煤礦工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)演化特征及震區(qū)預(yù)測(cè)

煤礦工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)演化特征及震區(qū)預(yù)測(cè)

1礦壓結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型近年來(lái)，以全采、大采、高采、無(wú)碳跟蹤技術(shù)為代表的一系列先進(jìn)采礦機(jī)械在中國(guó)得到了廣泛應(yīng)用和很大發(fā)展，長(zhǎng)壁工作面的開(kāi)采規(guī)模和推廣速度顯著增加。隨著無(wú)煤柱(小煤柱)成功應(yīng)用到綜放工作面,縱向與橫向?qū)用嫔细矌r運(yùn)動(dòng)范圍遠(yuǎn)大于綜采工作面,由此引發(fā)的采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、覆巖空間結(jié)構(gòu)演化規(guī)律更加復(fù)雜。大規(guī)模、高強(qiáng)度的開(kāi)采擾動(dòng)不僅導(dǎo)致垮落帶覆巖劇烈運(yùn)動(dòng),并且周?chē)煽諈^(qū)中已經(jīng)存在的空間平衡結(jié)構(gòu)也將進(jìn)一步失穩(wěn),而未斷裂的巖層會(huì)與工作面協(xié)同破斷運(yùn)動(dòng),從而誘發(fā)沖擊礦壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害,對(duì)于此類(lèi)沖擊礦壓,本文稱之為空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型。煤巖震動(dòng)沖擊災(zāi)害在我國(guó)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),目前已超過(guò)120余處礦井有發(fā)生礦震與沖擊報(bào)道,累計(jì)破壞巷道30多千米,造成大量人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。在山東兗州礦區(qū)、新汶礦區(qū)、淮北海仔煤礦、河南義馬礦區(qū)等均存在巨厚主關(guān)鍵層,隨著開(kāi)采尺度的增大,主關(guān)鍵層斷裂失穩(wěn)誘發(fā)礦震不僅影響井下采掘工作面安全,更對(duì)地面社區(qū)造成影響,由于震源距地表距離近,烈度堪比5級(jí)以上地震,已經(jīng)逐步演化為礦區(qū)社會(huì)公共安全問(wèn)題,這些問(wèn)題的解決需建立在對(duì)覆巖空間結(jié)構(gòu)形成與失穩(wěn)以及煤巖動(dòng)力破壞機(jī)制的研究上。錢(qián)鳴高等建立的“砌體梁”與“關(guān)鍵層”理論,為研究煤礦采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)的形成與失穩(wěn)提供了理論依據(jù)。但是以往的研究范圍多局限于單一工作面距離采場(chǎng)較近的老頂巖層以及煤層前方幾十米內(nèi)支承壓力區(qū)域內(nèi),而與沖擊礦壓等動(dòng)力災(zāi)害相關(guān)的巖層范圍已經(jīng)到達(dá)主關(guān)鍵層,在層面方向上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)本工作面采動(dòng)范圍。姜福興等提出了覆巖空間結(jié)構(gòu)的概念,并根據(jù)采場(chǎng)的邊界條件,分為θ,O,S和C型4類(lèi)結(jié)構(gòu),拓展了傳統(tǒng)礦壓研究范圍的限制,具有重要的指導(dǎo)意義,但是并沒(méi)有給出結(jié)構(gòu)形成與失穩(wěn)條件,和煤巖動(dòng)力災(zāi)害關(guān)系聯(lián)系不緊密。