急傾斜特厚煤層采場結構失穩探測分析

申曉東

(西山煤電(集團)有限責任公司鎮城底礦，山西 古交 030203)

引 言

45°特厚煤層采場煤巖體在復雜的地質構造與采動影響下，形成一系列復雜的、不規則的弱面系統，而此類弱面系統能夠直觀的反映煤巖體的賦存狀態。為了確定某煤礦北采區45#煤層+575水平西翼工作面推進過程中，采場煤巖體賦存特征，采用地質雷達探測技術、松動圈探測技術、微震在線監測系統分別對采場頂板巖體、巷道圍巖、采場微震事件及能量變化特征體進行探測[1-3]。

1 工程背景

工作面地質賦存特征。某煤礦北采區位于八道灣向斜北翼，地層走向北東67°，傾向南東157°，西陡東緩，采區地面平均標高為+790 m。目前采區主采煤層為43#和45#煤層，煤層結構簡單，平均厚度分別約為41.3 m、30.6 m，傾角43°～51°。43#煤層與45#煤層間巖柱為堅硬的粉砂巖(f=3.5～4)，平均厚度約為102 m。老頂與直接頂及底板均為粉砂巖，泥鈣質膠結，直接頂厚度為3 m～5 m。煤層上部受原鐵廠溝煤礦與已廢棄小煤窯不同程度的采動影響。其中，原鐵廠溝煤礦45#煤層已開采至+707水平，43#煤層開采至+726水平，開采深度為70 m～90 m，其他廢棄小煤窯的開采垂深為67 m～125 m。

2) 工作面布置特征。由于45°特厚煤層特殊的地質賦存特征，導致其很難應用水平煤層的工作面布置方式。目前，北采區的開采方式為水平分段綜放開采，即工作面沿煤層厚度水平布置。在該開采條件下采空區位于工作面的上方，而準備巷道和掘井巷道系統則處于工作面下方[4-5]。

2 基于電磁波覆巖結構特征探測

2.1 探測方案

本次觀測采用美國勞雷公司研發的SIR-20專業型高速地質雷達光譜地磁技術，在+575水平45#煤層西翼頂板、底板巷道內對采場煤巖體進行探測。具體采用MLF240cm型低頻組合天線，在超前工作面100 m～150 m范圍內，分別在頂、底板側巷道內進行連續測量。其中頂板側巷道內測量方向與水平方向夾角為70°，對集中應力影響范圍內巖體破壞特征進行探測分析；底板側巷道內測量方向為垂直向上，對工作面煤體采空區以及部分直接頂進行探測。地質雷達參數見第37頁表1，觀測方案見第37頁圖1。

2.2 探測結果及分析

頂板巖層探測結果分析。第37頁圖2反映了沿走向距工作面100 m～150 m范圍內，工作面頂板內裂隙、離層等弱面的分布特征。由第37頁圖2a)

表1 地質雷達參數表

圖1 地質雷達觀測方案

地質雷達探測線掃描特征圖可知，垂向0 m～8 m范圍內，圖像顏色變化較大，表明該范圍內頂板巖層在巷道開挖與圍巖應力共同作用下裂隙發育，局部破碎嚴重；而在垂向8 m～19 m范圍內圖像顏色變化單一，表明該范圍內頂板巖層受周圍煤巖體的束縛，頂板巖層裂隙發育，但未產生就大范圍的離層；在垂向19 m～27 m范圍內圖像顏色再次紊亂，表明頂板巖層破碎嚴重，甚至局部產生離層；而在垂向27 m～40 m范圍內圖像顏色單一，表明頂板巖層完整。由圖2b)雷達波形時間剖面圖可看出：在垂向0 m～8.5 m范圍內反射波的波形能量大，頻率高，判斷此處巖體松散；在垂向8.5 m～19 m范圍內反射波的波形能量比0 m～8.5 m范圍內的明顯減小，表明8.5 m～19 m范圍內巖體破碎程度低；在垂向19 m～27 m范圍內反射波波形的能量較大，但頻率較高，甚至局部呈現黑色區域，由此可以判斷此處為巖體裂隙發育，局部可能發生離層；在垂向27 m～40 m范圍內波形變化幅度較小，表明巖體裂隙發育程度差。探測區域內巖體裂隙發育程度較差，整體完整性較好，僅在0 m～8 m和9 m～27 m范圍內裂隙發育。

