厚堅硬頂板工作面覆巖運動規律與采動應力分布研究

侯曉松,梁 超,劉士磊,牛世偉

(1.棗莊礦業(集團)有限責任公司 田陳煤礦,山東 棗莊 370400;2.棗莊市能源局,山東 棗莊 277020;3.山東科技大學 能源與礦業工程學院,山東 青島 266590)

沖擊地壓是礦山開采中發生的煤巖動力現象,是聚集在礦井巷道和采場周圍煤巖體中的能量突然釋放,是煤礦重大災害之一[1]。國內外專家在研究煤層上方覆巖結構時,發現采空區上方堅硬、厚層砂巖頂板是影響沖擊地壓發生的主要因素之一[2-3]。特別是對于存在堅硬厚層頂板的煤礦而言,工作面開采過程中存在發生高能量礦震的風險,尤其是大面積采空后,頂板產生大范圍破斷、運移,容易形成強礦震,嚴重時可能誘發沖擊地壓事故[4-8]。基于這一問題,竇林名等[9]從彈性能釋放的角度分析了堅硬厚層巖層對發生沖擊地壓的影響,提出了用離層注漿的方法控制堅硬巖層。于斌等[10]以晉華宮煤礦堅硬厚層頂板條件為工程背景,通過理論分析與現場實測相結合,研究了厚層堅硬頂板的臨界失穩條件、失穩方式、影響失穩的因素以及失穩的機理,提出了厚層堅硬頂板失穩控制的方法。劉長友等[11]根據大同礦區多采空區堅硬厚層破斷頂板群的賦存條件,采用理論分析、相似模擬實驗和現場實測分析相結合的研究方法,對多采空區破斷頂板群結構的失穩規律及其對工作面來壓的影響進行了研究探討。

綜上所述,對于堅硬厚層頂板工作面,覆巖運動規律及采動應力分布特征研究成果相對較多,但是研究的工作面沒有沖擊地壓危險性。因此,針對具有堅硬厚層頂板的沖擊地壓危險工作面,覆巖運動規律及其采動應力分布特征的研究成果相對較少。田陳煤礦3下煤層7115工作面屬于典型上覆堅硬厚巖層條件,研究田陳煤礦工作面覆巖運動規律及采動應力分布特征,對礦井防沖技術體系的建立和工作面的安全高效開采具有重要的指導意義。

1 工程概況

田陳煤礦3下7115工作面地面相對位于北副井東北約2 100 m,地表為農田,周邊無建筑物,井下位于七一采區東翼,東側靠近尹家洼斷層(H=40～110 m,∠65～77°),西側靠近邢寨斷層(H=30～100 m,∠65°),北側為3下7111工作面集軌。工作面標高為-749.4～-806 m,地面標高+56.24 m,走向長度為383 m,傾斜長度為140 m,面積為53 200 m2,所在煤層厚度為2.2～7.8 m,平均厚度4.16 m,煤層傾角5°～19°,平均12°,可采指數1.0,煤厚變異系數20.6%,煤層為穩定煤層,煤層上方60 m范圍內分別存在厚度30.8 m和20.8 m的中細砂巖,且在煤層上方90 m左右存在厚度達63 m的礫巖層,屬于典型的堅硬厚巖層,3下7115工作面平面布置圖如圖1所示,工作面采用單一走向長壁后退式采煤法,全部用垮落法處理采空區。

圖1 3下7115工作面平面布置圖

2 工作面覆巖運動規律

根據成巖時間與礦物組成成分的不同,井下各巖層之間的厚度、物理性質和力學性質存在很大的差異。工作面上方全部的堅硬厚巖層決定著采動巖體變形和破壞程度,它們在平面上形成一種類似連續梁的力學結構支承上部巖層,連續梁破斷后變為砌體梁,同時梁的破斷與巖層位移、工作面壓力和地表沉陷存在密切關系。

由3下7115工作面鉆孔數據和現場檢測力學參數可知,關鍵層為工作面上覆厚層礫巖,結合工作面開采實際情況,厚層礫巖可作為彈性基礎上的梁,根據Winkler假設,厚礫巖關鍵層的初次破斷即為彈性巖梁的極限破斷步距。根據梁的對稱性,在支撐梁破斷之前,可對二分之一的梁進行力學分析,通過平衡原理支撐梁的撓度方程[12-13],代入邊界條件和連續條件即可得到彈性巖梁的極限破斷步距,如式(1)所示:

(1)

開采煤層上方覆巖力學參數,見表1.把相關參數代入式(1)計算可得最大厚度為76 m的礫巖層在彈性基礎上的極限破斷步距約為43.5 m.

