堅硬頂板誘發含夾矸煤層圍巖失穩機理及防治

趙華全，楊皓博

(陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 咸陽 713500)

0 引言

隨著采礦活動向深部轉移，圍巖失穩的基礎靜載(自重應力)逐漸增大，回采步距的增大使頂板會產生裂隙，當頂板彈性能積累到一定程度會突然釋放誘發礦震。在其影響下還可能誘發斷層活化、冒頂等事故，甚至會誘發沖擊地壓造成人員傷亡及設備的損失[1]。由于成煤時期的各種原因，厚煤層中往往有一層夾矸結構。夾矸的存在破壞了煤層的連續性，當夾矸厚度較大時，可視為“骨架”提高煤層的穩定性，而厚度較小時，會嚴重影響煤層的穩定性，尤其在其厚度變化區，煤巖接觸面位置最易發生滑移失穩[2]，在多輪動載作用下夾矸賦存區損傷破壞加劇，當損傷達到一定程度時，煤巖接觸面易于活化失穩，由起初的靜摩擦轉為動態摩擦，從而表現為應力驟減及質點振動速度驟增[3]。

國內外學者研究了諸多關于動-靜載荷疊加下圍巖失穩機理。例如，李夕兵等[4]研究了不同類型動靜組合加載下圍巖失穩力學機制，提出了巖爆動力判據和防控方法，為揭示巖爆機理提供了新的思路與方法；何江[5]研究了動-靜載下巷道圍巖失穩機理及其前兆特征，提出了降低動載擾動的防沖關鍵技術，基于現場驗證提出了“彈性+整體+高強蓄能承載”的巷道支護新形式，降低動載作用下沖擊地壓發生的概率；宋解放等[6]揭示了頂板破斷過程中夾矸微震演化規律，并分析了其賦存區應力演化特征；王恩元等[7]基于地震學位錯震源理論，構建了堅硬頂板破斷震源模型并推導了斷裂，以及滑移時空分布函數，同時也研究了應力波遠場效應；雷文杰等[8]分析了采動下地震波傳播及衰減特征，得出頂板巖層的平均波速及加速度高于煤層，震動波能量與信號時長受傳播距離分別呈現指數與線性衰減，且震動波在頂板的有效傳播距離大于煤層。

頂板破斷產生的動載以波動形式向四周傳播，這些波攜帶斷裂所產生的能量以彈性介質中質點間的應變(體應變、切應變)傳遞，與這2種應變相對應的稱縱波與橫波。其中，縱波在膨縮力作用下質點振動方向與波的傳播方向一致，而橫波在旋轉力作用下質點振動方向與波的傳播方向垂直，故縱波傳播速度大于橫波[9-11]。靜載情況下，巖體內部應力變化較小，工作面夾矸賦存區損傷只在較小范圍內發生，當高位頂板破斷時，縱波與橫波先后作用到夾矸厚度變化區，而低位頂板破斷時，縱波與橫波疊加一起共同作用，震源能量越高，質點峰值振動速度越高。因此，當震源距離夾矸厚度變化區越近煤巖體越易滑移失穩[12-13]。國內外學者對于動靜載荷對采場圍巖作用與煤巖組合結構有詳細的研究，但是對于動-靜疊加下夾矸失穩機理研究較少。為此，在兩者基礎上從應力場和速度場角度分析堅硬頂板破斷下夾矸滑移失穩機理，以期提出減少沖擊地壓發生的防治措施。

1 工程背景

1.1 工作面概況

40205綜放工作面對應地表為塬梁溝壑地貌，標高912～1 090 m，40205工作面區域地層含煤2層，分別為4號煤層及4-1煤層，4號煤層底板標高+370～+386 m，煤層埋深530～710 m，煤層厚度穩定，總體為中部厚兩側薄，厚度21～25 m，平均煤厚23 m，工作面地質條件如圖1所示。4-1煤層厚度1.1～1.3 m，距4號煤層頂板0.8～1.4 m，平均1.1 m。工作面4號煤層和4-1煤層聯合開采。4號煤層結構簡單，夾矸1～3層。

