基于關鍵層控制原理的淮南礦區煤巖動力災害分析

甘林堂

（淮河能源控股集團，安徽 淮南 232001）

動力災害的產生是由于采礦活動引起的，其危險源在于原位煤巖層中聚集了大量的彈性能量受采動影響釋放。動力災害發生后，關鍵硬巖層既是應力承載的主體，同時兼具承載應力轉移的傳遞載體，疊加效應作用于周邊煤巖體進而加劇了煤巖動力災害強度。近年來，國內相關科研機構在煤礦開采過程中對采場上覆頂板關鍵層破斷規律開展了大量研究，形成了系列成熟的關鍵層覆巖破斷控制技術以及瓦斯運移控制技術[1]，而對原巖應力狀態下受地球內部運動關鍵覆巖層控制軟巖層彈性應力分布差異研究較少，前蘇聯學者布霍依諾·G提出的夾持煤體理論[2]沒有持續研究，對形成動力災害的機理、主次控制因素研究忽視了關鍵硬巖層的內在作用分析。現有針對沖擊地壓發生機理的研究，主要有強度理論[3]、剛度理論和能量理論[4]、“三準則”理論、沖擊傾向性理論、變形失穩理論，但上述理論對沖擊動力災害的預測方法、相關參數及預防措施的可靠性均存在解釋不清的地方，采取的防控措施也做不到精準施策。以淮南礦區的工程條件為基礎，為此，以關鍵硬巖層為地球應力場的承載主體，分析了關鍵層控制形成煤層及上覆頂板彈性能富積區（應力集中區）機理，提出了基于關鍵層控制理論的防控煤巖體動力災害措施，防止在一定范圍內形成能量（應力）富積區，降低采掘作業空間動力災害的始沖能量，從而防止煤巖動力災害的發生。

1 淮南礦區煤巖層賦存概況

淮南礦區處于黃淮平原的南部，礦區煤層賦存為高瓦斯煤層群，8～15層可采煤層中主采的C13、B11、B8、B4煤層均為強突出煤層，煤層瓦斯含量為12～26 m3/t，煤層瓦斯壓力最高達6 MPa。煤的堅固性系數為0.2～0.8，滲透率為0.001×10-15m2，煤體極松軟，煤層透氣性低。主采煤層普遍上覆厚硬巖關鍵層。如新莊孜礦主采C13煤層頂板砂巖直覆厚度14～20 m，平均18 m；主采B11b煤層頂板33 m范圍內發育2層較厚的中砂巖，平均厚度分別為7.5、10 m；謝橋礦8#煤頂板向上10 m發育1層平均厚度15 m的細砂巖和石英砂巖，潘二礦4#煤頂板發育3.7～11.5 m砂巖，淮南礦區煤層綜合柱狀圖如圖1。

圖1 淮南礦區煤層綜合柱狀圖（局部）Fig.1 Comprehensive histogram of coal seams in Huainan Mining Area（for the partial）

2 關鍵層控制消除彈性能富積機理

地下煤巖層因自重和構造應力的存在，始終處于受力狀態。當煤巖體的受力狀態解除后，煤巖體變形恢復，貯存在煤巖體內的彈性能以對外做功的形式表現出來。真三軸應力狀態下的煤巖體變形破壞全階段的應力-應變曲線[5]如圖2。

從圖2中煤巖體應力-應變關系的前3個階段也看出，原巖體隨三軸應力值增大而應變增大，軟弱煤巖體內儲存的彈性能也越多。堅硬巖體受力變形破壞小，厚煤層因變形量大儲存彈性能相對較多，而主要的厚硬巖層控制一定范圍內相對軟弱煤巖體彈性能分布，是其控制空間自重應力和水平應力承載的主體。淮南礦區的強突出煤層C13、B11、B8、B4均存在上覆厚硬關鍵層（圖1），正是厚硬巖層的作用造成上述煤層采掘作業過程多次發生動力災害。故把所提“主要的厚硬巖層”定義為主導動力災害的關鍵層，也是這些關鍵層的作用促使形成下述文中所述動力現象幾種特征。

圖2 煤巖體變形破壞的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain relationship of rock mass

