深部臨空巨厚堅硬頂板斷裂礦震規(guī)律及成因研究

王桂利，孫文杰，趙 猛，馬志峰，鞏思園，3

(1.山東能源臨沂礦業(yè)集團有限責任公司，山東 臨沂 276017；2.徐州弘毅科技發(fā)展有限公司，江蘇 徐州 221008；3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

當頂板巖層為厚層堅硬巖層時，該巖層會承擔上覆巖層的大部分自重載荷，其穩(wěn)定性主導(dǎo)著地下開采上覆巖層運動的模式和規(guī)模[1]。與普通工作面對比，厚硬頂板型工作面由于頂板巖層單層厚度大、強度高、硬度大、節(jié)理裂隙發(fā)育程度低等特點，使得工作面回采期間上方頂板難以隨采隨冒，形成大范圍懸頂，使工作面前方巷道圍巖產(chǎn)生應(yīng)力集中，巷道斷面收縮變小，對工作面的安全生產(chǎn)帶來不利影響[2]。近年來，眾多學(xué)者及研究人員對堅硬頂板的活動規(guī)律及控制技術(shù)進行了大量研究[3-11]，通過研究巨厚堅硬頂板下礦震的發(fā)生規(guī)律，針對性實施防治卸壓措施，從而實現(xiàn)對沖擊地壓的預(yù)防。

根據(jù)2501采區(qū)實際生產(chǎn)狀況，除了首采面沒有出現(xiàn)沖擊地壓現(xiàn)象外，接續(xù)工作面回采時，由于開采深度增大、工作面臨空側(cè)頂板未垮落等因素疊加的作用，導(dǎo)致接續(xù)工作面沖擊危險性急劇增大，嚴重影響工作面的正常安全回采。現(xiàn)通過對250105工作面礦震活動規(guī)律進行分析，確定該工作面回采過程中應(yīng)力分布的狀態(tài)，針對應(yīng)力集中區(qū)域進行防治，如利用頂板深孔爆破、水力致裂等卸壓手段，提前對頂板關(guān)鍵性巖層進行預(yù)裂，從而更精準地治理沖擊地壓[12-21]。此外，該分析結(jié)果可以為2501采區(qū)后續(xù)相同條件下工作面的沖擊地壓防治提供參考依據(jù)，確保采區(qū)的安全回采。

1 工作面概況

250105工作面為2501采區(qū)的接續(xù)工作面，對比首采工作面其具有更高的沖擊危險性。所屬煤層為5煤層，煤層傾角偏小，一般在5°～9°，工作面走向可采長度約2 200 m，傾向長度210 m，工作面埋藏深度大于400 m，已具備發(fā)生沖擊地壓的深度條件。工作面西側(cè)臨近250103工作面采空區(qū)，區(qū)段煤柱以小煤柱形式留設(shè)，寬度為6 m。煤層上覆頂板中存在一層厚度為30 m的細砂巖基本頂，距煤層約8 m(表1)，該細砂巖基本頂是控制工作面頂板活動的關(guān)鍵巖層。同時煤層本身具有強沖擊傾向性，因此該堅硬頂板的斷裂對工作面回采期間的沖擊危險性影響頗大。工作面布置如圖1所示。

圖1 250105工作面布置示意Fig.1 250105 working face layout diagram

表1 250105工作面柱狀Tab.1 Column diagram of 250105 working face

2 微震數(shù)據(jù)分析頂板運動及破斷震動規(guī)律

微震監(jiān)測技術(shù)是指利用煤巖破裂過程中的微震活動信息來研究煤巖結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的一種實時、動態(tài)、連續(xù)的地球物理方法。通過監(jiān)測和分析巖體損傷破裂過程中產(chǎn)生的微震信號，該技術(shù)能對煤巖破裂產(chǎn)生的微震事件進行定位，研究巖體內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)、破裂機制以及釋放的能量，并對煤巖破裂危險性進行監(jiān)測預(yù)警[9]。

