大采深工作面沖刷帶附近應(yīng)力分布特征及微震活動(dòng)規(guī)律*

王建華 滿 操 翟朝鐸 耿慶超 儲(chǔ)丹東 張鈺庚

（1.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司霄云煤礦；2.山東能源集團(tuán)沖擊地壓防治研究中心；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院）

煤層沖刷變薄區(qū)對(duì)工作面回采有一定的影響，增加了割矸難度［1］。另一方面，煤層厚度變化與瓦斯含量有一定的關(guān)系［2］，當(dāng)煤層厚度越大，瓦斯含量越大，煤層厚度由厚變薄的區(qū)域，則容易發(fā)生以突出形式為特征的動(dòng)力現(xiàn)象［3］，所以瓦斯動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)往往在煤層厚度急劇變化的區(qū)域。沖刷帶破壞了煤層的連續(xù)性，同時(shí)影響了正常工作面回采的開(kāi)采布局，開(kāi)采過(guò)程中給頂板管理、巷道支護(hù)和維護(hù)等帶來(lái)諸多困難，不利于安全生產(chǎn)［4］。基于沖刷帶的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究，王宇林等［5］就對(duì)沖刷帶形成階段及沉積環(huán)境進(jìn)行了分類，闡述了煤層沖刷帶的各種特征。趙同彬等［6］揭示了煤層厚度變異區(qū)應(yīng)力分布情況，在煤厚變化不同情況下會(huì)經(jīng)歷“單、雙峰值應(yīng)力曲線”。曹代勇等［7］發(fā)現(xiàn)構(gòu)造作用是促成煤層厚度變化的主要因素。牛森營(yíng)［8］分析了煤厚變化對(duì)應(yīng)力分布、瓦斯突出的影響，并提出了煤厚變化對(duì)突出的控制機(jī)理。劉憲正等［9］總結(jié)了工作面通過(guò)沖刷帶的方法，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)論證探討了如何合理、科學(xué)的過(guò)沖刷帶。謝廣祥［10］對(duì)不同煤厚采高下圍巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析，隨著開(kāi)采煤厚的增大，分布影響范圍越大。

綜上可知，目前對(duì)沖刷帶煤層厚度變化區(qū)的微震活動(dòng)規(guī)律研究不足，沒(méi)有深入研究應(yīng)力分布與微震之間的關(guān)系。因此，研究煤層沖刷帶附近應(yīng)力場(chǎng)分布特征和微震活動(dòng)規(guī)律，對(duì)于揭示礦壓顯現(xiàn)規(guī)律具有一定的科學(xué)意義。

1 工作面簡(jiǎn)介

霄云煤礦1314工作面埋深較大，最大開(kāi)采深度接近700 m，被評(píng)價(jià)為弱沖擊地壓危險(xiǎn)性。該工作面北為1312工作面采空區(qū)，南為村莊保護(hù)煤柱，西至1314膠帶順槽聯(lián)絡(luò)巷，東側(cè)為采區(qū)邊界煤柱。煤層走向北西，傾向北東，傾角7°～17°，平均傾角14°，煤層為黑色，煤層厚度為2.0～3.7 m，平均2.85 m，較穩(wěn)定。直接頂、直接底、老頂、老底中除直接底為泥巖，其他均為細(xì)砂巖，厚度分別為2.7，0.5，10.9，5.9 m。工作面局部區(qū)域內(nèi)煤層中下部有一層夾矸，厚度為0.5 m左右，總體對(duì)回采影響較小，但是工作面內(nèi)發(fā)育2條煤層沖刷變薄區(qū)，受沖刷區(qū)影響，工作面內(nèi)局部煤層厚度變化大，對(duì)回采有較大影響。工作面平面布置和煤巖層綜合柱狀圖見(jiàn)圖1。

2 沖刷帶區(qū)域應(yīng)力分布的數(shù)值模擬

2.1 沖刷帶特征

結(jié)合三維物探資料，在工作面內(nèi)預(yù)計(jì)有2個(gè)沖刷帶，其中沖刷變薄區(qū)Ⅰ在工作面回采范圍外，對(duì)工作面回采影響較小，沖刷變薄區(qū)煤層厚度均小于3 m。沖刷變薄區(qū)Ⅱ變薄長(zhǎng)度約200 m，影響面積為48 249 m2。根據(jù)該區(qū)域兩順槽實(shí)際揭露情況，沖刷變薄區(qū)Ⅱ內(nèi)煤層頂板均為中砂巖，水平層理發(fā)育，局部夾泥巖薄層，厚度約2.8 m，巖石硬度系數(shù)f=6～8；直接底為粉砂巖，呈層狀結(jié)構(gòu)，裂隙較發(fā)育，厚度為1.0～1.4 m，平均厚1.2 m，巖石硬度系數(shù)f=4～6，巖石較硬；老底為細(xì)砂巖，水平層理，厚度約13 m，巖石硬度系數(shù)f=8～10，巖石堅(jiān)硬（圖2）。

由于沖刷變薄區(qū)Ⅱ內(nèi)煤厚小于2.5 m的范圍較大，底板巖石堅(jiān)硬，工作面在通過(guò)該沖刷變薄區(qū)時(shí)增加了割矸難度，同時(shí)在沖刷區(qū)起、末兩端最易失穩(wěn)，故該沖刷變薄區(qū)對(duì)工作面影響較大。

