鄰正斷層不規則孤島工作面沖擊危險性評估方法研究

陳玉濤

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

沖擊地壓災害是通過采掘空間高靜載應力與遠場高動載應力組合作用，煤巖體內大量彈性能積聚，然后以突然、劇烈、飛速彈射等形式釋放，誘發沖擊煤巖動力災害[1-6]。因歷史開拓開采布局等原因，沖擊地壓煤層回采過程中出現孤島工作面，在綜放開采條件下，所采煤層較厚，采掘擾動空間大，原巖應力場受到劇烈擾動，加之再受到孤島、斷層、不規則工作面等因素的影響，其應力集中程度增大，沖擊危險性急劇升高，嚴重威脅礦井的安全高效生產[7-14]。不規則孤島綜放工作面大范圍采掘活動易導致斷層等覆巖弱面地質體滑移活化，產生高能量礦震傳播至采掘空間，與高靜載應力疊加，極易導致采場周圍煤巖體失穩，煤巖沖擊危險性急劇增大[15-18]。筆者以某礦二號正斷層1311不規則綜放工作面為工程背景，從地質條件和開采技術條件綜合評估工作面沖擊危險性，并使用多因素耦合疊加方法劃分工作面沖擊危險區域及等級，最后通過工作面回采礦震活動規律分析驗證危險區域劃分的準確性，研究結果可為制訂高效精準的防沖監測防治措施提供依據。

1 工程概況

某礦井沖擊地壓災害嚴重，其歷史上多次發生沖擊地壓事故。鄰正斷層不規則孤島1311工作面東部以肖家莊一號支一斷層(落差0～23 m)、7301綜放工作面采空區為界，開切眼位置與1302綜放工作面采空區相鄰，西部為官莊二號斷層(落差40～60 m)，北部設計終采線位置鄰近肖家莊二號斷層和7301結束巷。

工作面煤層標高-406.9～-369.0 m，地面標高+48.5～+49.2 m，平均+48.9 m。工作面走向長度387.1～456.9 m，開切眼處工作面長120.2 m，后擴面至192 m，最后收作時面長130 m。回采的3#煤層均厚8.5 m，平均傾角6°，煤層堅固性系數f值約為2.3。工作面布置平面圖如圖1所示。

圖1 1311工作面采掘布置平面圖

工作面直接頂為2.2 m厚的粉砂巖，f值為5.7；基本頂為11.5 m厚的中粉砂巖，f值為6～13；直接底為7 m厚粉砂巖，f值為5.5；老底為9.5 m中細砂巖，f值為7.5～15.0。

2 工作面沖擊危險性評估

針對1311綜放工作面沖擊危險性評估主要從地質因素和開采技術因素兩大方面進行分析，進而得出工作面整體沖擊危險指數及危險等級。

2.1 地質影響因素分析

2.1.1 開采深度分析

開采深度與沖擊地壓發生的概率呈正相關關系[19]。1311工作面開采深度為417.4～455.9 m，沖擊危險指數為0.05，開采深度條件誘發沖擊地壓的概率較低。

2.1.2 煤巖物理力學性質分析

煤(巖)介質產生沖擊破壞的固有能力或屬性，是沖擊地壓發生的必要條件。經測定，1311工作面開采3#煤層的動態破壞時間tD=59 ms，沖擊能指數KE=4.89，彈性能指數WET=9.49，單軸抗壓強度為16.8 MPa，根據煤層沖擊傾向性鑒定方法綜合判定3#煤層具有強沖擊傾向性，即煤質較硬，易積聚沖擊彈性能。

3#煤層頂板彎曲能量指數為22.13 kJ，具有弱沖擊傾向性，同時對3#煤組合煤巖樣(頂板∶煤層∶底板=2∶2∶1)進行了沖擊傾向性測定，動態破壞時間tD=39 ms，沖擊能指數KE=9.97，彈性能指數WET=12.17，單軸抗壓強度為43.6 MPa。煤層頂底板f值都遠大于煤層的f值，加之組合煤巖沖擊傾向性大幅升高，頂—煤、煤—底交接面易出現應力集中現象，大量彈性能釋放易誘發沖擊失穩破壞。

2.1.3 堅硬頂板巖層結構分析

對誘發沖擊地壓影響較大的頂板巖層為煤層上方100 m范圍內的厚層堅硬巖層，研究表明頂板厚度特征參數值大于50時沖擊危險性較高。1311工作面3#煤頂板巖層特征值為81.5，即工作面回采過程中3#煤頂板誘發沖擊地壓的概率較大。