圖1 工作面地質條件

1.2 夾矸分布特征

40205工作面夾矸呈西北東南走向，夾矸厚度從西北向東南逐漸變薄，工作面回采過程中靠皮順處，夾矸厚度0～4 m，由于夾矸較厚，局部頂板有破碎現象。其中，切眼至聯巷方向上沿工作面走向距離切眼約為40～78 m，向工作面內延伸約32 m范圍，煤層中約大于2 m的夾矸，膠帶順槽實測剖面圖如圖2所示。在切眼至聯巷方向上沿工作面走向距離切眼約為160～186 m，向工作面內延伸約11 m范圍，由大于2 m的夾矸引起。在切眼至聯絡巷方向上沿工作面走向距離切眼約113～268 m，向工作面內延伸約23 m范圍，由大于2 m的夾矸引起。

圖2 膠帶順槽實測剖面

2 夾矸滑移誘發沖擊地壓

2.1 強礦震震源分布

該工作面煤層埋深較大，圍巖承受較高的靜載作用。根據圖1(b)可知，煤層上覆巖層以堅硬的細砂巖、粉砂巖為主，隨著工作面開采，首先在頂板最大彎矩力處隨機產生裂隙，當裂隙逐漸增多并貫通時，頂板會逐漸彎曲、斷裂產生沖擊荷載，且破斷過程中產生的大事件較為頻繁，圖3為工作面在回采期間堅硬頂板破斷微震事件(E>1×104J)分布。在堅硬頂板中大能量事件廣泛存在及沖擊載荷作用下，易于誘發煤巖接觸面發生滑移失穩，然后反作用使工作面發生沖擊事故。

圖3 膠帶順槽局部區強礦震分布

2.2 夾矸滑移失穩機理

當應力波傳到煤巖接觸面時，接觸面應力及其上下表面煤巖體位移滿足式(1)

(1)

式中，σ為變量；p0為質點峰值；Eε為上下表面煤巖體位移；t為單位時間；u(t)為位移；u0,uc,ur為不同時間內位移；hc,hr為不同層位垂直距離。

應力波的存在不僅會改變煤巖接觸面的應力狀態，同時接觸面空隙也會發生變化。當接觸面較粗糙時，較小的動載作用下就會發生較大的變形，同時阻礙震動波由煤體傳遞到夾矸層，振動速度及強度產生差異；相反，當接觸面較為光滑時，較大的動載可能誘發較小的變形。當頂板斷裂產生較大震級礦震有可能使煤巖接觸面處于非平衡穩定狀態誘發滑移失穩，可描述為當接觸面剪應力大于粘聚力時，不連續接觸面易于發生穩定的剪切變形，當剪應力等于粘聚力時，剪切變形處于臨界狀態，在較小應力擾動下就會發生失穩。基于能量準則-Dirichlet平衡穩定性準則，如果煤巖體系統總勢能存在極小值，則處于穩定狀態，即為二階導函數，反之，滿足式(2)將發生滑移失穩。

(2)

式中，ξ為滑移失穩距離。根據彈性力學，煤巖體系統內總勢能為外力勢能W與變形勢能U之和，分別可表示為

(3)

(4)

式中，{u},{f},{T},{ε}分別為位移、體積力、面積力及應變；|Dc|和|Dr|分別為強度極限前后的力學矩陣；Vc和Vr分別為煤巖體的體積，總體積為V；S為煤巖體受力面積。

(5)

根據式(2)系統的平衡條件可得，當式(5)達到該條件時，煤巖接觸面將可能活化失穩誘發沖擊地壓，即材料性質矩陣|Dr|為負值，且當Vr足夠大時，第2項絕對值將大于第1項，局部區域煤巖應力超過峰值強度達到礦震發生的必要條件。

