急斜特厚煤層開采擾動區(MDZ)煤巖體動力學變形失穩過程分析

曹建濤，來興平，崔 峰，單鵬飛

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

急斜特厚煤層開采擾動區(MDZ)煤巖體動力學變形失穩過程分析

曹建濤1，2，來興平1，2，崔 峰1，2，單鵬飛1，2

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

為研究急斜特厚煤層開采擾動區(Mining Disturbed Zone，MDZ)內煤巖動力學災害控制問題，綜合利用現場聲發射(Acoustic Emission，AE)與光學鉆孔影像(Borehole Optical Image，BOI)技術方法，并依托烏魯木齊礦區急斜特厚煤層煤巖體動力學災害控制為工程背景，揭示了急斜特厚煤層開采環境條件下深部開采擾動區結構演化特征。結果表明：急斜煤層深部煤巖破裂與變形過程中“波-力”指標演化分為5個階段(初始壓密→破裂萌生→破裂加速→整體破壞→能量急劇釋放)；開采擾動區內覆層煤巖體局部動態演化特征顯著，主要表現為局部應力畸變誘發煤巖體整體結構失穩和致災；煤巖體變形破壞致災是開采深度、煤巖體稟賦性、頂底板夾持結構及應力非對稱效應共同作用結果，為急斜特厚煤層動力學災害預報預測提供依據。

急斜特厚煤層；煤巖體；動力學變形破裂；聲發射；鉆孔光學影像

0 引 言

煤巖體缺陷具有隱蔽性與時空變異性，應力畸變與重構易導致大尺度片幫冒頂與動力學災害[1]。開采擾動區(Mining Disturbed Zone，MDZ)煤巖體動力學失穩致害研究進展積極，姜福興[2]等研究了微震監測預警方法與裝置系統，夏永學[3]等完善了5個物理意義明確且具有應用價值的危險預測指標。另外，地質雷達(Ground Penetrating，GPR)、SOS(Seismological Observation System)、聲發射(Acoustic Emission，AE)、鉆孔光學攝像(Borehole Optical Imaging，BOI)和PASAT-M等系統集成與傳統方法聯合應用，對復雜煤巖體動力失穩致災中能量積聚、轉移和釋放過程進行預測，為安全開采、災害控制和減損起到了至關重要的作用[4-6]。烏魯木齊礦區是典型急傾斜(45°～87°)特厚(均厚50 m)煤層富集區和集約化開發區，賦存30多層厚度與間距不同的急傾斜煤層群。烏東煤礦(1 000萬t/a)急斜特厚煤層水平分段綜放工作面始終處于“頂空開采”條件下(由于采用水平分段綜采放頂煤采煤法，上分段工作面回采過后形成超規模的長距離、高斜度的大尺度采空區，下分段工作面回采時，工作面頂部為遺留頂煤、垮落的頂底板巖石及地表黃土所形成的松散煤巖體結構)，且頻繁面臨采空區內部不確定性失穩問題[7-9]。隨采深(400 m)增加，采空區內煤巖體失穩誘發的動力學災害及衍生災害問題更加尖銳。2010年9月至2011年10月，曾發生10多次動力破壞現象，嚴重制約安全開采[10]。以烏魯木齊礦區烏東煤礦急斜特厚煤層安全開采為背景，采用綜合方法與手段，揭示急斜煤巖體變形與破壞演化規律，為礦井動力災害預報與控制提供依據。

1 急斜特厚煤層開采擾動區結構特征

圖1 烏魯木齊礦區(烏東礦)急斜煤層賦存特征Fig.1 Characteristics of steep coal seams at Wudong mine of Urumqi coal field