2.1.4 斷層地質構造分析

對1311工作面影響較大的斷層有官莊二號斷層(傾角∠65°～70°、H=40～60 m)、官莊一號支一斷層(∠70°、H=0～4 m)、肖家莊二號斷層(∠70°、H=0～30 m)、肖家莊一號支一斷層(∠68°～75°、H=0～20 m)、肖家莊二號支二斷層(∠70°、H=0～9 m)，斷層構造帶附近堅硬頂板因開采擾動易發生滑移轉動，誘發高能量礦震，與工作面采場的高靜載應力疊加，沖擊危險性急劇升高。

由地質因素確定沖擊地壓危險指數計算公式如下：

(1)

式中：Wt1為地質因素確定的沖擊地壓危險指數；Wi為第i個地質因素的評估指數；Wimax為第i個地質因素的指數最大值；n1為地質因素的數目。

基于對開采深度、煤巖物理力學性質、堅硬頂板巖層結構、斷層地質構造等地質影響因素分析，采用綜合指數法[1]，利用公式(1)綜合判定1311工作面地質因素影響下的沖擊地壓危險指數Wt1=0.52，工作面整體具有中等沖擊危險性。

2.2 開采技術影響因素分析

2.2.1 工作面回采對7301運煤巷的影響

為了研究1311工作面回采到距7301運煤巷(靠近肖家莊二號斷層)不同位置時，采動對巷道的影響程度，運用FLAC5.0數值模擬軟件對工作面回采擾動造成的應力、位移進行模擬，分析回采工作面距7301運煤巷130、120、100、80、60、40 m時圍巖垂直應力及位移變化規律，模擬圍巖力學參數見表1。

表1 煤巖層力學參數

在7301運煤巷頂部和幫部設置位移監測點，分析在1311工作面回采過程中巷道損壞變形量。數值分析結果如圖2所示，隨著工作面與7301運煤巷垂直距離的逐漸減小，工作面超前支承壓力逐步增大，距7301運煤巷40 m時，應力達到最大值43.6 MPa；巷道頂板位移隨著工作面與7301運煤巷垂直距離的變小而增大，當距離為40 m時巷道頂板位移達382.1 mm；兩幫位移與巷道頂板位移情況大致相同，且在距離為40 m時兩幫位移量高達206.4 mm。綜合分析得出1311工作面終采線與7301運煤巷距離大于40 m。

圖2 工作面與7301運煤巷不同距離時巷道圍巖的

2.2.2 工作面回采受官莊二號斷層影響分析

1311工作面在回采過程中，運輸巷一側與官莊二號斷層的距離為3～30 m，開采3#煤層平均厚度8.8 m，采動影響較大，易導致官莊二號斷層活化。運用FLAC5.0數值模擬軟件，依據表1參數建立模型如圖3所示，分析1311工作面運輸巷與斷層最小距離3 m時斷層區域應力集中程度，為制訂針對性解危措施提供依據。

圖3 斷層區域數值模擬模型圖

斷層區域垂直應力分布圖如圖4所示，可以看出，工作面回采過程中，運輸巷回采至距離斷層3 m左右時，工作面運輸巷靠近斷層區域最高應力達40 MPa，回采過程中斷層活化極易誘發沖擊。

圖4 斷層區域垂直應力分布圖

2.2.3 三角煤柱影響分析

鄰近采區遺留的煤柱是高應力集中區域。孤島三角煤柱可能受多個方向集中應力的疊加作用，使煤柱附近煤體應力集中程度增大，受采掘擾動導致煤柱失穩，釋放彈性能誘發沖擊地壓。根據1311工作面軌道巷側遺留三角煤柱的現場實測結果(如圖5所示)可知，最大應力集中出現在靠近煤柱邊緣部位，距邊緣8～14 m位置，為煤柱卸壓解危鉆孔終孔位置設計提供依據。

圖5 三角煤柱不同寬度處垂直應力分布

鄰正斷層不規則孤島1311綜放工作面開采過程中，圍巖受擾動產生回轉滑移，對工作面附近的7301運煤巷(變電所位置)、官莊二號正斷層影響程度需要精準分析，同時對孤島三角煤柱、開采工藝等開采因素進行分析，綜合確定開采技術因素影響下的沖擊危險指數：

(2)