3 動-靜載下夾矸賦存區圍巖失穩分析

3.1 建立模型及方案

以工作面地質條件為基礎建立三維模型，根據研究目的，對模型進行簡化，工作面上方0.4～1.1 m厚的泥巖和煤層傾角不作考慮，主要研究煤層頂板具有沖擊傾向性厚而堅硬的粉、細砂巖破斷對夾矸厚度變化區的影響，模型尺寸為300 m×220 m×54 m(X×Y×Z)，局部示意如圖4所示。在模型上部施加垂直應力為15.25 MPa，模型底部及四周均采用固支的方式，為了探討頂板破斷夾矸變化區應力及質點演化趨勢，模型局部示意如圖4所示。

圖4 模型局部示意

為了模擬堅硬的頂板(粉砂巖和細砂巖)破斷產生的震源對夾矸賦存變化區的影響，在FLAC3D中施加一個FISH函數的應力時程，將動力載荷直接施加在模型內部節點上，頻率為50 Hz，通過標量變量Dytime來存取動態時間并計算相應動態時間，施加5個周期的正弦波動載，加載時程為0.5 s，并在模型四周設置安靜邊界條件來減少模型邊界處的地震波的反射。

應力波在煤巖體中產生的動載可表示為

(6)

式中，σdp,σds分別為P、S波產生的動載；vp,vs分別為P、S波傳播速度；vpp,vss分別為P、S波引起的質點峰值振動速度；根據該工作面實際情況，質點的振動速度取8 m/s，巖體密度取2 500 kg/m3，P波波速取 3 000 m/s，故由式(6)計算得，在模型中震源處施加的動載為60 MPa，施加震源應力波形如圖5所示，煤巖力學參數見表1。制定模擬流程為：建模模型→施加邊界條件及應力→求解原巖應力平衡→工作面進行回采→求解應力平衡→頂板破斷施加動載→分析夾矸賦存區中應力傳遞規律以及動力響應特征。

圖5 夾矸賦存區應力場分布云圖

表1 數值模擬中煤巖力學參數

3.2 夾矸區圍巖速度、應力場演化特征

3.2.1 應力波對夾矸厚度變化區圍巖應力影響

根據前面理論分析可得，沖擊動載對煤巖體穩定性具有重要的影響，以下通過改變模型中自重應力大小，分析地震波作用不同時刻下夾矸厚度變化區剪應力變化趨勢以及作用前后采場剪應力變化情況，進而預測夾矸賦存區圍巖的穩定。

由圖5可知，隨時間步數的增加，工作面夾矸賦存區圍巖應力剪應力逐漸減少，主要表現為震源處及工作面前方高應力集中范圍縮小，但是其煤層底板的沖擊響應程度明顯增加，越往深處沖擊響應越小。可以看出，動載前圍巖處于高應力狀態，動載施加后，由于震源距工作面位置及夾矸厚度變化區較近，縱波和橫波以頂板斷裂部位為中心同時在巖體內部傳播，使開采空間的圍巖受力狀態變得更加復雜，時間越長破裂致塑性區范圍越大，應力波得到更好地吸收，應力明顯降低，當其圍巖穩定以后應力略有回升。

3.2.2 變化區應力變化

堅硬頂板破裂產生的震源對夾矸賦存區圍巖進行了復雜的動態動載過程，通過提取動載作用后工作面夾矸厚度變化區內不同的應力數據，對夾矸煤層圍巖失穩機理特性進行探討。垂直應力變化如圖6所示。