圖2 MDZ結構特征Fig.2 MDZ structure characteristics

烏魯木齊礦區是典型急傾斜(45°～87°)特厚煤層富集區。目前最大采深達400 m，如圖1，圖2與圖3所示，始終頂空(區)開采是深部開采擾動區(Mining Disturbed Zone，MDZ)水平分段綜放工作面典型特征之一。深部煤巖體動態破裂變形，極易導致強度與變形畸變、結構動力學失穩與誘發動力學災害。現場地質鉆孔和雷達探測表明，急傾斜深部煤巖分層特性與巖層巖性差異性極大，強弱巖層的組合嚴重影響了煤巖層的受力變形，易產生層間滑動。水平分段綜放頂采場結構和采掘關系的顯著特點是始終頻臨采空區。工作面上方采空區不均衡垮落和沉降，形成載荷集中區，且局部不均勻受力，煤柱沿垂直剖面形成“塔形”分布結構，最底層水平分段煤柱所受載荷產生應力疊加，誘致煤柱斷裂。加之煤層傾角大，開采擾動下煤巖體產生非對稱性“撬動”作用力，致使集中載荷突然卸荷，導致煤巖體結構整體失穩，對工作面形成動力學破壞。巷道出現嚴重底臌幫鼓與冒頂，最大底鼓達1.2 m；兩幫收縮量最大達1.0 m，收縮率達20.8%，煤巖體能量突然釋放使巷道內風筒與錨網撕裂、錨桿失效和皮帶側翻(圖3)等現象，增加了開采難度。

圖3 采動作用下巷道煤巖動力學破壞情況Fig.3 Dynamic damage of coal-rock mass of roadway under mining disturbance

2 急斜特厚煤巖變形與破裂AE特征

煤巖破裂聲發射(Acoustic emission，AE)技術為現場工程穩定性預測預報提供了1種有效信息獲取手段。以烏東煤礦南采區B3+6煤層工作面回采過程中開采擾動區內煤巖體失穩預測預報研究為工程背景，通過聲發射與PASAT-M現場煤巖動態破裂與失穩聯合監測[11]，具體針對+501水平B3+6煤層工作面回采過程中開采擾動區內煤巖破裂與變形，揭示受動力作用下急斜特厚煤巖破裂與失穩時AE大事件和能率特征及規律(圖4)。

圖4 煤巖體破裂與失穩聲發射(AE)特征Fig.4 AE characteristics of coal-rock mass crack and instability

如圖4所示，+501水平B3+6煤層工作面煤巖體破裂與失穩聲發射數據分析，認為急斜煤巖體破裂失穩分為5個階段：初始壓密(ST-1)、破裂萌生(ST-2)、破裂加速(ST-3)、整體破壞(ST-4)和能量急劇釋放(ST-5)，各階段破裂演化變化特征如下。

1)初始壓密(ST-1)：AE總事件與能率波動較小，這與室內小尺測試結果基本吻合；

2)破裂萌生(ST-2)：煤巖體發生彈性變形，但其運動相對劇烈，與ST-1相比，AE總事件和能率明顯加大，持續時間相對較長(約28.0 min)，約占總過程60%；

3)破裂加速(ST-3)：煤巖體內部在前2個階段中聚集能量釋放，AE總事件和能率增加，煤巖破裂速率與范圍大幅增加，AE峰值倍增。總事件和能率均達到峰值，最大值分別為1 071個/s和4 974，持續時間短，僅為3.6 min；

4)整體破壞(ST-4)：煤巖體破壞加速累積導致整體破壞，AE總事件和能率都達到峰值后，AE信號有所下降，但幅度處于高位水平，儲能大量釋放，承載力顯著下降。但煤巖體仍具有一定承載能力，持續時間為33.0～39.0 min，約占總過程14%，此階段持續時間較短且變形破壞十分劇烈，使裂隙貫穿溝通，將儲能大量釋放，形成整體破壞，但結構仍具有承載載荷的能力，現場開采時應重點監測此時段，并采取預防措施；

5)能量急劇釋放(ST-5)：AE總事件和能率驟然釋放與重構擴展，總事件和能率峰值分別為771個/s和4 303，約占總過程14%.動力學災害往往就在這一階段發生，由于在(ST-4)階段使煤巖體原有連續結構受到破壞，破碎后煤巖體形成的結構體十分脆弱，在外界擾動載荷作用下，尤其在實施超前預爆破和注水軟化技術措施時，極易產生動力失穩災害。

