多因素耦合誘發孤立煤體沖擊地壓機理研究

陳 洋董春雨于海峰文志杰

(1. 北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083； 2. 華北科技學院 安全工程學院，河北 廊坊 065201；3. 山東濟寧運河煤礦有限責任公司，山東 濟寧 272055； 4.山東李樓煤業有限公司，山東 菏澤 274700； 5. 山東能源集團有限公司，山東 濟南 250014； 6. 濟寧礦業集團公司安居煤礦，山東 濟寧 272059； 7. 山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590)

隨著我國煤礦逐步進入深部開采階段，所面臨的問題與淺層開采有著很大不同[1-3]。煤礦在深部開采時發生沖擊地壓事故的機率大大提高，我國學者在煤礦沖擊地壓事故的發生機理、防治方法等方面取得了較多研究成果[4-9]。礦井深部開采時在高地應力作用下，遭遇斷層、沿空開采與形成孤立煤體等情況時，受開采擾動易發生沖擊地壓事故。在沿空開采方面，姜福興等[10]分析了決定深部開采沿空巷道沖擊危險性的關鍵因素；姜耀東等[11]基于地應力測量和三維建模技術探索了一種確定構造應力區沿空巷道合理窄煤柱寬度方法。斷層影響方面，姜福興等[12]研究了巨厚礫巖與逆沖斷層控制下特厚煤層工作面沖擊地壓致災機理；李康等[13]認為斷層、側向頂板結構以及頂板周期破斷是影響礦震發生的主要原因；楊偉利等[14]分析了斷層構造應力和臨斷層采動工作面上覆巖層運移對沖擊地壓的影響；曹明輝等[15]利用數值模擬方法研究了工作面沿斷層走向推進時，斷層煤柱寬度的大小對斷層活化失穩與斷層內部能量變化的影響；Jiao等[16]通過對義馬煤層斷層附近的圍巖研究發現，斷層附近圍巖發生沖擊地壓的風險與礦體埋深呈正相關。孤立煤體開采方面，王高昂等[17]研究了深井大巷切割形成孤立煤體整體失穩誘發沖擊地壓機理；李東等[18]分析了兩工作面之間間隔大煤柱一側工作面回采完畢、另一側工作面進行回采時沖擊地壓發生機理；宋艷芳[19]等針對煤礦沖擊地壓發生具有滯后性的特點，采用解析分析方法建立了孤立煤柱蠕變失穩理論；Shen等[20]通過對某礦11061工作面孤立煤體的研究，提出使用大直徑鉆孔與松動爆破等手段綜合控制沖擊地壓災害的方案。

眾多學者對深部礦井煤層沿空開采、遇斷層開采、孤立煤體開采等問題進行了大量研究，但對煤層受采空區、斷層聯合影響形成孤立煤體發生沖擊地壓事故的研究較少，故本研究以某礦“2·22”沖擊地壓事故為背景，采用數值模擬的方法分析工作面在采空區、斷層的影響下，孤立煤體的應力、塑性區演化、孤立煤體開采至“見方”時在側向支承應力、超前支承應力與斷層附近應力集中區域疊加影響下的應力集中分布情況，揭示此類孤立煤體的沖擊地壓發生機理，為此類工作面的安全回采提供依據。

1 事故分析

1.1 工作面概況

某礦2305S綜放工作面位于-810水平二采邊界下山以北，東為正在準備的2306S工作面，西為開采完畢的2304S工作面，工作面平均埋深980 m，工作面走向長度2 294.5 m，傾斜長度270 m。FD8斷層位于工作面北部，主要位于三聯巷以北，為正斷層，三維地震解釋斷層落差為0～15 m，傾角70°，傾向NW，走向NE，斷層在工作面延展長度720 m。FD11斷層位于工作面中部，為正斷層，傾向E，走向近NS，斷層落差0～15 m，斷層面傾角70°，斷層在工作面延展長度750 m。工作面與斷層分布示意如圖1所示。本工作面開采煤層為3煤，煤體抗壓強度為17.4 MPa。煤層直接頂為8.73 m厚的砂巖，老頂為11.06 m厚的中粒砂巖，直接底為0.35 m厚的泥巖，老底為2.52 m厚的粉砂巖。經鑒定，煤層和頂底板均具有弱沖擊傾向性。

1.2 事故概況

2305S工作面推采至250 m時，發生了“2·22”沖擊地壓事故。經現場事故勘查，事故區域為2305S工作面上平巷自上端頭10 m以外420 m，三聯巷66 m，合計486 m，工作面受事故破壞區域范圍如圖2所示。事故造成的破壞詳見表1。