本文基于關(guān)鍵層理論,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè),提出覆巖空間結(jié)構(gòu)的OX-F-T演化模型,以期為空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊礦壓機(jī)制研究與預(yù)防提供理論基礎(chǔ)。2工作面之間煤柱之間的隔離對(duì)于多工作面回采,兩相鄰采空區(qū)覆巖能否形成相互作用的空間結(jié)構(gòu),主要取決于兩者之間的煤柱寬度。大煤柱能夠有效地隔離采空區(qū)覆巖裂隙的聯(lián)系,一般情況下,工作面之間20m以上的煤柱即可將兩工作面間覆巖運(yùn)動(dòng)隔離開(kāi)來(lái)。因此,當(dāng)工作面煤柱小于一定值時(shí),工作面之間覆巖將會(huì)形成協(xié)同運(yùn)動(dòng),形成相互作用的空間結(jié)構(gòu)。2.1老頂斷裂煤壁巖梁的模型由礦壓理論可知,老頂巖層的斷裂發(fā)生在煤壁中,如果煤柱寬度過(guò)小,兩相鄰采空區(qū)頂板覆巖斷裂線將會(huì)重合在一起,覆巖直接聯(lián)系。利用彈性基礎(chǔ)梁模型,可以解出老頂斷裂線距離煤壁的位置:其中,式中:k為Winkler地基系數(shù),與上下夾支的軟巖層的厚度及力學(xué)性質(zhì)有關(guān);EI為老頂巖梁的抗彎剛度;M0,0Q,N分別為工作面煤壁位置(x=0)所對(duì)應(yīng)的截面彎矩、剪力和軸力。老頂斷裂線位置主要受下層墊層,即直接頂煤壁的性質(zhì)以及自身力學(xué)性質(zhì)影響,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試一般為2~10m,因此考慮老頂斷裂線因素,煤柱最小寬度判據(jù)為:Lmin≥2Ld。2.2煤柱穩(wěn)定性分析當(dāng)煤柱的寬度可以阻止覆巖斷裂線重合時(shí),由于采空區(qū)側(cè)向支承壓力的作用,煤柱上方將會(huì)形成應(yīng)力集中,在高支承壓力作用下,煤柱會(huì)發(fā)生變形破壞,甚至發(fā)生煤柱型沖擊礦壓。煤柱破壞后,將失去支撐作用,引起上方覆巖結(jié)構(gòu)的連鎖運(yùn)動(dòng),斷裂后的平衡結(jié)構(gòu)可能失穩(wěn)運(yùn)動(dòng),沒(méi)有發(fā)生斷裂的覆巖由于下方離層區(qū)域的擴(kuò)大,將會(huì)經(jīng)歷初步斷裂與周期斷裂,從而引發(fā)新的礦壓顯現(xiàn)。目前常用的煤柱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法有極限平衡理論以及經(jīng)驗(yàn)公式法。在高應(yīng)力區(qū)域,不但要考慮煤柱的塑性破壞,還要滿足核區(qū)率穩(wěn)定要求。因此,可得式中:R為煤柱屈服區(qū)寬度,ρ為煤柱彈性區(qū)寬度。根據(jù)極限平衡理論可得近水平煤層屈服區(qū)寬度R為式中:m為煤柱高度;A為側(cè)壓系數(shù);φ0,c0分別為煤體與頂?shù)装鍘r層交界面的內(nèi)摩擦角與黏聚力;λ為應(yīng)力集中系數(shù);γ為巖層的平均容重;H為煤柱埋深;Px為支架對(duì)巷幫的支護(hù)阻力。根據(jù)穩(wěn)定性理論,核區(qū)率寬度應(yīng)滿足:3巖石覆蓋結(jié)構(gòu)的分類(lèi)3.1“砌體梁”結(jié)構(gòu)與礦壓監(jiān)測(cè)單一工作面OX結(jié)構(gòu)四周邊界為實(shí)體煤或足以隔斷采空區(qū)聯(lián)系的大煤柱。單一工作面開(kāi)采后覆巖OX結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是錢(qián)鳴高等提出的頂板O-X破斷后形成的覆巖結(jié)構(gòu)形態(tài),平面上呈現(xiàn)OX狀,走向與傾向剖面斷裂后巖體呈“砌體梁”結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)。