2.1 主關鍵層破斷斷層兩側彈性能的富積

煤礦井工開采大部分為多煤層開采，上覆覆蓋硬巖基本頂關鍵層，故存在多層關鍵層，正常情況下關鍵層對下覆軟巖（煤）作用形成的能量（應力）富積是均勻的，但由于煤巖體在不同區域存在賦存的差異，導致區域關鍵巖層的承載狀態和促使煤巖變形的能力以及軟弱煤層的變形量也有不同；同時受地球自轉應力場作用，進一步加劇不同區域的應力集中程度和彈性能積聚差異。煤巖體弱斷面屈服、破壞在平面上表現為硬巖關鍵層下的軟弱煤巖體破碎產生裂隙，在垂面上則是水平應力促使承載主體的關鍵層產生變形，部分地段形成褶曲，大部分地段由于關鍵層變形量小的特征則形成斷裂構造。褶曲構造為背斜時，關鍵層下煤巖體儲存彈性能受關鍵層夾持控制往往產生應力集中區，褶曲構造為向斜關鍵層時，下部煤巖體儲存彈性能情況則相反。硬巖關鍵層破斷產生斷層時，巖體貯存的彈性能向周邊轉移，造成構造破壞帶兩側一定范圍內關鍵層下覆煤巖體彈性能富積，彈性能富積區垂向應力和水平應力大幅提升，形成構造應力集中區，成為關鍵硬巖層板狀結構的支撐點（帶），是動力災害易發區[6]。當存在多層堅硬巖層時首先是垂面方向上的下部較弱的巖層先行破斷，周邊集中應力隨巖層的破斷向外轉移，最后破斷的硬巖層破斷前關鍵層控制的周邊集中應力（能量）最為富集。因此把控制動力能量最為富積的巖層為主關鍵層，其他相對軟弱的硬巖層為亞關鍵層。多層關鍵層的承載狀態如圖3。

圖3 多層關鍵層控制作用承載狀態示意圖Fig.3 Schematic of the bearing state of control action of the multi-layer key layers

從圖3可以看出，水平地應力作用形成斷裂構造，促使形成斷層兩側一定范圍形成應力集中區，雖然應力集中區內垂直應力同時升高，較周邊集中，但形成這種狀況的主導作用是水平地應力，因此煤礦構造應力表現出的顯著特征是水平地應力大于垂直地應力。同時可以看出，水平地應力作用形成斷層構造促使產生能量（應力）富集的同時，由于關鍵層板狀結構的承載狀態和控制地應力分布的主導作用，垂直應力分布呈現出高低的不均衡性。淮南礦區-1 000 m以淺地殼運動水平地應力促使形成斷層、褶曲構造如圖4，淮南礦區地質異常體的形成正符合這一特征[7]。

圖4 淮南礦區水平地應力形成地質異常體示意圖Fig.4 Sketch of geological anomaly formed by horizontal in-situ stress in Huainan Mining Area

2.2 彈性能的富積引發動力災害分析

淮南謝一礦望峰崗井正是位于圖中阜鳳斷層帶的八公山區范圍，主井深956 m處揭13#煤突出事故，煤厚6.5 m；頂板為6～8 m厚的細砂巖基本頂關鍵層，突出點沿傾斜向上200 m處存在3條落差60～80 m的F13-5、F13-6、F13-7斷層組，突出位置南偏西200 m正是垂直上述斷層組的斷裂方向，表現出水平構造應力垂直于斷層面、應力方向指向斷層面的反向。事故突出煤量2 153 m3，瓦斯量約2.9×105m3，12人遇難。按照突出時突出煤體以沿煤層傾斜上幫向上延伸30°或60°向外擴展計算，待掘井筒上側27～38 m的突出煤體全部傾出于井筒中，動力災害突出深度達38 m以上，反映關鍵層板狀結構形成大構造的集中應力控制著較大范圍的突出危險區域，應力集中最嚴重地段處于封閉式斷層組200 m以遠。

淮南礦區第2大突出動力事故潘二礦W2B組運輸石門（4#煤）突出煤量1 433 t，事故地點處于F28（H＝30 m）、F68（H＝30 m）2個斷層交叉處150 m以遠。而淮南礦區141起突出動力事故在斷層面處表現出頻次多、以中小動力災害為主。充分說明關鍵層控制下的封閉式斷裂構造50～200 m以遠的范圍為關鍵層下應力最為集中（彈性能最富積）的區域，呈現流體態失穩[8]。礦井對該類關鍵層控制的斷層帶區域一定范圍（一般建議以200 m以遠產界）應劃為禁采區或緩采區，否則必須采取強化防控沖擊動力災害措施。

2.3 連續關鍵硬巖層傳轉應力

原巖應力作用下張集礦1152（3）工作面軌道巷頂板垂直應力測試如圖5。

圖5 張集礦1152（3）軌道巷頂板應力轉移變化分布圖Fig.5 Distribution of stress transfer along the roof of 1152（3）r ail in Zhangji Mine