圖1 2305S工作面分布情況Fig. 1 Distribution of 2305S working face

表1 事故所造成的破壞Tab. 1 Damage caused by the accident

圖2 事故造成的破壞區域范圍Fig. 2 Damage area caused by the accident

2305S工作面布置了KJ551微地震監測系統，微地震監測系統布置方式為：上、下巷距切眼60、120、180和240 m處設置4組頂板檢波器測站；上、下巷距切眼90和210 m處設置2組底板檢波器測站，允許誤差范圍±1 m。根據工作面推進速度隨撤隨安裝，保證不少于6組測站正常運行。同一巷道的檢波器采用頂、底板交叉布置。在事故發生前的2月22日6點17分，微震監測到距工作面面前90 m，上巷以下31.2 m處發生能量達4.2×107J的大能量事件，并引發3級礦震。事故發生后，工作面區域微震事件持續發生，但是其能量大小相比事故發生時微震事件大為降低，主要集中發生在工作面面前160 m至工作面面后80 m范圍之間，少量微震事件分布在2304S采空區。其發生時間、數量、位置詳見圖3。

圖3 事故發生后工作面微震事件分布圖Fig. 3 Distribution map of microseismic events at working face after the accident

圖4 數值模擬計算模型Fig. 4 Numerical simulation calculation model

2 應力與塑性區演化數值模擬

以某礦2305S工作面為背景，利用FLAC3D數值模擬軟件模擬2305S工作面從開挖到發生沖擊地壓事故期間的應力與塑性區演化規律。模型長×寬×高=900 m×700 m×120 m，模型頂部為應力邊界，模型四周和底部施加位移約束，數值模擬模型見圖4。為模擬埋深980 m煤層的初始受力情況，模型頂部施加22.5 MPa的垂直應力作為均布載荷替代上覆巖層重量；為模擬工作面受FD8正斷層的影響，在模型水平方向施加垂直方向上最大梯度變化為11.25 MPa的應力，模型采用interface建立接觸面模擬FD8正斷層。模型計算采用Mohr-Coulomb準則，物理力學參數見表2。

表2 模型各層的巖石物理力學參數Tab. 2 Each layer of rock physical and mechanical parameters in model

2.1 FD8斷層與2304S采空區對應力分布的影響

FD8斷層為正斷層，2305S工作面未開采時，斷層處于未活化狀態，在煤層上盤靠近斷層一側形成寬度約80 m的應力集中區域，但應力集中系數較低，僅為1.12左右，應力集中區域分布見圖5。

2034S采空區走向長度超過2 000 m，但事故發生時，2305S工作面僅沿2304S采空區開采約145 m，因此為控制數值模擬模型大小，模型中2304S采空區走向長度縮短為350 m。因受2304S工作面采空區的影響，2305S工作面采空區一側煤體會承受側向支承應力，為探究側向支承應力與超前支承應力的影響范圍與大小，在數值模擬計算模型上布置側向支承應力監測線與超前支承應力監測線，布置位置如圖6。

圖5 斷層附近應力分布Fig. 5 Stress distribution near faults

圖6 應力監測線布置位置Fig. 6 Layout position of stress monitoring line

如圖7所示，隨著距采空區距離的增加，采空區側向支承應力急劇增加，在距采空區約30 m處達到峰值55.81 MPa，此處應力集中系數為2.28。隨著距采空區距離的繼續增加，側向支承應力逐步下降，但受2304S采空區與FD8斷層的疊加影響，側向支承應力仍在煤層原始應力之上。在經過FD8斷層后，受斷層影響，側向支承應力突然下降約3 MPa，之后逐漸恢復到煤層原始應力大小。

側向支承應力在斷層處出現突然下降，且在斷層下盤附近，煤層所受應力略小于煤層原始應力。隨著與斷層距離的增加，煤層所受應力逐步恢復為煤層原始應力大小。這種現象證明斷層阻礙了側向支承應力的傳播，且造成斷層上下盤所受側向支承應力在斷層附近波動較大。

圖7 側向支承應力影響范圍與采空區側向支承應力曲線Fig. 7 Influence range of lateral bearing stress and the curve of lateral bearing pressure in goaf