如圖1所示,OX結(jié)構(gòu)形態(tài)與范圍由本工作面長(zhǎng)度、煤層厚度、關(guān)鍵層層位與物理力學(xué)性質(zhì)決定。根據(jù)關(guān)鍵層的破斷與否,OX型空間結(jié)構(gòu)可分為2種結(jié)構(gòu):(1)主關(guān)鍵層破斷后,全空間OX結(jié)構(gòu);(2)主(亞)關(guān)鍵層尚未破斷時(shí),半空間OX結(jié)構(gòu)。OX型空間結(jié)構(gòu)因?yàn)樗闹転閷?shí)體煤,開(kāi)采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)主要受覆巖各關(guān)鍵層“砌體梁”結(jié)構(gòu)形成與失穩(wěn)過(guò)程造成的應(yīng)力場(chǎng)變化與沖擊動(dòng)載的影響。存在多層亞關(guān)鍵層時(shí),在滿足一定條件下會(huì)出現(xiàn)關(guān)鍵層的復(fù)合破斷,工作面的礦壓顯現(xiàn)更為強(qiáng)烈。覆巖O-X破斷形成的OX型結(jié)構(gòu)是覆巖空間結(jié)構(gòu)演化的基本形式,同時(shí)也是其他空間結(jié)構(gòu)形式的邊界條件與演化過(guò)程的重要組成部分。3.2覆巖結(jié)構(gòu)類(lèi)型及分類(lèi)一側(cè)相鄰采空區(qū),并且兩工作面煤柱寬度小于隔離采空區(qū)所需最小寬度,而另一側(cè)為實(shí)體煤或者大煤柱的工作面,如圖2所示,由于其覆巖邊界條件一側(cè)為實(shí)體,一側(cè)為相鄰工作面OX型結(jié)構(gòu)的弧三角板,似字母F,因此,命名為F型覆巖空間結(jié)構(gòu)。F結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是小煤柱側(cè)采空區(qū)覆巖會(huì)對(duì)工作面開(kāi)采造成顯著影響,即下一工作面覆巖會(huì)與采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)的一部分協(xié)同運(yùn)動(dòng),而本工作面上部覆巖隨開(kāi)采的進(jìn)行也將經(jīng)歷OX結(jié)構(gòu)演化特征,即F結(jié)構(gòu)包括了F臂在采動(dòng)影響下的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)以及OX結(jié)構(gòu)演化。同樣,根據(jù)關(guān)鍵層的性質(zhì)與破斷特征,F結(jié)構(gòu)可以分為兩大類(lèi):長(zhǎng)臂與短臂F結(jié)構(gòu),當(dāng)存在多層亞關(guān)鍵層時(shí),每類(lèi)下又分別可細(xì)分為單層與多層F結(jié)構(gòu)。處于F覆巖結(jié)構(gòu)下的工作面,開(kāi)采時(shí)礦壓顯現(xiàn)、覆巖運(yùn)動(dòng)與應(yīng)力場(chǎng)演化比OX結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體現(xiàn)在采空區(qū)震動(dòng)頻繁,造成采空區(qū)一側(cè)沿空巷劇烈變形破壞。3.3地面采空側(cè)t型覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓現(xiàn)存規(guī)律孤島工作面是指相鄰兩側(cè)以及以上為采空區(qū),并且煤柱寬度小于隔離采空區(qū)所需最小寬度。