深部小煤柱沿空布置工作面高強(qiáng)度開采下的防沖管控

高全武

(中煤西北能源有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200)

0 引言

納林河二號(hào)煤礦位于鄂爾多斯市東勝煤田納林河礦區(qū)南端,井田構(gòu)造形態(tài)為單斜構(gòu)造,地層傾角小于3°,主采3-1煤層,平均埋深550～650 m,礦井沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為中等,首采盤區(qū)布置300 m超長(zhǎng)大采高綜采工作面[1]。目前納林河二號(hào)礦井已形成微震[2]、應(yīng)力、鉆屑監(jiān)測(cè)為主,并結(jié)合支架壓力監(jiān)測(cè)、巷道圍巖收斂變形、頂板離層儀等技術(shù)手段為一體的綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警體系[3]。但是深部開采引起的巖移規(guī)律一直是采礦領(lǐng)域難解的“黑箱”問(wèn)題,研究揭示其內(nèi)部作用機(jī)制與演變過(guò)程是一項(xiàng)很大的工程技術(shù)難題[4]。因此,納林河二號(hào)礦井31120工作面小煤柱沿空回采期間仍面臨深部開采[5]、超長(zhǎng)大采高工作面大尺度覆巖劇烈運(yùn)移[6]、垮落和相鄰采空區(qū)“雙面見方”貫通[7]等多種不確定因素的影響,在采場(chǎng)相鄰空間形成高靜載、強(qiáng)動(dòng)載的沖擊隱患,極易造成沿空回采期間發(fā)生沖擊地壓、礦震事故的風(fēng)險(xiǎn),且災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)存在一定程度的復(fù)雜性和不確定性,嚴(yán)重制約安全生產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能的釋放。針對(duì)此類問(wèn)題,通過(guò)對(duì)首采盤區(qū)31120工作面“雙面見方”區(qū)域回采期間小煤柱上方地表沉降觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以驗(yàn)證10刀/d高強(qiáng)度開采的安全性和可行性,分析地表分階段沉降及安全沉降速率范圍,并將最大下沉值的移動(dòng)速度VΔH-max和最大下沉速率的移動(dòng)速度VV-max作為2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),以期為今后類似礦井深部小煤柱沿空布置工作面高強(qiáng)度開采下的防沖管控技術(shù)探索一條新路徑。

1 工程概況

1.1 雙面見方區(qū)域礦震、沖擊風(fēng)險(xiǎn)

1.1.1 相鄰采空區(qū)地表沉降情況

31120工作面開采高度6.0 m,采用沿空6.6 m小煤柱布置,埋深580～600 m,具有中等沖擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),如圖1所示。

圖1 31120-31121工作面布置剖面

31121工作面回采結(jié)束后地表最大下沉量?jī)H為369 mm,因此31121工作面回采期間面臨的礦震風(fēng)險(xiǎn)極高[8]。

1.1.2 關(guān)鍵層基本分布狀況

根據(jù)關(guān)鍵層理論[9]和載荷三帶理論[10]對(duì)煤層上覆巖層關(guān)鍵層進(jìn)行劃分,3-1煤層上覆巖層結(jié)構(gòu)見表1,此煤層上方存在7組關(guān)鍵層分別編號(hào)1～7,其中1～6為亞關(guān)鍵層、7為主關(guān)鍵層。相關(guān)研究結(jié)果顯示,“即時(shí)加載帶”內(nèi)1～2亞關(guān)鍵層控制為控制臨空順槽沖擊的近距離誘沖關(guān)鍵層[11],“靜載帶”內(nèi)7亞關(guān)鍵層控制為控制地表沉降的主關(guān)鍵層。因此將地表沉降指標(biāo)作為主關(guān)鍵層是否破斷的重要信號(hào),據(jù)此來(lái)防范采空區(qū)礦震是一條可行的技術(shù)途徑。