圖5中橫坐標-8～0 m段為8 m煤柱區域，0～5.2 m是煤巷。工作面煤巷開挖前后頂板的應力位置分布反映了頂板關鍵層承載集中區從8 m煤柱位置轉移傳遞到煤壁26 m處，研究發現軌道巷掘進過程監測也有1處附近應力轉移顯現不明顯的，分析是該處存在斷裂構造，應力轉移分散到頂板以遠空間。可見頂板硬巖關鍵層是轉移并控制開采層采場應力（能量）分布的主要因素。掘進工作面5～10 m范圍為采動應力集中區。

開采擾動會改變原巖的應力狀態。隨采掘向前推進，超前應力向前方及周邊轉移形成采動應力集中區，在采掘作用應力集中區處誘發動力災害[9-10]，如遇應力疊加則動力災害將加劇擴大。重慶中梁山南礦+290 m水平南西二半抬高石門揭開西K10煤層多次動力疊加導致突出[11]過程也證實了這一規律。

3 控制關鍵層防治動力災害措施

關鍵層控制一定范圍內相對軟弱煤巖體彈性能分布，控制應力集中區分布，決定了軟煤層內彈性能積聚，因此關鍵層是突出動力災害發生的主導因素。

3.1 防治原理

關鍵層破斷形成斷層構造帶，斷層構造帶兩側一定范圍彈性能最富積。構造帶附近的能量富積（應力集中）極易發生動力災害，且發生動力災害時表現出斷層落差越大，動力災害表現越強烈。關鍵層控制下的水平地應力作用形成斷裂構造，促使形成斷層兩側一定范圍形成應力集中區。

關鍵連續硬巖層也是傳遞轉移關鍵層承載應力（能量）的載體，分析和試驗研究均證實完整頂板會加大集中應力的形成及加劇災害的擴大。為減輕工作面應力集中和防止動力災害擴大應采取切縫措施切斷應力傳遞途徑。

3.2 防治措施

1）保護層區域開采卸壓措施。開采保護層能解除應力集中和彈性能積聚，解除關鍵硬巖層或關鍵硬巖層上覆的其他荷載，因此動力災害治理措施首選為開采下保護層，由于關鍵硬巖層下隨著軟巖層厚度增加，采場前方應力集中的峰值數值和位置都有遠離采場的趨勢[12]，宜選擇關鍵層下60 m以遠的煤（軟巖）層先行開采。

2）區域卸壓槽切頂措施。連續關鍵硬巖層是傳遞轉移承載應力的傳遞載體，爆破和煤巖體水壓致裂預裂切縫起到阻斷連續頂板傳遞應力[13-16]，將應力轉移到開采層更遠以外的區域，阻止動力災害應力疊。

3）劃為禁采區或緩采區或采取其他有效強化防控沖擊動力災害措施。由于關鍵層板狀結構形成大構造的集中應力控制著較大范圍的突出危險區域，造成封閉式斷裂構造50～200 m形成應力集中最嚴重（彈性能最富積）地段，動力災害的危險性最大，且斷層面附近50 m以內的動力災害發生頻次多、以中小動力災害為主，也會嚴重威脅安全，因此應封閉式斷裂構造200 m以內的范圍劃為禁采區或緩采區，對掘進作業必須穿過的應采取有效強化防控沖擊動力災害措施，如定向長鉆孔水力壓裂技術，通過定向長鉆孔遠程對封閉式斷裂構造進行壓裂破壞煤巖體產生裂隙，降低封閉式斷裂構造能量的突然釋放，可以大幅度減少煤巖動力災害的發生頻率和強度，有效的防控沖擊動力災害的發生。

4 結語

1）分析了三軸應力狀態下應力煤巖體應力應變曲線，厚煤層因變形量大儲存彈性能相對較多，厚硬巖層控制一定范圍內相對軟弱煤巖體彈性能分布，是空間自重應力和水平應力承載的主體。

2）通過彈性能的富積引發動力災害的實例，分析連續關鍵硬巖層傳轉應力規律及連續關鍵硬巖層傳轉的能量轉移疊加效應，認為這是形成動力災害的主導因素。

3）關鍵層控制下的水平地應力作用形成的斷裂構造，促使形成斷層兩側一定范圍形成應力集中區，揭示關鍵層控制消除應力集中區的機理。

4）提出了基于關鍵層控制原理的保護層區域開采卸壓、區域卸壓槽切頂、劃為禁采區或緩采區、定向長鉆孔水力壓裂技術等有效強化防控沖擊動力災害措施。