孤島工作面應(yīng)力集中程度高、覆巖運(yùn)動(dòng)劇烈,礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)于非孤島工作面,極易出現(xiàn)沖擊礦壓動(dòng)力災(zāi)害。由于孤島工作面四周覆巖均已發(fā)生斷裂,工作面開(kāi)采后四周覆巖與工作面頂板巖層將協(xié)同運(yùn)動(dòng)、相互影響,導(dǎo)致孤島工作面支承壓力場(chǎng)峰值高、擾動(dòng)遠(yuǎn)、變化快。孤島工作面兩側(cè)覆巖邊界條件均呈F型結(jié)構(gòu),整體似字母T,稱之為T(mén)型覆巖空間結(jié)構(gòu)。T結(jié)構(gòu)可以分為三大類(lèi):兩側(cè)關(guān)鍵層均為斷裂的對(duì)稱短臂T結(jié)構(gòu);兩側(cè)主關(guān)鍵層斷裂的對(duì)稱長(zhǎng)臂T結(jié)構(gòu);一側(cè)關(guān)鍵層未斷裂,一側(cè)主關(guān)鍵層斷裂的非對(duì)稱T結(jié)構(gòu)。當(dāng)存在多層亞關(guān)鍵層時(shí),每類(lèi)又分別可細(xì)分為單層與多層T結(jié)構(gòu),如圖3所示。不同的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著不同的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。對(duì)稱短臂T結(jié)構(gòu)整個(gè)工作面范圍礦壓顯現(xiàn)與短臂F結(jié)構(gòu)采空側(cè)的礦壓顯現(xiàn)類(lèi)似。對(duì)稱長(zhǎng)臂T結(jié)構(gòu)由于兩側(cè)關(guān)鍵層尚未斷裂,工作面兩側(cè)支承壓力要高于對(duì)稱短臂T結(jié)構(gòu),兩巷維護(hù)難度加大,煤體震動(dòng)增多,并且當(dāng)工作面推進(jìn)一段距離后,由于關(guān)鍵層跨度的增大,會(huì)出現(xiàn)關(guān)鍵層斷裂來(lái)壓現(xiàn)象,從而引起高能量級(jí)別礦震。雖然破裂源主要集中在兩側(cè)采空區(qū)與本工作面中部,但是高能量震動(dòng)波傳播至工作面后,仍極有可能造成工作面沖擊礦壓事故。對(duì)于第三類(lèi)非對(duì)稱T結(jié)構(gòu),開(kāi)采前其支承壓力場(chǎng)分布短臂一側(cè)與對(duì)稱短臂T結(jié)構(gòu)類(lèi)似,而長(zhǎng)臂一側(cè)則與對(duì)稱長(zhǎng)臂T結(jié)構(gòu)類(lèi)似,工作面推進(jìn)初期,礦壓顯現(xiàn)規(guī)律也與前兩類(lèi)結(jié)構(gòu)類(lèi)似。但是,尚未斷裂的關(guān)鍵層開(kāi)始斷裂運(yùn)動(dòng)時(shí),則礦壓顯現(xiàn)要比前兩類(lèi)劇烈很多,主要原因在于:此時(shí)關(guān)鍵層的一側(cè)斷裂線位于工作面巷道上方,中間的斷裂線也靠近另一條巷道上方,因此,關(guān)鍵層斷裂誘發(fā)的高能級(jí)震動(dòng)對(duì)巷道的破壞作用要高得多。4調(diào)查了巖漿巖結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)微地震4.1工作面微震定位兗州煤業(yè)趙樓煤礦目前正在回采的1304工作面為一采區(qū)第二個(gè)工作面,四周均為實(shí)體煤,埋深平均為1000m,傾角平均4°,煤層厚度為1.5~8.1m,平均4.81m。選取正常運(yùn)行階段,即工作面推進(jìn)至280m以后的震動(dòng)數(shù)據(jù),微震定位分布如圖4所示。單一工作面OX覆巖空間結(jié)構(gòu),震動(dòng)主要集中在工作面兩巷以內(nèi),工作面前方支承壓力范圍內(nèi)。運(yùn)輸順槽外側(cè)震動(dòng)集中在距離巷道10m以內(nèi),而回風(fēng)順槽外側(cè)則主要集中在距巷道20m以內(nèi)。