表1 關(guān)鍵層基本分布狀況

1.1.3 近距離誘沖關(guān)鍵層分布

31120工作面上覆100 m范圍巖層厚度特征Lst分布情況如圖2所示。存在兩層近距離關(guān)鍵層,分別為亞關(guān)鍵層1和亞關(guān)鍵層2,分別為粗粒砂巖和中粒砂巖,在回采期間上覆巖層近距離的亞關(guān)鍵層極易發(fā)生復(fù)合剪切破斷[12],誘發(fā)臨空順槽的沖擊風(fēng)險(xiǎn),亞關(guān)鍵層1和亞關(guān)鍵層2兩個(gè)關(guān)鍵層對(duì)采場(chǎng)臨空側(cè)順槽的沖擊起著關(guān)鍵作用。

圖2 31120工作面100 m范圍Lst特征分布情況

1.2 雙面見方區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性問(wèn)題

根據(jù)31120工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果[13],將“雙面見方”影響區(qū)域評(píng)價(jià)為強(qiáng)沖擊等級(jí),對(duì)應(yīng)于超前切眼向外500～700 m。根據(jù)國(guó)內(nèi)主流沖擊地壓研究成果沖擊礦壓動(dòng)靜載疊加原理[14],靜載是沖擊礦壓發(fā)生的應(yīng)力基礎(chǔ),動(dòng)載是沖擊破壞的誘因。因此有必要對(duì)“雙面見方”期間采場(chǎng)的高靜載和強(qiáng)動(dòng)載問(wèn)題進(jìn)行分析。

1.2.1 見方區(qū)域的采場(chǎng)高靜載應(yīng)力場(chǎng)分析

31120工作面回采“見方”期間采場(chǎng)力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 “見方”期間力學(xué)模型

橫軸2a為工作面推進(jìn)距離,縱軸2b為工作面長(zhǎng)度,W0為煤層厚度。力學(xué)模型[15]為

(1)

式中,τxz,τyz分別為平面內(nèi)x方向、y方向的水平力,MPa;w0為頂板下沉最大撓度量,m。

將31120-31121工作面采場(chǎng)巖體視為橫觀各向同性巖體,建立彈性模型來(lái)深入研究2個(gè)工作面采場(chǎng)的三維位移狀態(tài),利用基本的調(diào)和函數(shù)φ(x,y,z)。最終求出z=0時(shí)的應(yīng)力分量σz見式(2)

(2)

式中,C44為拉梅常數(shù);q1,q2分別為采場(chǎng)來(lái)壓,MPa;前后的支撐壓力,α1和α2是采場(chǎng)來(lái)壓前后的沉降量修正系數(shù)。

對(duì)于矩形采場(chǎng),當(dāng)a=b時(shí),即當(dāng)工作面見方時(shí)σz有最大值。當(dāng)31120工作面推進(jìn)至“雙面見方”區(qū)域時(shí),采場(chǎng)的垂直支承壓力達(dá)到最大,采場(chǎng)來(lái)壓強(qiáng)烈。圖4為31120-31121工作面“雙面見方”時(shí)支承壓力分布特征。從圖中可以看出,工作面見方時(shí),采場(chǎng)來(lái)壓造成的高靜載應(yīng)力分布出現(xiàn)集中,且臨空側(cè)回風(fēng)順槽超前30～100 m段附近出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中,從而證明“雙面見方”期間存在靜載高應(yīng)力沖擊隱患,應(yīng)該引起高度重視。

