構(gòu)造形成機(jī)制對(duì)沖擊地壓的影響

構(gòu)造形成機(jī)制對(duì)沖擊地壓的影響

影響地壓產(chǎn)生的機(jī)制一直是采礦業(yè)和力學(xué)領(lǐng)域尚未解決的問(wèn)題。齊慶新提出了基于微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的沖擊礦壓應(yīng)力控制理論,潘一山提出了用于判別煤層沖擊傾向性與危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo),竇林名等提出了沖擊地壓強(qiáng)度弱化減沖理論。從工程上看,沖擊地壓類型主要有巨厚堅(jiān)硬巖層斷裂誘發(fā)的沖擊(Ⅰ類)、底板屈曲斷裂誘發(fā)的沖擊(Ⅱ類)、自重與采動(dòng)應(yīng)力疊加誘發(fā)的沖擊(Ⅲ類)、煤柱集中應(yīng)力誘發(fā)的沖擊(Ⅳ類)、厚煤層動(dòng)力擴(kuò)容誘發(fā)的沖擊(Ⅳ類)、構(gòu)造應(yīng)力或構(gòu)造應(yīng)力與采動(dòng)應(yīng)力疊加誘發(fā)的沖擊(Ⅴ類)。目前,針對(duì)Ⅰ~Ⅳ類的研究較為深入,取得了豐碩的研究成果。從20世紀(jì)90年代起,采礦科學(xué)的研究人員開(kāi)始關(guān)注構(gòu)造對(duì)沖擊地壓的作用,如孫步洲通過(guò)對(duì)陶庒煤礦地表移動(dòng)觀測(cè)資料和沖擊地壓進(jìn)行實(shí)際對(duì)比,得到了斷層參與誘發(fā)沖擊地壓的認(rèn)識(shí);譚云亮通過(guò)分析門頭溝井田構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和沖擊地壓發(fā)生區(qū)域的關(guān)系,獲得構(gòu)造應(yīng)力對(duì)沖擊地壓的發(fā)生起制約作用的認(rèn)識(shí);陳國(guó)祥采用數(shù)值模擬方法反演了褶皺的形成過(guò)程及應(yīng)力分布規(guī)律,分析了褶皺不同部位的應(yīng)力狀態(tài);姜福興通過(guò)分析微地震監(jiān)測(cè)到構(gòu)造活化現(xiàn)象,將構(gòu)造控制型沖擊地壓分為增壓型和減壓型兩類。此外,據(jù)統(tǒng)計(jì),發(fā)生在構(gòu)造(主要指斷層、褶皺、相變)附近的沖擊地壓占所有沖擊地壓發(fā)生次數(shù)的70%以上。本文結(jié)合構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、礦山壓力等,分析各種構(gòu)造對(duì)沖擊地壓的控制作用,并結(jié)合典型案例進(jìn)行分析,以期為現(xiàn)場(chǎng)沖擊地壓防治提供參考。1影響地壓的檢測(cè)機(jī)制1.1錯(cuò)誤觸發(fā)地壓機(jī)的破壞煤田內(nèi)廣泛存在的斷層類型主要有正斷層、逆斷層。斷層類型不同,其成因也不同,誘發(fā)沖擊地壓的機(jī)理也不相同。(1)兩個(gè)順流塔內(nèi)的受荷特點(diǎn)根據(jù)地質(zhì)力學(xué)觀點(diǎn),逆斷層主要是由水平擠壓形成。通常逆斷層形成前的狀態(tài)為背斜構(gòu)造。單一巖層或巖層組長(zhǎng)期受到平行于層面的高水平應(yīng)力擠壓作用,巖層或巖層組中部發(fā)生隆起,形成背斜構(gòu)造,如圖1(a)所示;受到水平應(yīng)力的繼續(xù)擠壓和扭應(yīng)力作用,特別是兩側(cè)水平應(yīng)力的不均勻作用,背斜核部繼續(xù)隆起,兩翼繼續(xù)向核部擠壓,并在一翼中部發(fā)生扭轉(zhuǎn),如圖1(b)所示;隨著翼部向上運(yùn)動(dòng)和兩側(cè)水平應(yīng)力的繼續(xù)作用,扭曲的翼部中部發(fā)生相對(duì)位移,并產(chǎn)生剪應(yīng)力,在強(qiáng)大剪應(yīng)力作用下,翼部中部出現(xiàn)破裂面,破裂面兩側(cè)(即上、下盤)產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng),形成逆斷層,如圖1(c)所示。由于逆斷層是受到擠壓形成的,巖層在受擠壓的過(guò)程中將產(chǎn)生變形,內(nèi)部積聚大量的彈性能,盡管巖體發(fā)生塑性屈曲和斷裂將消耗很大一部分能量,但斷層體內(nèi)仍存有彈性能或殘余應(yīng)力。