由圖4(b)可以看出,震源包絡(luò)線角度較小,運(yùn)輸順槽側(cè)為30°,回風(fēng)順槽為40°。頂板上方20m以內(nèi)震源分布密集,20m以上震源呈“馬鞍狀”分布,50m以上逐漸呈拱形分布,最大破裂高度為150m,說(shuō)明1304工作面屬于半空間OX結(jié)構(gòu),上覆仍有未斷裂關(guān)鍵層。4.2覆巖地震波場(chǎng)特征甘肅華亭煤礦目前正在開(kāi)采250103工作面,是2501采區(qū)的第三個(gè)工作面,面長(zhǎng)200m,傾角5°左右,西側(cè)與已采的250101綜放工作面相鄰,之間留有5m小煤柱,東部為實(shí)體煤。開(kāi)采深度700m左右。250102工作面(與25101工作面相鄰,留有20m煤柱)回采期間礦震頻繁,震源定位顯示,震動(dòng)主要集中在250102工作面與20m煤柱中,250101采空區(qū)中礦震則很少,說(shuō)明20m煤柱有效的隔開(kāi)了250101與250102工作面采空區(qū)之間的聯(lián)系。但是250103工作面開(kāi)采后,250101采空區(qū)中震動(dòng)相當(dāng)頻繁,并且誘發(fā)了多起沖擊事故,給巷道維護(hù)與正常生產(chǎn)帶來(lái)了巨大困難。如圖5(a)所示為250103工作面采空區(qū)側(cè)頂板巖層中震源分布平面圖。震動(dòng)分布位置均靠近小煤柱側(cè),250103工作面回風(fēng)順槽側(cè)斷裂線距煤壁平均為20m,而250101采空區(qū)中斷裂線距煤壁則約為30m。采空區(qū)中震動(dòng)則為受開(kāi)采擾動(dòng)后,垮落不充分巖層的再次失穩(wěn)所致。初采期間,采空區(qū)中高能量震動(dòng)很少,表明采空區(qū)中巖層結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)過(guò)程滯后于開(kāi)采工作面巖層斷裂垮落。隨著工作面的推進(jìn),250101采空區(qū)中震動(dòng)頻次與能量顯著上升,在距離250103工作面切眼120~150m范圍內(nèi),震動(dòng)密集,并向采空區(qū)中部延伸,根據(jù)2501采區(qū)礦壓觀測(cè)結(jié)果,工作面推進(jìn)至150m時(shí),進(jìn)入初次來(lái)壓階段,礦壓顯現(xiàn)劇烈,與圖5中的震動(dòng)密集區(qū)域相吻合,表明受采動(dòng)影響下,原本斷裂形成的平衡結(jié)構(gòu)在此處失穩(wěn),誘發(fā)震動(dòng)。由圖5可以看出,250103工作面開(kāi)采后,由于覆巖與250101采空區(qū)相互貫通影響,最大破裂高度到了工作面上方350m,裂隙帶高度大大增加,并且在0~100與200~300m兩帶內(nèi)集中,說(shuō)明在此范圍內(nèi)存在2個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。整個(gè)斷裂震源包絡(luò)線向250101采空區(qū)傾斜,采空區(qū)中震動(dòng)包絡(luò)線角度明顯大于實(shí)體煤一側(cè)。由圖5(b)可以看出,華亭250103工作面屬于短臂F空間結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的臂長(zhǎng)約為100m。4.3關(guān)鍵層斷裂運(yùn)動(dòng)鮑店煤礦103上02工作面是十采區(qū)3上層煤第二個(gè)區(qū)段,南北側(cè)分別與103上03,10301工作面相鄰。最大采深約500m,采區(qū)上覆巖層存在若干較厚的堅(jiān)硬巖層,最上層為200m厚左右的細(xì)粉砂巖,為十采區(qū)主關(guān)鍵層,十采區(qū)內(nèi)大震動(dòng)的發(fā)生與此關(guān)鍵層的斷裂運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。