2.2 沖刷帶應(yīng)力模型

圖3為沖刷帶應(yīng)力分布示意圖，工作面前方到?jīng)_刷帶區(qū)域之間會(huì)出現(xiàn)雙應(yīng)力峰值，當(dāng)煤層局部厚度變薄前應(yīng)力會(huì)緩慢下降，在變化區(qū)域端點(diǎn)下降至最低值，然后在煤層局部變薄過(guò)程中逐漸增加。總之，煤層厚度變化區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度在超前峰值以后都經(jīng)歷先減少到增加的過(guò)程，并且厚度變化區(qū)有較大的應(yīng)力落差。煤層厚度變化區(qū)的起始位置應(yīng)力突然增加，然后劇烈下降，且在逐漸變薄后應(yīng)力逐漸增加，最終趨于某一值。應(yīng)力差值越大，煤層越不穩(wěn)定，在較大應(yīng)力差處容易失穩(wěn)。

2.3 沖刷帶區(qū)域應(yīng)力演化數(shù)值模擬結(jié)果

沖刷帶應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖4，對(duì)于原巖垂直應(yīng)力，當(dāng)煤層進(jìn)入沖刷帶起始段應(yīng)力會(huì)稍微下降，其后應(yīng)力發(fā)生明顯的增加，在厚度變化區(qū)，應(yīng)力隨著距沖刷帶距離的減小而增加，并在變化區(qū)末端達(dá)到峰值（16.3 MPa），工作面回采進(jìn)入沖刷帶區(qū)域，垂直應(yīng)力變化趨勢(shì)與原巖應(yīng)力變化大致相同，其中沖刷帶厚度變化起始點(diǎn)垂直應(yīng)力為13.4 MPa，末端垂直應(yīng)力為15.4 MPa。在進(jìn)入沖刷帶厚度變化區(qū)時(shí)，垂直應(yīng)力會(huì)有較大的落差，落差越大，煤層越易失穩(wěn)。對(duì)于煤層水平應(yīng)力，未開(kāi)采前與回采時(shí)水平應(yīng)力變化趨勢(shì)大致相同，在起始點(diǎn)先稍微下降然后再逐漸顯著增加。但是在垂直方向上，沖刷帶厚度變化區(qū)煤層應(yīng)力與上下巖層的水平壓力有著明顯的差異，未回采前煤層水平應(yīng)力明顯大于上下巖層的水平壓力，但是回采過(guò)程中與之相反。根據(jù)煤層的受力情況，當(dāng)煤層的厚度發(fā)生變化后，煤層的內(nèi)部附加水平應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，而且水平應(yīng)力的變化程度明顯大于垂直應(yīng)力。

不同產(chǎn)狀下應(yīng)力情況見(jiàn)圖5。兩種情況下應(yīng)力變化趨勢(shì)大致相同，其中5 m變化區(qū)比10 m變化區(qū)附加水平應(yīng)力變化劇烈，應(yīng)力落差較大，且煤層頂板應(yīng)力大于底板應(yīng)力。在5 m變化區(qū)起點(diǎn)、中部、末端，煤層上部應(yīng)力分別為11.34，13.05，12.16 MPa；在10 m變化區(qū)起點(diǎn)、中部、末端，煤層上部應(yīng)力分別為9，11.9，11.7 MPa，5 m變化區(qū)應(yīng)力明顯大于10 m變化區(qū)。因此，對(duì)于沖刷帶煤層厚度變化區(qū)，產(chǎn)狀變化程度越大，水平應(yīng)力變化越劇烈，煤層越不穩(wěn)定。

3 沖刷帶附近微震活動(dòng)規(guī)律

霄云煤礦安裝有KJ648型微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)分析震動(dòng)能量、震源及釋放能量的大小，可以揭示1314工作面沖刷帶分布對(duì)微震活動(dòng)規(guī)律的影響，確定和分析礦山震動(dòng)進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)，從而對(duì)可能發(fā)生的沖擊地壓危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。1314工作面回采過(guò)程中經(jīng)過(guò)沖刷帶的微震震源定位如圖6所示。震源統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

利用微震系統(tǒng)進(jìn)行震源定位，從而劃分出微震活動(dòng)帶。通過(guò)定位可以得出微震事件普遍分布在橢圓形（沖刷帶）區(qū)域（圖6），一少部分分布在煤柱區(qū)域，厚煤層穩(wěn)定性大于薄煤層，當(dāng)煤層厚度由厚變薄后，煤層應(yīng)力會(huì)顯著增加，故在沖刷帶內(nèi)部微震事件明顯大于煤層較厚區(qū)域。

根據(jù)1314工作面沖刷帶應(yīng)力分布規(guī)律得出，沖刷帶煤層厚度變化區(qū)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力差，故沖刷帶邊緣區(qū)域微震事件相對(duì)集中，微震事件數(shù)明顯大于沖刷帶內(nèi)部。通過(guò)表1可知，回采過(guò)程中微震事件數(shù)量相對(duì)較多，但是事件能量相對(duì)較小。

4 結(jié)論

（1）煤層通過(guò)構(gòu)造作用形成沖刷帶后，隨著煤層厚度發(fā)生變化，煤層內(nèi)部附加水平應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，而且水平應(yīng)力的變化程度明顯大于垂直應(yīng)力，工作面前方到?jīng)_刷帶區(qū)域會(huì)出現(xiàn)2個(gè)峰值應(yīng)力區(qū)。

（2）對(duì)于沖刷帶煤層厚度變化區(qū)，產(chǎn)狀變化程度越大，附加水平應(yīng)力變化越劇烈，煤層穩(wěn)定性越差，同時(shí)工作面前方第二個(gè)峰值應(yīng)力越大。

（3）1314工作面回采過(guò)程中微震事件數(shù)量相對(duì)較多，但是事件能量相對(duì)較小。微震事件相對(duì)集中在沖刷帶邊緣，故在回采過(guò)程中沖刷帶邊緣區(qū)煤層較容易變形破壞，并且厚煤層穩(wěn)定性大于薄煤層。

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