王博,陈崇枫,贾立龙 ,龙天文

(1.西安科技大学地质与环境学院,西安710054;2.中煤科工集团西安研究院有限公司,西安 710054)

根据煤矿安全管理部门统计数据,具有单层厚度大于10 m坚硬砂岩顶板的巷道是煤矿冲击地压事件的高发地区,坚硬顶板型冲击地压事故是目前深部煤矿开发面临的主要安全问题[1]。在目前高强度机械化开采模式下,厚层坚硬顶板在回采过程中极易形成大范围悬顶,工作面上方悬顶突然断裂会以瞬时强烈动载的释放为表现形式,引起采场矿压发生剧烈改变,巷道发生变形,部分采煤液压支架出现压架事件,是煤矿安全生产的重大隐患[2-4]。因此,解决强矿压的根本措施就是弱化煤层上方的坚硬岩层。目前煤矿采用水力压裂、钻孔爆破等技术处理坚硬顶板问题[5-9]。杨继元等[10]对布尔台4-2#煤综放工作面矿压显现规律进行了研究,提出了“超前支架+顶板补强+煤帮补强+水力压裂”的具体防护措施。周航等[11]对水力压裂切割煤层顶板力学机理进行了研究并对压裂参数进行了优化。焦战等[12]对坚硬顶板砂岩水力压裂裂缝扩展规律进行了研究。然而,煤矿的坚硬顶板普遍有多层而不是一层,如何确定诱发强矿压的关键坚硬层是解决煤矿强矿压事故的关键。煤矿冲击地压发生的主关键层目前还没有统一的判别方法。近年来,研究人员开始通过理论计算及微震监测等技术对关键层位置进行分析。王虎等[13]应用微震监测的方法分析了矿山地压演化规律。岳东等[14]、李杨[15]以关键层判别法则为基础,结合井上下联合微地震监测技术对煤层覆岩关键层进行了判别。

基于此,采用关键层理论值计算、数值模拟分析以及微震事件验证的综合判定方法确定了诱发彬长矿区南部煤矿冲击地压的主控层位,为彬长矿区工作面回采期间强矿压显现治理提供技术支撑。

1 研究区基本概况

1.1 401101工作面概况

孟村煤矿位于陕西省黄陇侏罗纪煤田彬长矿区南部,设计的产量达到600万t/年。4#煤层为矿井主要可采煤层,属于厚～特厚煤层,平均可采厚度为14.25 m。401101工作面属于该矿井地首采面,工作面面积约0.376 km2,其走向及倾向长度分别为2.09 km和0.18 km。北部毗邻401102工作面,东侧为未开采的401103盘区。

1.2 地层及煤层情况

根据研究区周围钻探资料显示,矿井的岩层建造自下至上分别为:三叠纪上统胡家村组(T3h);下侏罗统富县组(J1f);中侏罗统延安组(J2y),如图1(d)所示;直罗组(J2z),如图1(c)所示;安定组(J2a),如图1(b)所示;下白垩统宜君组(K1y);洛河组(K1l),如图1(a)所述;环河-华池组(K1h);地表黄土层(Q)等。

图1 孟村煤矿ZK1401地层岩心照片Fig.1 Core photo of ZK1401 in Binchang mining area

工作面煤层埋深686～730 m,设计的回采高度为11.60 m,分别为综采机械采高3.50 m,放顶煤厚8.10 m,采放比1∶2.31。4#煤层倾角平缓,一般在-5°～3°,平均-1°。顶板使用垮落法,煤层的直接顶板为薄层状灰黑色泥岩,发育水平层理,岩芯断面可见大量植物茎叶化石。老顶为灰色薄层状细砂岩,发育平行层理。煤层的底板为黑色厚层状炭质泥岩,富含炭质,可见植物根茎化石碎片。

1.3 地应力分析

根据401101工作面附近巷道地应力实测结果,如表1所示,工作面应力场特征以水平主应力为主,垂直应力σV最小,表现为σH>σh>σV。矿井最大水平主应力σH呈北北西向,为37.62 MPa,最小水平主应力σh呈北北东向,为23.34 MPa,比值为1.61,水平主应力差值较大,这使得水平应力对巷道顶、底板的影响表现出较明显的方向性,参看文献[16]。

表1 401101工作面主应力测量结果Table 1 Results of main stress measurement of working face 401101

2 理论计算判别关键层

首先依据关键层相关理论,应用理论计算的方法进行关键层定位,具体可以通过下述3个程序对关键层进行精确定位,参看文献[17]。

2.1 计算煤层上方的坚硬岩层

煤层上覆坚硬岩层,既在煤矿开采期间,由于其抗折强度高、韧性大,在矿山压力下变形小于下伏岩层,不与下伏岩层同步变形的岩层体。若第1和第m+1层岩层均是坚硬岩层,中部m层与只和第1层坚硬岩层在采矿过程中协同变形,第m+1层坚硬岩层不与下伏岩层协同形变。依据组合梁理论,第1层硬岩层地载荷可表示为