圖6 垂直應力變化

根據圖7震源施加后應力變化趨勢可得：在首次沖擊期間，剪應力先上升，隨后在0.05 s左右剪應力迅速下降，且b點應力集中程度明顯大于a點。由于夾矸厚度變化區距工作面距離為40 m，工作面超前應力與夾矸厚度變化區“雙峰值應力”尚未疊加，應力增加并不明顯，當堅硬頂板斷裂產生震動波在首次沖擊作用后，0～0.05 s內，夾矸完成了滑移前蓄能及啟動過程，煤巖接觸面“微裂紋”逐漸擴展并活化，且損傷程度一直呈遞增趨勢，由于地震波衰減程度與損傷程度呈負相關，故次沖擊過程中振幅波動逐漸趨緩，最終接觸面發生滑移產生應力降，同時沖擊能與儲存在巖體中的彈性勢能轉化為斷裂表面能和滑移動能。因此，動載多輪沖擊是夾矸滑移失穩破壞的主要原因，通過監測剪應力并結合水平垂直應力時程變化趨勢可以預測夾矸滑移失穩啟動前兆。

圖7 剪應力變化

4 現場監測和防治

40205綜放工作面監測方法主要為：區域監測采用ARAMIS M/E微震監測系統，覆蓋整個回采工作面；局部監測采用ARES-5/E地音監測系統，對回采工作面超前區域進行實時監測；采用KJ649應力在線監測系統對工作面超前300 m范圍進行監測。

4.1 工作面液壓支架工作阻力

圖8為回采期間工作面支架阻力演化趨勢。采動影響下工作面圍巖應力狀態的改變會誘發巖體內部微破裂的產生。可見，在夾矸區域部分容易產生應力集中，支架阻力較高，在無夾矸區域部分，支架阻力較低，因此在夾矸賦存區域要加強卸壓，以降低沖擊危險區域。

圖8 工作面支架阻力變化

4.2 煤體卸壓措施

4.2.1 卸壓方式

運順采取爆破卸壓方式，回順采用大直徑卸壓鉆孔方式，兩順槽均采取頂板深孔爆破預裂弱化措施。同時，采用地面水平井分段壓裂技術對工作面煤層上方上覆巖層進行弱化改性，有效降低上覆巖層的沖擊地壓危險程度。

4.2.2 大直徑鉆孔卸壓

在工作面兩順槽進行大直徑鉆孔卸壓。兩順槽大直徑鉆孔孔深25 m，弱、中等、強沖擊危險區域順槽兩幫孔間距分別為3 m、2 m、1 m，滯后工作面分別不超過20 m、10 m、5 m。

4.2.3 煤體卸壓爆破技術

煤層卸載爆破鉆孔孔徑為44 mm，單孔裝藥量為4 kg，封孔長度7 m。每10 m布置一個煤層卸載爆破鉆孔，鉆孔距底板為1.5 m；兩幫鉆孔與煤層平行，距底板為1.5 m，孔間距為5 m，滯后迎頭不超過30 m。底板爆破鉆孔(當底煤厚度大于0.5 m時需實施)深度為孔深6 m，間距為5 m，孔徑為44 mm，單孔裝藥量為2 kg，封孔長度3 m，滯后工作面不超過30 m。

5 結論

(1)隨著沖擊載荷作用時間的增加，夾矸厚度變化區圍巖剪應力逐漸降低，沖擊震源處及工作面前方高應力集中范圍逐漸縮小，但是煤層底板的沖擊響應程度明顯增加，越往深處沖擊響應越小；同時靜力大小不同，剪應力下降程度明顯不同，以靜力為1.5σ時下降最大。

(2)地震波作用時煤巖接觸面垂直、剪切應力變化尤為明顯，在首次沖擊期間水平、垂直應力及質點振動速度變化波動劇烈，產生較大應力降/速度降，隨后急劇下降，最終在次沖擊期間(0.15 s后)圍繞一固定值輕微波動，顯示明顯滑移現象。

(3)根據夾矸厚度變化區剪應力變化趨勢，在0～0.05 s內夾矸滑移前有“蓄能”啟動前兆，在次過程中剪應力逐漸增大，完成失穩滑移前蓄能過程，夾矸滑移過程中應力逐漸降低。