因此,逆斷層誘發(fā)沖擊地壓機(jī)理除應(yīng)力疊加外,還有彈性能的進(jìn)一步釋放,如圖2所示。(2)采動(dòng)覆巖應(yīng)力疊加與逆斷層相比,正斷層對(duì)沖擊地壓的作用較小,但也不能忽視。根據(jù)新巨龍礦井經(jīng)驗(yàn),當(dāng)采掘工作面位置到正斷層的距離小于70m時(shí),工作面圍巖就有可能發(fā)生能量較大的煤炮。正斷層主要是受到側(cè)向拉伸和垂直擠壓作用形成的,其中垂直擠壓作用為主。如圖3所示,當(dāng)完成巖體長(zhǎng)期受到垂直擠壓載荷作用時(shí),巖體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一條破裂面(圖3(a));然后,在側(cè)向拉伸載荷作用下,破裂面兩側(cè)(上、下盤)巖體被拉開(kāi)(圖3(b)),形成斷層;斷層形成后,巖體上均布載荷將重新分布,上盤臨近斷層面處產(chǎn)生應(yīng)力集中,造成上盤中軟巖體產(chǎn)生塑性流動(dòng),下盤遠(yuǎn)離斷層面處產(chǎn)生應(yīng)力集中,造成下盤中軟巖體向斷層面方向產(chǎn)生塑性流動(dòng),最終導(dǎo)致斷層面附近上盤軟巖體變薄,下盤軟巖體變厚,如圖3(c)所示;上、下盤軟巖體產(chǎn)生塑性流動(dòng)后,將進(jìn)一步造成應(yīng)力向外側(cè)轉(zhuǎn)移,即在距離斷層面較遠(yuǎn)處產(chǎn)生應(yīng)力集中,如圖3(d)所示。正斷層體內(nèi)沒(méi)有能量積聚,其誘發(fā)沖擊地壓機(jī)理主要是應(yīng)力疊加,如圖4所示,即斷層形成的支承壓力與采掘形成的支承壓力疊加。圖5所示為數(shù)值模擬揭示的采掘工程開(kāi)挖前后正斷層兩側(cè)的垂直應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出,采掘工程開(kāi)挖前正斷層上下盤出現(xiàn)集中應(yīng)力(圖5(a)),最大值為30MPa;采掘工程開(kāi)挖后,正斷層下盤進(jìn)一步發(fā)生應(yīng)力集中,即斷層形成的支承壓力與采掘工程開(kāi)挖形成的支承壓力疊加,最大值為40MPa?？梢?jiàn),應(yīng)力疊加是正斷層誘發(fā)沖擊地壓的主要原因。1.2部位受力狀態(tài)褶皺對(duì)沖擊地壓也有控制作用?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明,當(dāng)采掘工作面接近向斜軸部或翼部時(shí),經(jīng)常有沖擊地壓、煤炮等動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生。煤礦常見(jiàn)的褶皺是通過(guò)縱彎作用形成的,即巖層或巖層組在長(zhǎng)期水平擠壓載荷作用下發(fā)生緩慢變形,并形成褶皺。褶皺形成后,各部位的受力狀態(tài)有較大差異。根據(jù)陳國(guó)祥、王玉剛的模擬結(jié)果,向斜、背斜內(nèi)弧的波谷和波峰部位呈現(xiàn)水平壓應(yīng)力集中,向斜、背斜外弧的波谷和波峰部位呈現(xiàn)拉應(yīng)力集中,翼部呈現(xiàn)壓應(yīng)力集中。根據(jù)褶皺的形成機(jī)制,可將褶皺各部位的受力狀態(tài)分為5個(gè)區(qū)(圖6):Ⅰ區(qū)鉛直為拉力,水平為壓力,采掘工程布置在該位置時(shí)易發(fā)生片幫;Ⅱ區(qū)鉛直為壓力,水平為拉力,采掘工程布置在該位置時(shí)易發(fā)生冒頂和沖擊地壓;Ⅲ區(qū)水平和鉛直均為壓力,采掘工程在布置該位置時(shí)易發(fā)生沖擊地壓;Ⅳ區(qū)的受力狀態(tài)同Ⅱ區(qū);Ⅴ區(qū)的受力狀態(tài)同Ⅰ區(qū)。此外,褶皺翼部還受到強(qiáng)剪應(yīng)力,采掘工程在布置該位置時(shí)還易發(fā)生圍巖剪切破壞。另外,由于褶皺是受水平擠壓應(yīng)力形成的,褶皺區(qū)巖體內(nèi)部將存有殘余應(yīng)力和彈性能。彈性能的進(jìn)一步釋放,也是造成沖擊地壓的一個(gè)重要因素。1.3煤層硬度、巖性變化對(duì)煤層應(yīng)力分布的影響相變主要是指煤層硬度、煤層厚度、煤層傾角、巖性等發(fā)生變化。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明,當(dāng)采掘工作面接近相變帶時(shí),經(jīng)常發(fā)生煤炮、沖擊地壓等動(dòng)力現(xiàn)象。