(1)

式(1)中:q1(x)|m为上覆第m层岩体构成地荷载;hi为第i岩层厚度;γi为第i岩层的容重;Ei为第i岩层的弹性模量;i=1,2,…,m。

同理,第2个坚硬岩层(m+1层)对下伏第1个坚硬岩层构成地载荷可用式(2)表示[10]。

(2)

因为第2个坚硬岩层(m+1层)受到的开采强度影响远小于第1个坚硬岩层,所以第2个坚硬岩层(m+1层)地上覆岩层可以忽略其承担的下部所承担的载荷,则有[10]

(3)

通过式(1)～式(3)即可对坚硬岩层位置进行确定。

2.2 坚硬岩层破断距的计算

破断距的模型采用两端固定支座的简易梁模型,能够得到坚硬岩层破断距Lk的表达式为

(4)

式(4)中:Lk为第k层坚硬岩层地破断距;hk为第k层硬岩层的厚度;σk为第k层硬岩层的抗拉强度;qk为第k层坚硬岩层承担的全部荷载,其计算公式为

(5)

式(5)中:Ek,j为第k层坚硬岩体控制地上覆软弱岩体中第j层岩体杨氏模量;Ek,0表示第k层坚硬岩体控制的上覆软弱岩体中第1层的软弱岩层的杨氏模量;hk,j为第k层坚硬岩体控制地上覆软弱岩体中第j层岩体高度;γk,j为第k层坚硬岩体控制地上覆软弱岩体中第j层岩层密度。

假定地表松散层厚度为H,密度为γ,那么最上一层坚硬岩层即地载荷可用式(6)表示。

(6)

式(6)中:En,0为第n层坚硬岩体的杨氏模量;hn,0为第n层坚硬岩体厚度;H为地表松散层厚度;γ为地表松散层的密度;En,j为第n层硬岩体控制的第j层软岩体的杨氏模量;hn,j为第n层硬岩体控制的第j层软岩体的厚度;γn,j为第n层硬岩体控制的第j层软岩体的密度。

2.3 进行关键层的判断识别

(1)假设第k层坚硬岩层为矿井开采过程中的关键层,其破断距比其他岩层破断距都小,可表示为

Lk

(7)

(2)若第k层硬岩层的破断距Lk>Lk+1时,要对破断距再次确认,既将k层和其上覆岩层的破断距进行叠加。

(3)依次由下至上由第1层坚硬岩层分别判断式(7)是否成立,若不成立则需要对破断距进行修正。

三带探测钻孔ZK1401位于401101工作面中间部位,该钻孔全孔取芯并进行了岩石力学参数试验,根据该钻孔的地质信息,使用关键层理论分析方法,对关键层位置进行了判别。根据计算结果显示,401101工作面煤层上部岩层中赋存关键层共计4层,其中煤层顶板200 m范围内的关键层有3层,分别为宜君组砾岩层段,安定组底界砂岩层段及直罗组底界砂岩层段,计算结果如表2所示。

表2 401101工作面覆岩关键层分析统计表Table 2 Analysis of key stratum of overlying in Working Face 401101

3 覆岩关键层数值模拟

3.1 数值模拟试验设置

应用FLAC3D6.0有限元模拟软件对研究区覆岩应力变化特征进行了分析。地质分层及岩石力学性质参照401101工作面三带探测钻孔ZK1401进行取值,并采用基于莫尔-库仑准则的塑性模型进行了相关计算。模型长1 500 m,宽480 m,高度756 m,划分为22层,在长度方向上施加水平应力,大小为16 MPa,煤层分步开挖,每步20 m,共开采400 m,在煤层开挖面后方30 m设置观测点监测应力大小。

3.2 模型的计算及分析

开采厚度为15 m时,工作面XX向应力云图显示,如图2所示,随着工作面的推进,煤层上覆岩层的水平应力出现了明显的分层特性,在煤层顶板出现应力集中带,如图3所示。分别在煤层顶板35、76、160 m附近监测应力大小。随开挖长度的变化,可以发现在煤层初步开挖过程中(约前100 m),煤层上方35 m附近直罗组底界砂岩应力值最大,如图2(a)所示;随着煤层继续开挖,煤层上部应力集中带向上转移,煤层上部76～90 m附近安定组底界砂岩成为煤层顶部应力集中带,如图2(b)～图2(d)所示;煤层上部160 m处附近的宜君组砾岩层应力在开挖过程中较小。