圖3描述了煤層—采空區—直接頂板弱面分布的情況。由圖3a)地質雷達探測線掃描特征圖可知，在垂向0 m～23 m范圍內圖像顏色變化復雜，表明該區域內煤體工作面煤體裂隙發育，局部破碎嚴重；在垂向23 m～30 m范圍內煤巖體介質松散，并在局部形成空區；在垂向30 m～40 m范圍內，頂板巖層裂隙發育，但未產生明顯的離層。由圖3b)雷達波形時間剖面圖可看出：在0 m～5 m范圍內波形振幅較小，極性為產生明顯的偏轉，表明該范圍內煤體裂隙發育，但未發生明顯的離層；在垂向5 m～10 m范圍內，波形振幅較大，局部極性為負，表明該范圍內煤體破損嚴重；垂向10 m～23 m范圍內，波形振幅較小，變化幅度小，表明該區域內煤體裂隙發育；在垂向23 m～30 m范圍內波形振幅大，多出極性為負，表明該范圍內以松散介質為主；在30 m～40 m范圍內波形再次區域平穩，表明該范圍內巖體裂隙發育程度差。監測區域內煤體裂隙發育，部分區域破碎嚴重；采空區內垮落的煤巖塊呈松散態，并在局部形成空區。

圖2 頂板巖層探測結果

圖3 煤層-采空區-巖層探測結果

3 采場巷道煤巖體應力特征監測

3.1 監測方案

為了更加真實全面的獲取北采區45#煤層實際開采過程中，工作面應力傳導規律，本文運用錨桿應力計對北采區45#煤層+575水平西翼工作面，進行錨桿應力監測。錨桿的受力大小及分布，可以真實反映錨桿與錨固體之間的相互作用關系，可以判錨桿承載程度，判斷其是否發生變形、破裂，進一步判定巷道頂板及兩幫是否保持穩定狀態。高強度錨桿和錨索實施安裝后，其桿體將承受因圍巖內部原生或者次生的結構面及圍巖相對位移而產生的拉應力、剪切力與彎矩，為了解錨桿的實際工作的狀態，判斷圍巖煤巖體相對位移的發展趨勢。通過對錨桿或者錨索對錨固范圍內的巷道圍巖的錨固狀態進行分析，反推該錨固區范圍內巷道圍巖的整體受力情況[6-7]。

本次監測在北采區45#煤層+575水平西翼工作面頂、底板巷內各布置4個監測點，其中1#監測點與5號監測點距工作面50 m，各監測點間距為50 m。錨桿應力計安裝時應采用穿孔式固定安裝，安裝在錨桿的托盤和緊固螺母之間；安裝時要居中，首先對錨桿施加預應力，記下壓力表指示的的壓力值，此后定時量測錨桿與距工作面距離或與時間的變化關系。現場監測方案及錨桿應力及安裝方式，如圖4所示。

圖4 采場應力監測測站布置

圖5 采場應力監測結果

3.2 監測結果及分析

隨工作面的不斷推進，各測點與工作面間的相對距離也逐漸縮短，且工作面的推進速度可視為勻速推進；因此單個測點不同時間段內的監測數據，可反映距工作面不同位置應力變化特征。為了在減小誤差的前提下，盡可能真實的反映超前工作面不同位置的應力變化特征，在對個監測點數據統計時，取頂、底板巷內各監測點距工作面同一距離的平均值作為統計樣本進行分析。具體統計結果如下。

圖5反映了頂、底板巷內超前工作面不同位置的應力演化特征。由圖5可知，頂板巷內圍巖應力值明顯高于底板巷，尤其是應力極值，頂板巷內應力極值高達109 kN，而底板巷的應力集中僅為91 kN。根據頂板巷應力值曲線可知，在距工作面30 m～65 m范圍內圍巖應力值隨距工作面距離的減小而平穩升高，在距工作面8 m～30 m范圍內應力增長速率驟增，且在8 m位置達到最大值91 kN，此后隨距工作面距離的減小應力值也不斷減小。與底板巷應力曲線變化趨勢相同，頂板巷應力曲線在距工作面27 m～65 m范圍內應力值平穩升高，在7 m～27 m范圍內應力值增長速率較高，且在距工作面7 m位置應力達到最大值109 kN，而在0 m～7 m范圍內應力值逐步減小。

采場頂板側煤巖體內應力集中程度明顯高于底板側煤巖體；在超前工作面0 m～65 m范圍內，巷道支護系統所受載荷整體偏高，尤其是在超前工作面0 m～40 m范圍內，載荷高達45 kN～109 kN。