基于聲發射對煤巖體能量積聚和釋放的前兆信息研究，可對煤巖體變形破壞過程進行科學的預測預報。

3 煤巖體內不同深部破裂與變形光學觀測

煤巖體局部化破裂孕育演化與失穩致災，實質上是煤巖體局部結構與應力環境作用的動力學演化過程。從現場鉆孔光學攝像(Borehole Optical Imaging，BOI)觀測結果(圖5)可看出，鉆孔內部煤體出現顯著變形、破裂與坍塌，煤巖體發生破裂和剪滑，裂隙邊界點上兩點間產生相對位移，沿鉆孔縱向和橫向發生擴張或移動，煤巖體的徑向和切向應力明顯增大，局部出現應力集中現象，壓縮應力和剪切應力致使巖體產生動態破裂與畸變失穩。在鉆孔不同深度和不同位置破裂長度和寬度也不盡相同，破壞形式迥異，表明煤巖體內部不同位置應力集中程度與局部應力卸荷梯度完全不同，極易產生局部區域變形破壞帶并誘發動力學破壞。現場鉆孔光學攝像技術的實施以監測+501水平B3和B6巷道圍巖變形破壞為目的，獲取其相應的光學觀測結果。圖5描述了現場煤巖體內部不同深部破裂與變形光學觀測結果。

圖5 現場煤巖體內部不同深部破裂與變形光學觀測結果Fig.5 Observation results of coal-rock mass inner spalling and deformation by BOI at field different depth

4 煤巖體動力學變形破壞綜合分析

煤巖體賦存性、稟賦性和結構性及相互關系獨特，煤巖應力重新分布、變形破壞和煤巖體結構重組是3個典型演化過程，開采擾動區煤巖體變形破壞致災是開采深度、煤巖體稟賦性、頂底板夾持結構及應力非對稱特性等共同作用結果。

4.1 開采深度影響

隨煤層開采深度的增大，開采采空區影響范圍的增大，作用在煤巖體結構上的載荷在不斷地發生變化，引發EDZ內覆層結構載荷調整與重構，由于煤巖體在原始載荷和開采擾動作用下，煤巖體的強度會隨時間的增長在載荷作用下逐漸退化，引發變形及結構畸變，局部煤巖體發生破壞與動態失穩，造成整體結構“活化”，促使結構發生不斷地演化。一方面在外界載荷作用下不斷積蓄應變能，另一方面由于結構基本單元的流變性和節理裂隙的擴展使得結構剛度下降。開采擾動下，當動力載荷的作用使結構達到能量破壞極限，造成能量釋放并誘發動力學失穩和連鎖型破壞。

4.2 煤巖物理力學性質

煤巖物理力學稟賦特征是誘發工程災害的主要原因之一。急斜特厚煤層EDZ內基本頂和底板為粉砂巖和砂巖，脆性大，儲能高。急傾斜煤層由含煤地系煤巖層固有屬性決定，其中煤巖層厚度不同，且力學強度有強弱組合，部分巖層含有節理裂隙等弱結構面，由于含煤巖系的分層特性差異，巖層巖性差異性極大，形成強、弱巖層的不同組合，強弱巖層的組合是影響受力變形和發生順層滑動的重要條件，軟弱巖層是潤滑層，其動力學失穩孕育和發生物理過程復雜，在整體巖層活動中各巖層的作用不同，較為堅硬且厚的巖層在巖層運動過程中起到關鍵控制作用；較為軟弱且薄的巖層，不能承載上覆巖層作用的載荷，且對下覆巖層發生傳遞且增加載荷的作用。強弱巖層的組合嚴重影響了巖層的受力變形情況，在強、弱巖層間，極易產生層間相對運動，將會發生離層或冒落現象。現場AE監測(圖6(a))和原位應力測試結果表明，頂底板巖層抗壓強度約47 MPa具備發生動力學失穩破壞稟賦條件。

4.3 頂底板夾持作用

急斜特厚煤層水平分段綜放開采工作面沿煤層厚度布置(長約50.0 m)，沿煤層走向推進，工作面兩端為煤層頂底板。當載荷集中后，超過煤體所承受的載荷極限時產生卸荷，誘致煤體破碎并加速擴展演化，但受頂底板夾持作用(圖6(b))，應力難以向更深層位煤巖體內擴展轉移與調整并形成集中載荷，導致動力學破壞發生。