根据应力监测点的统计分析,煤层顶板上部35 m的直罗组底界砂岩与76 m的安定组底界砂岩在区域水平构造应力作用下,均是煤层顶板覆岩的应力集中层位,是顶板冲击地压可能发生的重要层位。在开挖初期,煤层顶板上方约35 m处应力较大,如图3(a)所示;随着煤层向前开挖,应力集中带有向上转移趋势,煤层顶板上方约76 m成为应力集中区,如图3(b)～图3(d)所示。

4 关键层微地震监测及冲击地压治理工程

4.1 关键层微地震监测

该煤矿现已安装SOS微震监测系统并积累了大量有效微震原始数据。SOS微震监测系统为16通道,在目前的采掘设计方案下基本可满足采掘区域的监测需求。401101工作面目前共布置12台监测探头:403采区带式输送巷1台;中央带式输送大巷2台;中央二号辅运大巷2台;中央二号回风大巷1台;401盘区变电所1台;5台布置在401101工作面3 d顺槽中,为活动监测探头,随着401101工作面推进会按照设计要求逐步增添、挪动探头,以尽量充分包围在采工作面。如图4所示,由微震事件沿倾向分布剖面图可以看出,401101工作面开采期间均是煤层及其底板的能量和频次最高,说明由于未采取顶板弱化,顶板并未及时垮落,坚硬顶板产生的悬顶应力主要集中于4#煤层,增大了煤层内的冲击危险性。

E为微震能量图4 微震事件沿倾向分布剖面图Fig.4 Profile of microseismic events along the trend

如图5所示,从各层位微震能量图和频次分布可以看出,煤层覆岩顶板内微震事件的能量集中于标高(Y)350～380 m附近,位于煤层顶板以上40～70 m,说明采空区悬顶产生的应力集中主要通过这个层段的顶板进行传递。

图5 各层位微震能量和频次分布Fig.5 Energy and frequency of microseismic at each stratum

4.2 冲击地压治理工程

为了治理潜在的冲击地压危害,该煤矿采用了井下定向钻孔水力压裂技术,既通过向煤层顶板施工定向钻孔后,在孔内下入封隔器,通过高压泵将清水泵入煤层顶板上方的坚硬岩层,将坚硬顶板压裂,弱化岩层的整体强度,形成人造“解放层”。随着工作面的推采,岩层裂缝沿弱面进一步发育扩展,在采动应力作用下上覆岩层及时、有序垮落,大幅降低破断失稳时的能量释放级别。这种技术不仅可以缩短采空区上覆岩层的垮落步距,而且使载荷由“硬传递”转化为“软传递”,破碎岩层缓冲、吸收震源的冲击能量,从而降低回采工作面的整体应力水平,大幅降低冲击地压致灾风险。压裂段分别布置在安定组底部和直罗组底部厚硬砂岩中,如图6所示。

图6 401101工作面高压水预裂钻孔布置剖面图Fig.6 Layout section of high pressure water presplitting boreholes in working face 401101

根据工作面微震事件监测统计,如表3所示,压裂区域日均总能量2.8×105J,相比于未压裂降低了17%;微震频次日均84次/d,相未压裂区域比降低了19%,工作面煤壁平整,表明井下水力压裂方法对防治冲击地压效果显著。

表3 基于微震监测的高压水预裂效果对比Table 3 Comparison of presplitting effect of high pressure water based on microseismic monitoring

5 结论

(1)彬长矿区南部煤矿煤层上覆岩层中存在多层关键层,煤层上部200 m内影响煤矿强矿压产生的关键层有三层,分别为煤层顶板上35 m的直罗组底部砂岩层,煤层顶板上76 m的安定组底界砂岩层和160 m处宜君组砾岩层。

(2)数值模拟结果表明,在煤层开挖过程中,首先煤层顶板约35 m处直罗组底界砂岩出现应力集中;随着开挖深度的增加,当开挖深度大于100 m时,煤层顶板约76 m附近的安定组底界砂岩层成为水平应力最大部位。

(3)根据401101工作面微地震监测数据分析,工作面初采期间均是煤层及其底板的能量和频次最高,且煤层覆岩顶板内微震事件的能量集中于层位340～380 m附近,位于煤层顶板以上40～70 m,说明采空区悬顶产生的应力集中主要通过直罗组底界砂岩和安定组底界砂岩层位的顶板进行传递。

(4)综合理论值计算、数值模拟结果及微震数据分析,认为煤层顶板35 m处的直罗组底界砂岩与煤层顶板76 m处的安定组底界砂岩层为引起煤矿冲击地压的发生层位,容易产生能量集中,是矿井冲击地压治理的主要目标层位。通过定向钻孔水力裂技术切割坚硬顶板,能够解决煤矿冲击地压问题。