相變產(chǎn)生的原因包括沉積環(huán)境變化和其它構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生相變后,相變周圍巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。圖7所示為煤層與沖刷層交界處的應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出,由于煤層硬度比沖刷層的硬度大,煤層中產(chǎn)生應(yīng)力集中,采掘工作面的推進(jìn)造成前方出現(xiàn)支承壓力,隨著采掘工作面的推進(jìn),沖刷帶形成的支承壓力和采掘形成的支承壓力在采掘工作面前方疊加,誘發(fā)沖擊地壓的發(fā)生。另外,煤層硬度、巖性變化誘發(fā)沖擊地壓的機(jī)理與之相同。褶皺、斷層的形成通常伴有煤層厚度、傾角的變化。煤層厚度、傾角變化的力學(xué)機(jī)理是應(yīng)力集中。根據(jù)地質(zhì)力學(xué)的觀點(diǎn),煤層厚度變薄及傾角變大處往往是應(yīng)力集中處。因此,當(dāng)采掘工作面接近這些區(qū)域處,易造成應(yīng)力疊加,有可能導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。2典型案例分析2.1錯(cuò)誤引起的地壓破壞(1)超前支護(hù)結(jié)果2011-04-01T23:23,山東某礦3110工作面采煤機(jī)下行割煤時(shí)機(jī)尾發(fā)生沖擊地壓事故(位置如圖8所示),造成上出口向外17m范圍內(nèi)巷道底臌1.7~1.8m,超前支護(hù)的單體支柱、鉸接頂梁折損50余棵,部分支架液壓鎖被擊穿,個(gè)別支架護(hù)幫板銷子被切斷,采煤機(jī)右搖臂銷子被沖斷,后部刮板輸送機(jī)尾電機(jī)連接螺栓全部被切斷,煤壁片幫嚴(yán)重,有煤塊拋出,支架歪斜,并造成1死5傷的嚴(yán)重后果。從圖8中可以看出,3110工作面為一“刀把”式工作面,工作面西側(cè)為3111采空區(qū),東側(cè)為3109采空區(qū),東側(cè)有斷層F3110-1和斷層F3109-1在此交匯,采動(dòng)應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力集中造成此次沖擊地壓事故的發(fā)生。(2)煤炮發(fā)生實(shí)例分析新巨龍礦井北回進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面位于一采區(qū)東部,由北回風(fēng)大巷開(kāi)門貫通1301下平巷,巷道斷面為矩形,凈寬5m,凈高3.8m,設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為132.87m,沿煤層頂板掘進(jìn),采用錨帶網(wǎng)加錨索支護(hù)方式。2011-07-29,該巷道掘進(jìn)至68m處時(shí),掘進(jìn)頭發(fā)生能量較大的煤炮,掘進(jìn)頭煤體有掉渣現(xiàn)象,具體位置如圖9所示。從圖9中可以看出,北回進(jìn)風(fēng)巷左側(cè)分布有FL9正斷層,落差為5m,煤炮發(fā)生時(shí)掘進(jìn)頭到該斷層的距離約50m。經(jīng)分析,發(fā)生煤炮的主要原因是FL9斷層形成的支承壓力與掘進(jìn)形成支承壓力在掘進(jìn)頭前方疊加。對(duì)掘進(jìn)頭及兩幫煤體進(jìn)行大直徑鉆孔卸壓后,直至北回進(jìn)風(fēng)巷與1301下平巷貫通,未再發(fā)生煤炮。2.2褶皺引起的地壓破壞(1)殘余構(gòu)造應(yīng)力2004-11-30T15:38,山東某礦6303工作面輔助巷道掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生沖擊地壓事故(位置如圖10所示),掘進(jìn)頭后方30m巷道受到不同程度破壞,巷道上幫突出0.5~2.5m,頂板下沉0.2~0.5m,另外造成電站后部6個(gè)平板車被掀翻。從圖10中可以看出,“11·30”沖擊地壓事故位置位于一向斜軸部,該區(qū)域存在殘余構(gòu)造應(yīng)力。另外,該區(qū)域還分布有SF28斷層和SF33斷層,SF28斷層落差為3m,SF33斷層落差為0.8m,斷層造成煤巖體產(chǎn)狀發(fā)生變化?？