圖6 深部開采擾動區煤巖運動特征Fig.6 Movement characteristics of coal-rockmass in deep EDZ

4.4 采動擾動作用下煤巖體應力非對稱作用

在急斜特厚煤層水平分段綜放開采中，隨頂煤不斷放出，工作面空間尺度加大，煤巖體在頂底板之間易形成跨層拱結構并產生非對稱效應。數值計算與現場監測綜合分析(圖6)表明[12-14]，采動擾動作用下煤巖破裂失穩頻繁，持續時間短，強度高。載荷由初始的6.0 MPa升至8.0 MPa時，頂煤發生破壞引發拱結構二次破壞并釋放應力，煤巖體載荷恢復至6.0 MPa，頂煤大范圍失穩并充填采空區，導致老頂失去法向支撐并發生變形，煤巖體結構承受載荷再次升高；當載荷升高至12.0 MPa時導致老頂發生失穩，使煤巖體結構承受載荷徹底釋放。另外，急斜煤柱左幫與上方均存在水平應力集中(圖6(b))，受水平和垂直應力雙重影響。頂板承受垂直應力較大，非對稱作用顯著，易產生底鼓現象。

根據開采過程中動壓作用特征規律，現場采取超前注水、卸壓洞室和控制開采速度等措施，實現了動壓破壞的科學調控，保障了安全生產。

5 結 論

急斜開采擾動區煤巖動力學失穩制約安全開采。通過對烏魯木齊礦區急斜煤層煤巖動力學變形破壞與演化特征規律綜合分析，得出如下結論

1)急斜特厚煤層開采環境與條件獨特，煤巖體動態破裂變形易導致強度與變形畸變、結構動力學失穩與誘發動力學災害；

2)現場綜合監測結果表明，急斜特厚煤巖體局部化破裂孕育演化與失穩致災，實質上是煤巖體局部結構與應力環境作用的動力學演化過程；

3)開采擾動區煤巖體變形破壞致災是開采深度、煤巖體稟賦性、頂底板夾持和結構及應力非對稱效應等共同作用結果，為急斜特厚煤層深部動力學災害預報控制提供依據。

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Characteristics on dynamical deformation and instability of coal and rock mass in Mining Disturbed Zone(MDZ)of steeply dipping heavy thick coal seams mining

CAO Jian-tao1，2，LAI Xing-ping1，2，CUI Feng1，2，SHAN Peng-fei1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China； 2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

Controlling dynamical instability of coal and rock mass in mining disturbed zone(MDZ)is a significant task of safe mining relating to steeply dipping heavy thick coal seams.Aiming at the dynamic hazards controlling goal of coal-rock mass in Urumqi coal field，this paper focused on the revealing of structure evolution characteristics for mining disturbed zone.The results show that process of dynamical deformation and cracking in coal and rock mass is defined as five stages，which are initial compression，cracking producing，cracking acceleration，overall damage and energy rapid releasing.Local dynamical deformation of overlying stratum in coal and rock mass is particularly obvious within EDZ，which would result in structure instability and hazards.Coal and rock mass failure disaster in deeper MDZ related to mining depth，essential of coal and rock，roof and floor grip and their asymmetric dependence of structure and stress.Those provided some theoretical evidence for prediction and controlling of dynamical hazard in steeply dipping heavy thick coal seams.

steeply dipping heavy thick coal seams；coal and rock mass；dynamical deformation；acoustic emission(AE)；borehole optical imaging(BOI)

2015-05-10 責任編輯：劉 潔

國家自然科學基金(煤炭聯合基金)重點項目(U13612030);陜西省重點科技創新團隊計劃(2013KCT-16);博士啟動基金(2014QDJ069);博士培育基金(2014051).

曹建濤(1981-),男,山西大同人,博士,講師,E-mail：463583050@qq.com

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0401

1672-9315(2015)04-0397-06

TD 73

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