傾斜煤層內走向工作面開采誘沖機理研究

呂傳慶

(晉城宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048000)

我國煤炭儲量豐富，賦存地質條件多樣，在開采過程中，常受到斷層、褶曲等地質構造的影響，導致煤炭資源開采條件復雜化[1-2].褶曲構造往往伴隨著地殼的運移而形成，其翼部特殊的構造形態將會導致煤層賦存傾角的多變。褶曲軸兩翼部區域內的煤體進行開采時，褶曲翼部的傾角隨著靠近翼部區域而逐漸趨于水平，而遠離翼部區域的位置傾角較大，這也導致了煤層開采后頂板覆巖破斷結構和應力集中與煤層傾角變化相關。因此，針對翼部區內工作面開采誘發沖擊機理，需要更多地考慮煤層傾角的變化特性，進而提出相應的防治方法。

1 “11.14”沖擊地壓事故

山西晉能能源控股集團所屬某礦目前開采的東翼三四采區為一向斜構造區的翼部區域，整個采區內煤層沿傾向的傾角起伏為28°～36°，平均傾角為32°.三四采區內主采5#煤層，厚度為7.6～12.2 m，平均厚度為9.9 m，采用綜采放頂煤開采工藝，采高為3.5 m，放頂煤高度為6.4 m，采放比為1∶1.8.煤層上覆巖層從下向上依次為泥巖層(1.6 m)、粉砂巖層(5.2 m)、炭質泥巖層(2.2 m)、細粒砂巖層(3.8 m)、粗砂巖層(6.7 m)和細砂巖層(8.9 m).

三四采區內工作面沿傾向從上向下開采，目前所開采的第二個工作面為三四采區二段工作面，其上側一段工作面已經開采完畢，為鄰近采空區。當對二段工作面進行回采綜放作業時，于2018年11月14日發生了一起嚴重的沖擊地壓事故，造成工作面內多處液壓支架壓架、倒架，導致沿空側二段回風巷超前段內超前單體支柱折斷、圍巖變形嚴重等，并有若干作業人員受傷。事故發生后現場典型破壞情況見圖1.

圖1 現場典型破壞調研情況

事故發生后，結合該礦安裝的SOS微震監測系統[3]對“11.14”沖擊地壓事故發生時的微震能量事件進行定位，定位結果見圖2.

圖2 微震能量事件定位結果圖

由圖2a)可知，“11.14”沖擊地壓發生時，在工作面中部前方位置處微震能量事件較為密集，說明工作面前方煤體受超前支承應力影響塑性變形釋放能量，但微震能量事件的能量值整體較小，控制在104J以下。由圖2b)可知，“11.14”沖擊地壓發生時，在工作面上方基本頂內存在一較高的微震能量事件，能量值為1.17×104J，且該能量事件位置靠近二段回風巷側，進而在一段工作面采空區所形成的側向支承應力和超前支承應力(靜載荷)以及采空區上覆巖層中基本頂破斷所形成的較高微震能量事件(動載荷)共同作用下，造成了“11.14”沖擊地壓事故的發生。

2 傾斜煤層開采誘沖機理分析

2.1 物理相似模擬分析

結合三四采區內二段工作面的工程地質背景，采用物理相似模擬按照1∶200的比例在實驗室內鋪設物理相似模型，實現對于二段工作面回采期間覆巖運移規律的相似模擬，見圖3.

圖3 二段工作面回采期間物理相似模擬結果圖

由圖3a)可知，二段工作面上覆巖層沿走向呈現對稱式梯形破斷，整體破斷角為α.其中破斷覆巖中低位巖層呈現出垮落破斷形式，而高位巖層則以離層變形為主。由圖3b)可知，二段工作面上覆巖層沿傾向同樣呈現梯形破斷形式，但是破斷后所形成的輪廓為非對稱式梯形。其中沿傾向上側破斷的高度較大，而下側破斷的高度較小，這是因為低位巖層垮冒后，將會沿著傾向在重力作用下向下滾落，導致沿傾向上側采空區懸空區更大而造成的[4].這也意味著上側覆巖中高位堅硬頂板更容易發生破斷形成強動載荷，進而對沿空側的二段回風平巷造成劇烈動載擾動影響。

2.2 數值模擬分析

同樣結合三四采區內二段工作面的工程地質背景，采用FLAC3D軟件按照1∶1的比例建立三維數值模型，并通過計算機的模擬運算對二段工作面回采期間覆巖應力臨界線演化規律進行分析。其中覆巖應力臨界線可以看作是隨著工作面的回采推進，覆巖結構穩定時判別系數η為0的等值線，其計算公式如下：

(1)

式中，σ0表示工作面未回采時覆巖中的應力值；σ1表示工作面回采推進后覆巖中的應力值。

根據數值模擬運算結果，并結合式(1)，可以求出判別系數η等于0時的等值線圖，見圖4.