表1 巖石物理力學性質綜合

工作面開采后,在礦山壓力作用下,煤層上方懸露的頂板會發生垮落。由于垮落特征的不同,將上覆巖層的垮落分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。其中,彎曲下沉帶的下沉范圍直接影響著地表沉陷的范圍,若采場采高過大,采深較小,彎曲下沉帶影響范圍就會較大,地表沉陷量也隨之較大。此外,開采方式和巖體的碎脹性也影響著地表沉陷量。

由于頂板巖性為中細砂巖,用經驗公式進行計算[14],可得工作面垮落帶高度為25.22 m,導水裂縫帶高度為65.14 m.

3 工作面采動應力分布規律

3.1 圍巖支承壓力分布規律

采場開挖后,煤層上覆頂板運動以巖層組為單位,其中關鍵層的運動決定巖層組的整體運動。由于采空區上方煤層上覆頂板均布載荷狀態被破壞,致使頂板巖層載荷向采空區兩幫轉移,采空區以及采空區兩幫煤壁同時支承頂板巖層載荷[15-16]。根據關鍵層運動規律和上覆巖運移特點,建立支承壓力計算模型。分析田陳煤礦3下7115工作面中地質結構,經計算得出,田陳煤礦3下7115工作面采場傾向支承壓力峰值大小約為40 MPa,峰值點到煤壁距離約為10 m,峰值影響范圍約60 m;走向支承壓力峰值出現在距煤壁25 m處,峰值約為51 MPa,支承壓力傳遞范圍可達到100 m.相對于傳統走向支承壓力特征,厚層礫巖層走向支承壓力分布具有峰值位置距離煤壁距離遠、影響范圍大等特征。

3.2 支承壓力在底板巖層中傳播規律

工作面開采一定距離后,上覆巖層會對采空區和其一定范圍內的煤體形成支承壓力,支承壓力不僅會在采空區前方煤體內集中,而且還會導致底板下巖層的應力重新分布[17-18],進而對下方的工作面產生影響。用應力增量的形式來表現重新分布的垂直壓力,假設應力峰值位于煤壁前方12 m,在煤壁前方70 m左右應力保持相對穩定。參考文獻[11]距煤壁60 m時應力保持穩定,參考文獻[12]距煤壁12 m時應力保持穩定,參考文獻[13] 距煤壁58 m時應力保持穩定。當x取-140～160 m,z取0～100 m,峰值應力集中系數k為3時,煤柱下方附加應力分布如圖2所示。

圖2 附加應力集中系數分布圖

由圖2可知采空區下方的附加應力集中系數是負值,其意義是工作面的開采對下方底板起到卸壓作用。在采空區前方應力達到峰值處下部附加應力集中系數為正值,其意義是前方煤柱應力集中導致下方應力增大。分析應力峰值下方附加應力系數可知,隨著埋深的增加,應力集中程度持續減弱,但影響范圍慢慢擴大。同一水平下,附加應力在超前峰值下方達到最大值,向兩側逐漸降低。

根據3下7115工作面底板微震監測結果結合底板破壞深度分析,3下7115工作面底板微震事件最深距煤層為60 m,則支承壓力峰值對底板破壞深度為60 m.