式中：Wt2為開采技術因素確定的沖擊地壓危險指數；Wj為第j個開采技術因素的評估指數；Wjmax為第j個開采技術因素的指數最大值；n2為開采技術因素的數目。

利用公式(2)可從開采技術影響因素角度分析判定區域的沖擊危險性，例如，基于工作面長度變化，三角煤柱斷層構造區域等，利用公式(2)計算1311孤島工作面開采技術因素影響下的沖擊地壓危險指數Wt2=0.56，判定工作面整體具有中等沖擊危險性。

2.3 工作面沖擊危險性綜合評價法

結合公式(1)和公式(2)，考慮地質影響因素和開采技術影響因素下工作面沖擊危險性綜合評價計算公式如下：

Wt=max{Wt1,Wt2}

(3)

基于公式(3)計算結果，并結合相關研究，可將工作面沖擊危險程度劃分為4個等級，如表2所示。

表2 沖擊礦壓危險狀態的分級

3 劃分工作面沖擊危險區域

基于公式(1)、(2)、(3)及表2，綜合1311綜放工作面地質影響因素和開采技術影響因素等，將鄰正斷層不規則1311孤島工作面沖擊危險區域進行了劃分，劃分結果如圖6所示，可以看出，在1311綜放工作面中存在強、中等、弱沖擊礦壓危險狀態。

圖6 1311工作面沖擊危險區域劃分

5個強沖擊危險區域：① 從開切眼開始，運輸巷0～150 m；②從開切眼開始，軌道巷0～50 m；③ 1311運輸巷過官莊一號支一斷層前后60 m區域；④ 1311探煤巷左側肖家莊二號支二斷層前后90 m區域；⑤ 1311軌道巷推進至終采線至肖家莊二號斷層附近前46 m區域。

4個中等沖擊危險區域：① 小開切眼及1302采空區前后80 m區域；② 1311運輸巷150～280 m；③ 軌道巷一側縮面后70 m區域；④ 1311運輸巷一側靠近終采線前后140 m區域。

2個弱沖擊危險區域：① 軌道巷一側擴面與跨-450大巷回采前后120 m區域；② 肖家莊一號支一斷層與肖家莊二號斷層中間前后95 m區域。

4 危險區域礦震活動規律驗證

針對劃分的沖擊危險區域，采取監測預警及防治措施后，利用微震監測系統對回采過程中的遠場動載礦震頻次、能量等進行實時監測，分析高能量礦震活動規律，進而驗證沖擊危險區域劃分的準確性。

鄰正斷層不規則1311孤島工作面回采過程中，礦震能量、頻次變化規律如圖7所示。

圖7 工作面回采過程中礦震能量、頻次變化規律

由圖7可以看出，工作面0～120 m回采區域，受工作調斜、老頂初次垮落、官莊二號斷層影響，礦震活動相對較劇烈，礦震出現第1個活躍期，日累計能量最大值為1.45×105J，日累計頻次高達39次，對應劃分的強沖擊危險區域；回采至150～350 m區域，受工作面面長變寬、1302采空區、孤島三角煤柱、斷層構造影響，回采范圍增大，覆巖運動加劇，出現第2個礦震活動頻繁期，日累計能量最大值為1.96×105J，日累計頻次高達42次；回采至360～425 m區域，在工作面超前支承壓力、“三角”巷道交叉、肖家莊二號斷層的影響下，日累計能量最大值為3.6×105J，日累計頻次高達74次。礦震日累計頻次變化趨勢與工作面劃分的嚴重、中等沖擊危險區域特征基本一致，較好地驗證了沖擊危險區域劃分的準確性。

5 結論

1)分析了開采深度、煤巖物理力學性質、堅硬頂板巖層結構、斷層地質構造等因素對沖擊地壓的影響情況，通過地質因素條件確定沖擊地壓危險指數Wt1=0.52；基于開采技術條件因素確定沖擊地壓危險指數Wt2=0.56。綜合判定鄰正斷層不規則1311綜放工作面整體具有中等沖擊危險性。

2)采用多因素耦合疊加法劃定了1311工作面5個強沖擊危險區域、4個中等沖擊危險區域、2個弱沖擊危險區域，可為工作面防沖監測防治提供參考依據。

3)利用工作面回采過程中礦震活動規律，對工作面0～120、150～350、360～425 m回采區域劃分的沖擊危險區域進行驗證，得出劃分的沖擊危險區域采取防沖解危措施后，經微震監測礦震能量、頻次依然較大，日累計能量、頻次變化規律基本能驗證沖擊危險區的劃分范圍是合理正確的。