梢?jiàn),褶皺、斷層形成支承壓力與掘進(jìn)形成的支承壓力疊加是此時(shí)沖擊地壓事故發(fā)生的主要原因。(2)微震事件分區(qū)2011-05-04—17,新巨龍礦井2301工作面推進(jìn)過(guò)程中微震事件急劇增多,如圖11所示,圖中圓點(diǎn)表示巖體破裂位置。從圖11中可以看出,微震事件具有明顯的分區(qū)性,集中分布在背斜翼部。由上述分析可知,背斜翼部是構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū),鉛直和水平方向均為壓力應(yīng)力,易積聚能量。當(dāng)工作面推進(jìn)到背斜翼部時(shí),積聚在翼部巖體中彈性能得到釋放,導(dǎo)致巖體破裂加劇,表現(xiàn)為微震事件增多。2.3圍巖煤體分析2011-08-26T01:30左右,新巨龍礦井2302下平巷掘進(jìn)頭發(fā)生一個(gè)煤炮,掘進(jìn)頭后方5~6m范圍內(nèi)出現(xiàn)異常響聲,頂煤掉渣,持續(xù)約3min;3時(shí)40分左右,掘進(jìn)頭發(fā)生沖擊地壓,位置如圖12所示,掘進(jìn)頭左上方彈出一0.3m×0.2m×0.3m的煤塊。2302下平巷位于二采區(qū)中部,西部為正在開(kāi)采的2301工作面。巷道斷面為矩形,荒寬4.8m,荒高3.85m,沿煤層底板掘進(jìn),采用錨帶網(wǎng)+錨索支護(hù)方式。沖擊地壓發(fā)生位置距離2301采空區(qū)344m,距離FD6斷層222m。根據(jù)相鄰工作面采動(dòng)影響距離實(shí)測(cè)結(jié)果(200m)和斷層誘發(fā)煤炮經(jīng)驗(yàn)距離(70m),這些因素不可能誘發(fā)此次沖擊地壓。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查,2301下平巷掘進(jìn)頭煤體硬度存在差異,即煤層內(nèi)部發(fā)生相變,如圖13所示,掘進(jìn)頭左側(cè)煤體較硬,右側(cè)煤體偏軟。掘進(jìn)頭后方原巖應(yīng)力向前轉(zhuǎn)移過(guò)程中,由于右側(cè)煤體承載能力差,造成應(yīng)力在掘進(jìn)頭左側(cè)煤體中集中。掘進(jìn)頭埋深約900m,此處原巖應(yīng)力約22.5MPa,應(yīng)力集中系數(shù)取1.4,則掘進(jìn)頭右側(cè)煤體中的垂直應(yīng)力約31.5MPa;煤體強(qiáng)度為18MPa,則沖擊指數(shù)為1.75,大于臨界值1.5,因此,掘進(jìn)頭左側(cè)煤體滿足了沖擊地壓的應(yīng)力條件。隨著掘進(jìn),對(duì)掘進(jìn)頭左側(cè)實(shí)時(shí)強(qiáng)卸壓措施,至今未再發(fā)生動(dòng)力顯現(xiàn)。3沖擊地壓發(fā)生機(jī)理構(gòu)造誘發(fā)的沖擊地壓統(tǒng)稱為構(gòu)造控制型沖擊地壓。該類沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理主要是構(gòu)造形成的支承壓力與采掘工程形成的支承壓力疊加。避免應(yīng)力疊加是控制該類沖擊地壓的有效途徑。主要措施有超前卸壓、優(yōu)化開(kāi)采順序。(1)煤巖體大學(xué)生接枝構(gòu)造附近煤巖體內(nèi)的應(yīng)力集中程度高。當(dāng)采掘工作面接近該區(qū)域時(shí),可對(duì)掘進(jìn)頭前方、工作面兩幫實(shí)施大直徑鉆孔,使應(yīng)力向煤巖體深部轉(zhuǎn)移,從而達(dá)到卸壓的目的。根據(jù)多個(gè)礦井的實(shí)踐,比較可靠的卸壓鉆孔參數(shù):鉆孔直徑120~150mm,鉆孔間距不大于2m,鉆孔深度不小于20m,孔口高度1.0~1.5m,超前卸壓距離不小于60m。(2)應(yīng)力疊加控制措施采用合理的開(kāi)采順序,也能避免人為造成的應(yīng)力疊加。如在褶皺區(qū),從軸部開(kāi)始采掘,能夠避免在軸部產(chǎn)生應(yīng)力疊加;在斷層區(qū),從斷層處開(kāi)始采掘,可避免應(yīng)力在斷層附近疊加;在相變區(qū),從煤層變薄處開(kāi)始采掘,能夠避免應(yīng)力在相變附近疊加。但是該方法受開(kāi)采條件限制,通常采掘區(qū)域分布