2.2 工作面推采的應力演化分析

數值模擬計算2305S工作面斷層上盤部分推采10、50、105、150、200和250 m時的應力分布狀態，分析工作面在推采時超前支承應力演化過程。

如圖8所示，2305S工作面推采10 m時，由于開采范圍較小，距2304S采空區距離較遠，工作面超前支承應力較小，受采空區側向支承應力影響也較小。2305S工作面推采50 m時，隨著開采范圍的擴大、與2304S采空區距離逐漸減小且工作面開始經過斷層，工作面上平巷端頭前方附近開始出現應力集中現象，但應力集中程度較小。推采到105 m時，到達2304S工作面切眼位置，2305S工作面開始進入沿空開采階段。此時，由2304S采空區、FD8斷層與2305S工作面推采形成的采空區在斷層上盤形成了孤立煤體，孤立煤體應力峰值在工作面超前45 m處，峰值應力為52.23 MPa，應力集中系數為2.13。當2305S工作面推采到150 m時，工作面超前支承應力峰值在工作面超前39 m處，峰值應力為63.67 MPa，應力集中系數為2.60。當工作面推進到200 m時，隨著孤立煤體的面積減小，應力集中加劇，應力峰值在工作面超前40 m處，達到67.60 MPa，應力集中系數為2.76。當工作面推進到250 m處，沖擊地壓事故發生。此時，應力峰值在工作面超前41 m處，峰值應力為70.96 MPa，應力集中系數為2.90。推采全過程中，斷層下盤應力分布未見大的變化，整體應力大小為煤層原始應力。由圖9可知，隨著工作面的推進，超前支承應力峰值在工作面推采10～150 m階段增加較快，在推采150～250 m處時，雖然超前支承應力峰值仍在增加，但是增長幅度較小。

2.3 工作面推采時煤層塑性區演化

如圖10，在工作面開采初期，工作面塑性區主要分布在工作面周圍20 m范圍內。當工作面推采到沿空開采階段時，受采空區側向支承應力與工作面超前支承應力的疊加影響，煤層塑性區分布范圍增大，由工作面前20 m增加到工作面前25 m的范圍，且此時工作面上平巷端頭附近開始出現三角形塑性區。隨著工作面逐步推采到沖擊地壓事故發生區域，塑性區范圍逐步擴大到工作面前30 m處，三角形塑性區范圍也在逐步增大。由前文工作面超前支承應力演化分析可知，工作面超前支承應力的峰值在工作面超前40～45 m附近，而工作面前方煤層塑性區范圍隨著推采的進行不斷增加。

圖8 工作面推進過程中超前應力分布情況Fig. 8 Advance stress distribution during the advancing process of working face

孤立煤體在開采過程中面積不斷減小，使得孤立煤體中塑性區范圍所占比例越來越大，影響工作面推采的安全性。斷層下盤塑性區范圍很小且隨工作面的推采范圍不會增加，說明斷層對塑性區的演化有著阻隔作用。

3 沖擊地壓發生機理

3.1 多因素形成孤立煤體造成應力集中

從應力演化圖來看，當2305S工作面沒有推采到沿空開采時，超前支承應力與斷層影響疊加所形成的應力集中區域并不明顯，此時工作面沿斷層附近應力分布沒有明顯變化，表明斷層并未活化，工作面推采較為安全。2305S工作面在推采50 m時經過FD8斷層，工作面與斷層交界處附近應力分布出現變化，斷層附近出現應力集中，表明斷層在開采擾動下開始活化。工作面推采105 m時進入沿空開采階段，此時，由2304S采空區、FD8斷層以及2305S工作面推采形成的采空區在斷層上盤一側形成了三角形孤立煤體。孤立煤體在推采時受采空區側向支承應力、工作面超前支承應力以及斷層活化的疊加影響。隨著工作面推采的不斷進行，孤立煤體的體積不斷減小，但其所受總應力不變，使得孤立煤體單位應力隨著工作面的推采不斷升高。當工作面推進到沖擊地壓事故發生位置時，數值模擬顯示該工作面超前支承應力峰值達到70.96 MPa，而煤層抗壓強度僅17.4 MPa，應力集中系數達4.078，這就使得煤層在受開采擾動時極易發生沖擊地壓事故。

圖9 不同推采距離超前支承應力曲線Fig. 9 Advance support stress curve for different pushing and mining distances

圖10 工作面推進過程中塑性區演化情況Fig. 10 Evolution of the plastic zone during the advancement of the working face