4 現場監測數據分析

田陳煤礦3下7115工作面自2020年8月份開始回采,到11月為止,本次工作面檢測包括微震監測、CT反演、鉆孔應力在線監測以及鉆屑量監測等。

4.1 微震監測數據分析

由圖3微震分析結果可知,8月份開采初期,工作面推進長度較小,巖層垮落強度不高,懸頂面積小,上方巖層尚未發生較大的斷裂,因此震源事件相對較少,且分布較為分散。9月份開采時,煤壁前方區域微震事件逐漸增加,局部區域微震事件存在明顯集中。10月、11月回采時,微震事件隨工作面推進繼續向前移動,但采空區后方微震事件較少,采空區巖層垮落強度不高(微震事件能量普遍不超過1×104J),微震震源主要集中在煤壁前方區域,這與巖層垮落不充分有關。工作面采動造成了煤壁前方約500 m范圍的上覆巖層產生了變形和破壞。

圖3 3下7115工作面微震監測平面圖

3下7115工作面震源主要集中在距煤層上方40 m、下方60 m左右范圍內,主要為直接頂和老頂的裂隙發育、底板破壞產生的微震事件,而未接收到高位礫巖層的活動情況。工作面直接頂及老頂分別為0.9 m厚的砂質泥巖和30 m厚的中細砂巖,老頂強度與厚度均較大。從走向方向上看,震源主要集中在煤壁前方500 m范圍內,影響范圍大,見圖4.

圖4 3下7115工作面微震分布剖面圖

4.2 工作面震動波CT反演

工作面開采期間(2020年8月—11月),微震震源波速的被動反演結果如圖5所示。

圖5 3下7115工作面震動波CT反演

根據圖5所示,從微震波速的CT反演結果來看,工作面回采距離小,8月份微震事件較少,分布散亂,應力集中區相對不明顯。自9月開始到11月為止,煤壁前方均出現了一定區域由超前支承壓力引起的高應力集中區,并隨著工作面的推進逐漸前移。

4.3 鉆孔應力與鉆屑法監測數據分析

鉆孔應力在線對3下7115工作面兩巷道鉆孔應力進行監測,結果表示工作面運輸巷和軌道巷超前鉆孔應力基本平穩,沒有出現異常報警的情況,說明煤層大直徑卸壓效果好,工作面整體應力水平降低,支承壓力影響范圍較遠,但是沒有出現明顯的應力集中和峰值現象。

3下7115工作面軌道巷268～288 m處巷道地質條件較簡單,距離邢寨斷層142 m,相鄰區域無沖刷等地質構造,煤層賦存穩定,無壓力顯現,周圍無采掘活動,對該處煤體側施工了標準煤粉采樣鉆孔5個,孔深14 m,孔徑45 mm,間距平均5 m,監測數據如圖6所示,數據結果表明煤粉量最大值出現在8～9 m位置,即工作面側向支承壓力峰值位置,鉆屑量為3.75 kg,去掉最開始1 m參考值,最小值為2.70 kg/m,并且分布不規律,所有煤粉平均值為3.21 kg/m,分析該巷道周邊無其他采掘活動,變化相對較為穩定,該范圍即為工作面側向支承壓力峰值位置。

圖6 鉆屑法監測數據折線圖

5 結 語

1) 根據田陳煤礦3下7115工作面鉆孔柱狀圖和實測力學參數分析,確定了工作面上覆厚層礫巖為關鍵巖層。通過理論計算得到3下煤層工作面上覆厚層礫巖層在彈性基礎上的極限破斷步距約為43.5 m,通過經驗公式計算得到3下7115工作面垮落帶高度為25.22 m,導水裂隙帶高度為65.14 m.

2) 根據現場微震監測數據分析得出,田陳煤礦3下7115工作面底板微震事件最深距煤層約為60 m,采場支承壓力對底板破斷的深度約為60 m.3下煤層工作面采動應力在垂直方向約為煤層上方40 m,下方60 m范圍內,主要為直接頂和老頂的裂隙發育、底板破壞產生的微震事件。微震震源波速的被動反演結果表明煤壁前方出現了一定區域由超前支承壓力引起的高應力集中區,并隨著工作面的推進逐漸前移。

3) 根據鉆孔應力在線監測結果表明工作面運輸巷和軌道巷超前鉆孔應力基本平穩,說明煤層大直徑卸壓效果好,工作面整體應力水平降低,支承壓力影響范圍較遠,無明顯的應力集中和峰值現象。在3下7115工作面軌道巷268～288 m處進行了鉆屑法取樣,結果表明煤粉量最大值出現在8～9 m位置,該范圍即為工作面側向支承壓力峰值位置。側向支承壓力峰值位于煤壁深處8～9 m.