103上02工作面回采前,103上01,103上03,103上04,103上05工作面已經(jīng)回采完畢。分析可知,103上02左面南側(cè)的3個(gè)采空區(qū)由于開(kāi)挖面積大,上覆關(guān)鍵層已經(jīng)處于斷裂狀態(tài),而北部只有10301一個(gè)工作面,主關(guān)鍵層依然保持穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。因此,103上02工作面處于非對(duì)稱T空間結(jié)構(gòu),工作面北側(cè)主要受F結(jié)構(gòu)重復(fù)采動(dòng)失穩(wěn)影響,南側(cè)則受主關(guān)鍵層斷裂運(yùn)動(dòng)影響明顯。圖6為103上02工作面開(kāi)采期間大震動(dòng)分布圖,由圖可知,強(qiáng)礦震幾乎都發(fā)生在10301和103上02工作面上覆的厚層高位“主關(guān)鍵層”中,而在相鄰大范圍回采的103上03,103上04和103上05工作面沒(méi)有強(qiáng)礦震發(fā)生,并且當(dāng)103上02工作面推進(jìn)距達(dá)到100~150m時(shí),大震動(dòng)發(fā)生密度增加,這與主關(guān)鍵層的來(lái)壓步距是相符的。5礦壓現(xiàn)存的烈度與防治難度由以上分析可知,工作面覆巖處于不同空間結(jié)構(gòu)狀態(tài)時(shí),覆巖的斷裂運(yùn)動(dòng)方式與強(qiáng)度是不同的,而由此誘發(fā)的礦壓顯現(xiàn)也是不同的。覆巖的斷裂與失穩(wěn)復(fù)雜程度是按照OX→F→T逐漸增加的,決定了礦壓顯現(xiàn)烈度與防治難度也是如此遞增的。因此,必須根據(jù)不同覆巖結(jié)構(gòu),選取具有針對(duì)性的監(jiān)測(cè)與治理方法,才能做到有的放矢,提高防治效率。5.1超前段加大壓力范圍內(nèi)因素分析由分析可知,OX覆巖結(jié)構(gòu)受本工作面頂板斷裂的影響,工作面礦壓顯現(xiàn)主要集中在超前支承壓力范圍內(nèi),主要影響因素為老頂來(lái)壓與煤體性質(zhì)。因此,OX覆巖結(jié)構(gòu)工作面的防沖方法主要針對(duì)煤體與頂板進(jìn)行弱化處理,包括煤體注水、鉆孔卸壓、深孔爆破與頂板強(qiáng)制放頂與深孔爆破技術(shù),處理范圍為工作面兩巷前方支承壓力影響區(qū)。5.2采空區(qū)f結(jié)構(gòu)失穩(wěn)擾動(dòng)防控技術(shù)F覆巖結(jié)構(gòu)工作面受相鄰采空區(qū)影響較大,表現(xiàn)為采動(dòng)開(kāi)始后,F臂結(jié)構(gòu)重新失穩(wěn),誘發(fā)震動(dòng),對(duì)沿空側(cè)巷道造成破壞。由于沿空巷道煤柱已經(jīng)處于塑性或破碎狀態(tài),對(duì)煤體進(jìn)行卸壓,不能有效地控制巷道破壞。必須針對(duì)F臂的特點(diǎn)進(jìn)行防治,提出3種方法:(1)主動(dòng)切斷F臂,可以采取定向水力致裂與頂板斷頂爆破技術(shù);(2)加強(qiáng)抗沖能力的被動(dòng)法,主要采取加強(qiáng)巷道支護(hù),錨網(wǎng)索+O型棚聯(lián)合支護(hù),超前支承壓力區(qū)采用液壓支架與密封門(mén)式支架;(3)避讓法,對(duì)于厚煤層,可將沿空巷道布置“空下巷道”,即兩工作面相鄰巷道采取錯(cuò)層位布置方式,將下一工作面臨空巷道布置在采空區(qū)下方,這樣就有效避免F結(jié)構(gòu)失穩(wěn)震動(dòng)的影響,同時(shí)采空區(qū)下巷道的維護(hù)狀態(tài)大大改善。上述3種方法中,在有條件的情況下,當(dāng)優(yōu)先選用避讓法。巷道布置已經(jīng)形成,則優(yōu)先選用切斷F臂方法,如果震