圖4 “雙面見方”期間采場(chǎng)高靜載應(yīng)力場(chǎng)分布特征模擬

1.2.2 見方區(qū)域的采場(chǎng)強(qiáng)動(dòng)載問(wèn)題分析

圖5為“雙面見方”期間強(qiáng)動(dòng)載沖擊示意。31120工作面回采過(guò)“雙面見方”強(qiáng)沖擊影響區(qū)域期間,上覆巖層容易出現(xiàn)劇烈破斷、運(yùn)移現(xiàn)象,同時(shí)地表快速下沉,極易產(chǎn)生1×105J及以上的大能量事件。在已形成的采場(chǎng)高靜載應(yīng)力場(chǎng)基礎(chǔ)之上,產(chǎn)生動(dòng)靜載疊加效應(yīng)[16],出現(xiàn)沖擊顯現(xiàn)事件。甚至因?yàn)殚_采空間上覆巖層沉積的不均勻性,造成沉降不均衡,采空區(qū)上覆巖層不能及時(shí)垮落,出現(xiàn)大面積懸頂,誘發(fā)礦震事件的發(fā)生。因此,有必要從地表沉降的角度,選取地表沉降、運(yùn)移方面的關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)對(duì)31120-31121工作面上覆采空區(qū)覆巖破斷問(wèn)題進(jìn)行深入分析。

圖5 雙面見方期間強(qiáng)動(dòng)載沖擊示意

2 地表沉降觀測(cè)站布置情況

根據(jù)已有的地表沉降觀測(cè)結(jié)果顯示[17],地表下沉最大值點(diǎn)位于采空區(qū)幾何中部,因此在區(qū)段小煤柱上方、沿走向方向設(shè)置地表沉降觀測(cè)站,總計(jì)22個(gè),間距約50 m左右,如圖6所示。

圖6 31120-31121工作面小煤柱上方觀測(cè)站布置示意

3 地表沉降觀測(cè)結(jié)果

為了防范2個(gè)工作面采空區(qū)貫通期間出現(xiàn)礦震事件。需采用地表沉降觀測(cè)手段針對(duì)控制地表沉降的7#主關(guān)鍵層破斷信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè),根據(jù)觀測(cè)結(jié)果對(duì)開采強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控[18],保障安全生產(chǎn)。5次觀測(cè)結(jié)果見表2。

表2 5次地表沉降觀測(cè)結(jié)果

3.1 雙面見方區(qū)域回采期間沉降觀測(cè)結(jié)果

2020年11月9日,31120工作面累計(jì)推進(jìn)678 m。由圖7(a)可知,下沉速率最大值觀測(cè)點(diǎn)超前下沉速率最大值觀測(cè)點(diǎn)179.2 m;由圖7(b)可知,最大下沉速率達(dá)到50 mm/d時(shí),地表開始快速下沉。

圖7 第3次地表沉降觀測(cè)結(jié)果

3.2 雙面見方期間地表下沉關(guān)系

在5次觀測(cè)期間(2020年10月17日—12月2日),小煤柱上方觀測(cè)站點(diǎn)ΔHmax滯后工作面的距離介于250～300 m,Vmax滯后工作面的距離介于170～200 m,同時(shí)Vmax測(cè)點(diǎn)超前ΔHmax測(cè)點(diǎn)保持在80～100 m,兩者最大距離出現(xiàn)在2020年11月9日為197.2 m,此時(shí)工作面累計(jì)回采678 m,該位置為采空區(qū)“雙面見方”覆巖破斷、運(yùn)移劇烈區(qū)域,采空區(qū)上覆巖層下沉給工作面造成持續(xù)加載、并極易形成動(dòng)載荷擾動(dòng)問(wèn)題。

地表沉降觀測(cè)指標(biāo)ΔHmax、Vmax與滯后工作面距離的關(guān)系如圖8所示,31120采空區(qū)上覆巖層地表快速下沉區(qū)域滯后工作面230～330 m為地表快速下沉區(qū)域,最大沉降經(jīng)加速下沉、快速下沉和穩(wěn)定下沉階段,直至逐步壓實(shí)達(dá)到最大值。