3.2 工作面推采至“見方”與大能量微震事件誘發沖擊地壓

2305S工作面傾斜長度為270 m，隨著工作面的逐步推采，工作面斜長不變，走向長度不斷增加，當工作面走向長度與傾斜長度相等時，工作面“見方”。事故發生時，工作面已處于“見方”狀態。從應力演化云圖來看，當工作面推采至200 m時，工作面沿空側超前應力集中區域范圍減小，但應力集中程度更高，表明此時工作面已有“見方”顯現。當工作面推采到250 m時，超前支承應力達到最大，應力集中程度達到最高，上下巖層運動高度達到最大，懸頂面積達到最大，“見方”效應明顯。

2305S工作面直接頂由4層厚度0.8～4.4 m砂巖組成，老頂為11.06 m的中粒砂巖。由于堅硬頂板易形成懸頂、積聚大量彈性能，且工作面此時已“見方”，此時頂板來壓時礦壓顯現劇烈，堅硬頂板聚積大量彈性能。受開采擾動等影響，堅硬頂板破斷或滑移過程中，會突然釋放大量彈性能而引發大能量微震事件。2月22日6點17分，在工作面前90 m、上巷以下31.2 m處，發生一起能量水平為4.2×107J的大能量微震事件，引發3.0級礦震。且在事故發生后，該工作面又發生了多次微震事件，雖然能量值相比事故發生時的微震事件大為降低，但主要分布在工作面前后。

由事故發生后微震事件的分布可以發現，事故發生后，頂板巖層持續不斷地發生破斷，堅硬頂板聚集的彈性能不斷釋放，但范圍大都在工作面前后，這也說明事故發生時工作面上方頂板已聚集了大量的彈性能，受擾動時能量釋放，引發沖擊地壓事故。

綜上分析，2305S工作面由于2304S采空區、FD8斷層以及2305S工作面推采形成了高應力集中的孤立煤體。而此時工作面“見方”，堅硬頂板積聚大量彈性能，受開采擾動，頂板破斷引發大能量微震事件，在多因素的耦合作用下高應力集中的孤立煤體發生沖擊地壓事故。

3.3 地塹結構對沖擊地壓事故的影響

2304S工作面與2305S工作面之間存在沿工作面走向的兩條斷層FD8(落差15 m)和FD6(落差10 m)，兩條斷層切割工作面形成楔形地塹結構，位于2304S工作面采空區內地塹結構和位于2305S工作面孤立煤體的地塹結構具體位置如圖11所示。2304S工作面回采后形成的側向支承壓力作用于2305S工作面前孤立煤體，使該區域應力集中；隨著2305S工作面回采，工作面前孤立煤體的面積逐漸減小，單位面積承載的應力逐漸升高，回采時動載擾動使工作面前孤立煤體應力集中程度加劇；2304S工作面回采后，采空區也使得楔形地塹區巖層沿高傾角斷層面滑移，擠壓孤立煤體區域，造成2305S工作面孤立煤體應力進一步集中，多應力場在2305S工作面孤立煤體耦合，超過了煤體的承載極限，從而誘發沖擊地壓的發生。

圖11 地塹結構分布區域Fig. 11 Graben structure distribution area

4 結論

對于斷層橫穿工作面的情況，工作面、采空區與斷層形成的孤立煤體，隨著開采的進行，孤立煤體的面積逐漸減小，單位面積上應力程度逐漸升高，此地質條件下極易發生沖擊地壓。研究發現此類孤立煤體發生沖擊地壓的原因主要有：

1) 數值模擬發現，千米深井沿空開采工作面所受采空區側向支承應力影響范圍大；采空區側向支承應力峰值高，使得未開采工作面煤層沿空側的應力集中系數大。

2) 工作面斷層附近應力分布有著較大的波動。在正斷層上盤，斷層附近會出現沿斷層走向分布的應力集中區域，在斷層下盤，沿斷層走向分布的區域內應力值會低于工作面初始應力。斷層的存在會阻礙側向支承應力、超前支承應力與塑性區的演化、傳播。

3) 在開采由采空區、斷層和工作面推采形成的孤立煤體時，隨著工作面的推進，受側向支承應力、超前支承應力與斷層附近應力集中的疊加影響，再加上孤立煤體隨著推采面積不斷減小，孤立煤體單位應力不斷上升，應力集中程度不斷提高。2305S工作面推采至“見方”時，采空區一側應力集中區域范圍減小，但應力集中程度增大，可達70.96 MPa，應力集中系數達2.90。同時楔形地塹區巖層沿高傾角斷層面滑移也使得孤立煤體應力進一步集中；在多因素耦合影響下，工作面發生沖擊地壓事故。