該礦已安裝SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)，并在250105工作面周圍布置多個拾震器，滿足對工作面回采期間的微震監(jiān)測。此次主要統(tǒng)計了250105工作面5月—7月回采階段的礦震事件，并按月份對能量大于104J的礦震事件進行了定位。各級礦震能量頻次及其占比統(tǒng)計見表2，每月礦震分布演化情況如圖2所示。由表2可知，250105工作面3個月共監(jiān)測到2 799次礦震事件，其中104～105J能量事件占比最多，并且105J以上的礦震事件占比達到10.32%，共出現(xiàn)7次106J以上的高能礦震事件。

圖2 250105工作面104 J能量以上礦震平面分布Fig.2 Plane distribution of mine earthquake with energy above 104 J in 250105 working face

表2 250105工作面礦震能量及頻次統(tǒng)計Tab.2 Statistics of mine earthquake energy and frequency on 250105 working face

從這3個月的礦震平面分布定位演化圖可以看出，礦震事件的分布隨著工作面不斷推采逐漸向推采方向移動。結(jié)合3個月的礦震剖面分布(圖3)，可見礦震事件多發(fā)生工作面煤層中，頂板細砂巖層位事件較為密集，表明250105工作面因回采擾動而引起上覆細砂巖巖層失穩(wěn)破斷，由于上覆細砂巖頂板單層厚度大，自身靜載應(yīng)力高，回采過程中疊加動載應(yīng)力時易導(dǎo)致該巖層斷裂，進而誘發(fā)礦震事件。

由表2可知，250105工作面5月—7月回采期間，在采動影響范圍內(nèi)監(jiān)測到105J能量以上的礦震事件289次，現(xiàn)對105J以上礦震事件分別沿走向及傾向進行能量、頻次統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。從走向統(tǒng)計圖4(a)、圖4(b)可以看出，105J以上礦震事件主要集中分布在工作面前方0～100 m內(nèi)；從傾向統(tǒng)計圖4(c)、圖4(d)可以看出，105J以上礦震事件主要集中分布在250105工作面回風(fēng)巷及250103工作面采空區(qū)側(cè)。

圖4 250105工作面105 J以上礦震事件統(tǒng)計Fig.4 Statistical chart of mine earthquake events above 105 J in 250105 working face

表明該工作面回采期間高應(yīng)力集中區(qū)主要分布在臨近250103采空區(qū)的回風(fēng)巷和本工作面超前100 m范圍內(nèi)的巷道區(qū)域。因此，受深部臨空巨厚堅硬頂板條件影響下，工作面臨空巷道及超前巷道相比其余巷道區(qū)域沖擊危險程度要更高，是需要重點監(jiān)測及防治的區(qū)域。

3 工作面回采期間應(yīng)力分布數(shù)值模擬分析

3.1 計算模型的建立

模擬機采高度為5 m，放頂煤厚度為8 m，累計開挖厚度有13 m。走向以50 m為一開挖階段，500 m范圍共分10個階段，采用完全垮落法處理采空區(qū)。此次模擬主要為了探究250105工作面開采過程中應(yīng)力的分布范圍。

計算模型長2 050 m、寬450 m、高440 m，巷道斷面寬5.0 m、高4.8 m。選取模型以250105回風(fēng)巷右下角為零點建立坐標系，沿X軸正向2 000 m，沿X軸負向50 m；沿Y軸正向260 m，沿Y軸負向190 m；Z軸方向按照真實地層走勢建立，標高+670～+1 100 m。三維模型共劃分571 950個單元，599 872個節(jié)點。四周邊界為法向約束，下部邊界為全約束邊界；上部邊界為自由邊界。上部邊界以上的巖層作為外載荷施加在模型的上邊界上，作用力為5 MPa。此次模型建立包含250105工作面，及臨近的250103、250101、250102，模擬開挖順序為2501采區(qū)實際開采順序，即先開挖250101工作面，再順序開挖250102、250103、250105。上覆巖層按照實際地層建立，三維模型圖具體如圖5所示。

圖5 250105工作面巖層三維模型Fig.5 Three dimensional model of rock stratum in 250105 working face

3.2 模擬結(jié)果分析

為了分析不同開挖階段工作面圍巖的應(yīng)力分布，分別對模型沿走向及傾向進行剖切，從剖面圖中分析圍巖的應(yīng)力集中分布狀態(tài)。不同開挖階段工作面走向剖切應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 不同開挖階段工作面走向剖切應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of working face in different excavation stages