圖8 ΔHmax、Vmax與滯后工作面距離的關(guān)系

3.3 地表下沉階段劃分

將31120工作面“雙面見方”影響區(qū)域?qū)?yīng)回采期間的地表下沉過(guò)程劃分為初始加速下沉階段、快速下沉階段和穩(wěn)定下沉階段3個(gè)階段,見表3。在此期間31120工作面按10刀/d組織勻速回采,微震呈“高頻-低能”[19]的現(xiàn)象,說(shuō)明頂板巖層能量[20]處于均衡平穩(wěn)釋放的狀態(tài)。

表3 小煤柱上方地表下沉階段劃分結(jié)果

4 最優(yōu)回采速度分析

4.1 沉降關(guān)鍵指標(biāo)與回采速度的關(guān)聯(lián)性

5次觀測(cè)期間(2020年10月17日—12月2日,歷時(shí)46 d),地表下沉最大量觀測(cè)站和地表最大下沉速率值觀測(cè)站隨工作面相同速度移動(dòng),三者移動(dòng)速度均為7.7 m/d。證實(shí)控制地表沉降的主關(guān)鍵層正常破斷狀態(tài),未在“雙面見方”影響區(qū)域出現(xiàn)礦震災(zāi)害。

2020年10月17日至2020年12月2日期間,31120作面生產(chǎn)任務(wù)按10刀/d進(jìn)行組織生產(chǎn),在一個(gè)10～15 d的觀測(cè)分析周期內(nèi),考慮到設(shè)備、系統(tǒng)等制約因素,工作面回采9.2刀/d,按循環(huán)截割進(jìn)度0.85 m/刀計(jì)算,平均日推進(jìn)速度V回采為7.82 m/d,31120工作面推進(jìn)與地表沉降關(guān)系如圖9所示,直至回采結(jié)束未發(fā)生礦震等沖擊事件。

4.2 微震總能量與刀數(shù)的關(guān)聯(lián)性

2020年10月17日至12月2日期間,31120工作面每日回采刀數(shù)基本保持在8.5～10刀/d,最大達(dá)到11刀/d,在此期間微震總能量基本平穩(wěn),近距離的亞關(guān)鍵層巖組處于平穩(wěn)破斷狀態(tài),微震釋放總能量和事件頻次呈現(xiàn)“能頻同步”現(xiàn)象,且未出現(xiàn)大能量事件顯現(xiàn),如圖10所示。

圖10 見方期間微震總能量、頻次與刀數(shù)的關(guān)聯(lián)性

5 結(jié)論

(1)深部小煤柱沿空布置工作面高強(qiáng)度開采中,地表下沉劇烈,需要重點(diǎn)對(duì)主關(guān)鍵層破斷的問(wèn)題進(jìn)行有效監(jiān)測(cè),嚴(yán)防礦震事件的發(fā)生。

(2)在納林河二號(hào)礦井特有的地質(zhì)條件下,小煤柱沿空回采工作面最大下沉值的移動(dòng)速度VΔH-max和最大下沉速率的移動(dòng)速度VV-max綜合反映了采空區(qū)上覆主關(guān)鍵層的破斷、運(yùn)移和沉降的情況,沖擊地壓工作面合理回采速度應(yīng)該與此兩項(xiàng)重要指標(biāo)相一致,對(duì)避免出現(xiàn)大面積懸頂進(jìn)而誘發(fā)礦震有重要的指導(dǎo)作用。

(3)各類煤礦采動(dòng)覆巖的內(nèi)部移動(dòng)十分復(fù)雜,受地質(zhì)賦存條件與開采參數(shù)影響,不同礦區(qū)采動(dòng)巖移規(guī)律必然不同。生產(chǎn)過(guò)程中需與微震、應(yīng)力、鉆屑等日常防沖監(jiān)測(cè)手段配合使用,采取針對(duì)性治理措施消除工作面沖擊隱患,并及時(shí)調(diào)整工作面回采速度,確保工作面頂板巖層能量釋放始終處于“高頻-低能”的狀態(tài)。