圖4 二段工作面回采期間覆巖應力臨界線演化規律圖

由圖4a)可知，隨著二段工作面沿著走向的推進，其上覆巖層中的應力臨界線逐漸向高位巖層擴展，但整體上保持著對稱性的梯形狀態，這與物理相似模擬結果一致。由圖4b)可知，隨著二段工作面沿著走向的推進，其上覆巖層中的應力臨界線同樣逐漸向高位巖層擴展，但是整體上呈現出非對稱性的梯形狀態，這也與物理相似模擬結果一致。同時從圖4中可以看出，伴隨著二段工作面的回采推進，高位巖層破斷更容易出現在靠近二段回風巷側，這意味著二段回風巷更容易受到高位巖層破斷所形成的劇烈動載擾動影響。

2.3 動靜載疊加誘沖分析

結合物理相似模擬和數值模擬分析結果，建立二段工作面回采期間的動靜載疊加誘沖機理模型，見圖5.

圖5 動靜載疊加誘沖機理模型圖

由圖5可知，隨著二段工作面的回采推進，其上覆巖層內的低位較堅硬頂板將會先發生破斷，進而形成擾動較小的近場應力擾動σdn，其對工作面的回采擾動影響較小，可視作常規的小能量微震事件。隨著工作面的進一步回采推進，采空區上方高位堅硬頂板也將會隨之發生破斷，進而形成強烈的遠場應力擾動σdf，而沿空側巷道圍巖受鄰近采空區的側向支承應力與本工作面的超前支承應力疊加影響，將會在巷道兩側煤巖體中形成高應力集中σj1和σj2，可見遠場動載荷以彈性應力波的形式向沿空巷道圍巖中受高集中應力影響的區域傳播時，將會與巷道圍巖中的高集中靜載荷疊加，進而在動靜載荷的疊加效應下誘發沖擊地壓事故。關于動靜載疊加誘發沖擊機理[5-6]的計算公式如下：

(2)

(3)

式中,σdf為工作面上覆高位巖層破斷所形成的遠場擾動載荷；σj1為沿空巷道實體煤側所積聚的高集中靜載荷；σj2為沿空巷道煤柱側所積聚的高集中靜載荷；σmin為巷道周圍煤巖體失穩破壞所需要的最小臨界載荷；E為煤巖體的平均彈性模量。

根據式(2)或(3)可知，動靜載疊加作用下，當沿空巷道周圍煤巖體內積聚的能量超過煤巖體失穩破壞所需要的臨界最小能量時，煤巖體將會在一瞬間失穩而發生沖擊地壓事故。

3 傾角對沿空巷道圍巖應力演變影響分析

基于上述采用FLAC3D軟件按照1∶1的比例建立的三維數值模型，選用煤層傾角為0°、15°、30°和45°四種情況分別進行數值模擬，揭示不同煤層傾角情況下沿空巷道圍巖應力的演變規律情況，數值模擬結果見圖6，圖7.

圖6 不同煤層傾角條件煤柱側垂直應力演變規律圖

圖7 不同煤層傾角條件實體煤側垂直應力演變規律圖

由圖6可知，煤柱側垂直應力集中程度隨著煤層傾角由45°向著0°減小而減小，峰值應力由86.18 MPa減小至57.53 MPa，降幅高達33.2%，這意味著在較小的煤層傾角條件下，沿空側護巷煤柱承載的支承應力將會大幅減小，進而降低其誘發沖擊地壓的可能性。

由圖7可知，實體煤側垂直應力集中程度隨著煤層傾角由45°向著0°減小而增大，峰值應力由43.67 MPa增大至136.59 MPa，增幅高達212.8%，這意味著在較小的煤層傾角條件下，沿空巷道實體煤側煤體承載的支承應力將會大幅增加，進而增加其誘發沖擊地壓的可能性。

結合圖6和圖7所示垂直應力隨煤層傾角變化的演化結果可知，隨著煤層傾角由45°向著0°減小變化，沿空巷道煤柱側誘發沖擊地壓的可能性逐步降低，而實體煤側誘發沖擊地壓的可能性逐步增加，因此針對不同煤層傾角條件下的沿空巷道要有相應的防沖措施。

4 結 論

1)傾斜煤層開采條件下，上覆巖層沿傾向破斷后所形成的輪廓為非對稱式梯形，其中沿傾向上側破斷的高度較大，而下側破斷的高度較小。伴隨著二段工作面的回采推進，高位巖層破斷更容易出現在靠近二段回風巷側。

2)動靜載疊加作用下，當沿空巷道周圍煤巖體內積聚的能量超過煤巖體失穩破壞所需要的臨界最小能量時，煤巖體將會在一瞬間失穩而發生沖擊地壓事故。

3)隨著煤層傾角由大向小變化，沿空巷道煤柱側誘發沖擊地壓的可能性逐步降低，而實體煤側誘發沖擊地壓的可能性逐步增加，因此針對不同煤層傾角條件下的沿空巷道要有針對性的防沖措施。