從圖6中可以看出，250105工作面初采階段前方應(yīng)力集中程度不太明顯，但已表現(xiàn)出前方應(yīng)力升高，隨著工作面不斷向前開挖，工作面前方應(yīng)力集中程度開始升高，并且逐漸聚集形成一個應(yīng)力集中區(qū)域，范圍一般在工作面前方20～90 m。該應(yīng)力增高區(qū)主要分布在工作面前方頂板巖層中，范圍向上最大延伸至頂板55 m，向下最大延伸至底板15 m，特別是在頂板上方0～40 m處存在一個高應(yīng)力集中區(qū)。此應(yīng)力集中區(qū)主要是由于受本工作面回采擾動，厚30 m的細砂巖基本頂周期破斷所致。

傾向上沿250105工作面開挖后前方30 m位置處進行剖切，前4個開挖階段工作面傾向剖切應(yīng)力分布如圖7所示。從圖7中可以看出，回采過程中在250105工作面回采擾動和250103工作面采空區(qū)上覆厚層細砂巖基本頂失穩(wěn)破斷的雙重影響下，煤體及上方頂板中應(yīng)力集中程度尤為嚴重，其范圍隨煤層不斷向前開挖逐漸覆蓋工作面的傾斜長度，尤其在靠近回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)頂板巖層0～40 m，會造成一個應(yīng)力高度集中區(qū)。

圖7 前4個開挖階段工作面傾向應(yīng)力分布云圖Fig.7 Cloud chart of inclination stress distribution of working face in the first four excavation stages

模擬結(jié)果隨著工作面不斷向前推采，工作面推采位置前方一直存在一個應(yīng)力增高區(qū)域，范圍大致在工作面前方20～90 m位置處。表明250105工作面回采階段圍巖體中的應(yīng)力集中現(xiàn)象主要是由于回采擾動引起本工作面頂板厚30 m細砂巖基本頂周期破斷以及緊臨250103工作面采空區(qū)上覆厚層細砂巖基本頂失穩(wěn)破斷造成的。在工作面回采過程中，隨著厚硬細砂巖基本頂?shù)闹芷谄茢啵敯鍋韷簳r，沖擊地壓容易在此區(qū)域發(fā)生顯現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1)應(yīng)用微震監(jiān)測系統(tǒng)定位并分析了250105工作面回采期間的礦震事件，同時對105J能量以上的礦震事件分別沿走向及傾向進行了能量、頻次的統(tǒng)計，其中105J能量以上的礦震事件明顯集中在250103工作面采空區(qū)側(cè)及工作面前方0～100 m，表明臨空巨厚頂板條件下出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象的主要原因是采空區(qū)未完全垮落的頂板及本工作面厚硬頂板的破斷。

(2)采用FLAC3D模擬了不同開挖階段工作面圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，并沿走向及傾向?qū)ぷ髅孢M行了剖切。通過走向剖切及傾向剖切的應(yīng)力分布圖可以看出，隨著工作面向前推采，工作面前方20～90 m及靠近回風(fēng)巷側(cè)頂板巖層0～40 m均為應(yīng)力高度集中區(qū)域，表明250105工作面回采階段圍巖體中的應(yīng)力集中現(xiàn)象主要是由于回采擾動引起本工作面厚硬細砂巖基本頂周期破斷以及緊臨250103工作面采空區(qū)上覆厚層細砂巖基本頂失穩(wěn)破斷造成的。

(3)微震數(shù)據(jù)分析及FLAC3D數(shù)值模擬2種方法得出的應(yīng)力集中區(qū)域基本一致，表明250105工作面回采期間礦震事件主要集中分布在工作面前方及工作面臨近采空區(qū)側(cè)，厚硬頂板的破斷對礦震事件的誘發(fā)起主要控制作用，工作面回采前可在臨空側(cè)巷道施工頂板深孔爆破來提前斷頂，降低工作面回采期間臨空側(cè)順槽巷道的圍巖應(yīng)力，從而降低其沖擊危險性。