地壓。