4 采場微震事件及能量變化特征分析

4.1 探測方案

具體監測方案為，在+575水平45#西翼煤層綜采工作面安裝12通道微震系統，傳感器分布+575水平45#煤層西翼南巷與北巷，共放置4個單軸地音傳感器。

4.2 觀測結果及分析

數據統計過程中，選取連續50 d內的微震監測數據作為統計樣本，重點分析每天釋放能量高于1×105J的微震大事件的變化特征。第39頁圖6反映了工作面正常推進，50 d內微震事件釋放能量高于1×105J的大事件變化特征。由圖6可知，在監測的第6 d～10 d與45 d～49 d內微震大事件發生次數相對集中，每天平均發生4次～5次，且單個事件釋放能量值相對較高；而其他時間段內，微震大事件發生次數較少，基本保持在1次～2次，甚至個別時間段內微震大事件數為0次。與此同時，微震大事件所釋放能連變化特征與事件數變化特征基本相同，在第6 d～10 d與45 d～49 d微震事件總釋放能量高達 5×105J(統計范圍內微震大事件共釋放能量7×105J)，且單個事件釋放能量也相對較高。工作面的推進過程中，采場微震事件及其釋放能量總體呈驟增—驟減—再驟增的趨勢。由此可以推斷，隨工作面的推進采場頂板巖體并未隨采隨落，而是在工作面推進一段距離后產生一定的破壞，其能量總體呈蓄積—釋放—蓄積的趨勢，且采場煤巖體能量釋放過程中，釋放時間短，釋放能量值高。

圖6 微震事件變化特征

5 采場巷道系統破裂特征探測

5.1 探測方案

本次監測采用RSM-SY5智能松動圈檢測儀，對北采區+500水平45#煤層西翼巷道圍巖質量進行測定。具體采用一發雙收測試，每3個測試鉆孔構成一組，頂板中心處1個，兩幫距離底板1.5 m處各1個，每個鉆孔深度為10 m，直徑為50 mm。測試前先將探頭伸至鉆孔底部進行注水，并用封孔器將空口封死，以防注水大量外流；待注水完成后再對圍巖進行探測，測試過程中每次拉出1 m，共測10個點，頂板巷內南幫為巖石，北幫及頂部均為煤體，底板巷內南幫為煤體，北幫為巖體。

5.2 觀測結果及分析

圖7反映了北采區+500水平45#煤層西翼工作面，頂底板巷道內縱波波速與孔深關系，即巷道圍巖破壞特征。由圖7a)可知，南幫在0 m～2.8 m范圍縱波波遠小于巖體標定值2 217 m/s，2.8 m～10 m范圍內縱波波速在標定值2 217 m/s附近浮動；與南幫相比頂部巖體內縱波波速整體較低，尤其在0 m～2.9 m范圍內縱波波速均小于1 750 m/s；北幫煤體內縱波波速在測程范圍內整體小于煤體標定值1 629 m/s，局部范圍內(0 m～2.8 m)縱波波速小于1 000 m/s；由圖7b)可知，南幫與頂部煤體內縱波波速整體小于煤體標定值1 629 m/s，尤其在0 m～2.5 m范圍內縱波波速遠低于標定值；北幫巖體內縱波波速相對較高，除0 m～2.3 m范圍內波速在1 500 m/s～1 900 m/s間變化為，其他區域縱波波速均在標定值2 217 m/s附近浮動。根據上述頂、底板巷縱波波速隨孔深的變化關系描述可知，由于頂板巖體強度較高，在集中應力作用下局部破壞嚴重，而其他區域僅裂隙發育；煤體強度相對較低，在集中應力作用下裂隙發育程度較高，甚至局部產生離層；而頂板巖體所受應力較低，未發生較大范圍的破壞。從而導致頂板巷周圍煤巖體破裂程度明顯高于底板巷煤巖體，且頂板巷北幫、底板巷南幫煤體破裂程度較高，在測程范圍內大部分區域，縱波波速明顯低于其標定值1 629 m/s，由此可以推斷，在高應力作用下，頂板巷圍巖破裂程度高，承載能力較低，從而使巷道支護系統所受載荷較高；而頂板較頂板巷而言，破裂程度較低，其圍巖承載能力也大幅降低，巷道支護系統所受載荷較高。

根據上述分析可知：工作面頂板巷道圍巖破裂程度明顯高于底板巷道，松動范圍較大，對圍巖應力的承載能力較低；此外，頂、底板巷道煤體一側，破裂程度較高，甚至局部呈松散狀態，對圍巖應力的承載能力大幅降低。

圖7 波速與孔深關系

6 結語

現場監測表明，工作面推進過程中，頂板整體完整，煤體裂隙發育，局部破碎嚴重，采空區內局部頂板懸空，并隨工作面的推進，采場煤巖體內微震大事件數與總釋放能量整體表現為驟增—驟減—驟增；工作面巷道松動范圍較大，對圍巖應力的承載能力較低，而在超前工作面7 m～40 m范圍內，巷道支護系統所受載荷卻由40 kN～50 kN驟增至91 kN～109 kN。現場應用結果表明：井下與地面相結合的頂板弱化措施有效的改變了內巖體能量存儲于釋放形式，采場發生強礦壓事件的幾率凸降，保證了工作面的安全生產。