來(lái)興平,劉彪,陳建強(qiáng),張新戰(zhàn),孫秉成,王建
(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西西安710054;2.教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710054; 3.神華新疆能源有限責(zé)任公司,新疆烏魯木齊830027)
急傾斜特厚煤層層間巖柱動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)誘災(zāi)傾向預(yù)測(cè)*
來(lái)興平1,2,劉彪1,2,陳建強(qiáng)3,張新戰(zhàn)3,孫秉成3,王建3
(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西西安710054;2.教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710054; 3.神華新疆能源有限責(zé)任公司,新疆烏魯木齊830027)
∶烏魯木齊礦區(qū)烏東煤礦開(kāi)采條件復(fù)雜,急傾斜煤層群間賦存均厚60m傾斜巖柱,近年來(lái)已發(fā)生十余次動(dòng)力災(zāi)害。針對(duì)急傾斜巖柱動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)誘災(zāi)傾向預(yù)報(bào),采用開(kāi)采條件調(diào)查、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法,綜合預(yù)測(cè)了深層巖柱動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)誘災(zāi)傾向區(qū)域。首先,基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查成果,構(gòu)建了急傾斜巖柱失穩(wěn)應(yīng)力撬轉(zhuǎn)效應(yīng)(stress leverage rotation effect,SLRE)力學(xué)模型,揭示了巖柱動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)誘發(fā)動(dòng)力學(xué)災(zāi)害的力學(xué)機(jī)制。再次,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè),分析了巖柱破斷失穩(wěn)微震—能量—空間演化規(guī)律∶急傾斜巖柱動(dòng)態(tài)失穩(wěn)經(jīng)歷擾動(dòng)破裂、應(yīng)力擠壓、斷裂失穩(wěn)和應(yīng)力重構(gòu)階段。最后,綜合分析并圈定了深層巖柱動(dòng)力失穩(wěn)誘災(zāi)傾向區(qū)域,其分別位于B1-2煤層+500~+510 m區(qū)域開(kāi)采煤體、B3-6煤層+475~+485 m區(qū)域巖柱側(cè)煤體,這為現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害防控設(shè)計(jì)和安全開(kāi)采提供了科學(xué)依據(jù)。
∶急傾斜特厚煤層;層間巖柱;動(dòng)力學(xué)失穩(wěn);應(yīng)力撬轉(zhuǎn)效應(yīng);誘災(zāi)傾向預(yù)測(cè)
地下礦山動(dòng)力學(xué)災(zāi)害(沖擊地壓、礦震和巖爆等)嚴(yán)重制約安全生產(chǎn)[1-2]。50多年來(lái),我國(guó)東部礦區(qū)有關(guān)沖擊地壓、礦震和巖爆發(fā)生機(jī)理與調(diào)控機(jī)制的探索研究積極有效[3-5]。蔡美峰等提出建立了沖擊地壓預(yù)測(cè)的“開(kāi)采擾動(dòng)勢(shì)”模型,揭示了沖擊地壓事件在時(shí)間、能量、空間方面不同物理與幾何特征的相關(guān)性和統(tǒng)一性[6-8]。姜耀東等將動(dòng)力學(xué)災(zāi)害分為滑移錯(cuò)動(dòng)型、材料和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型[9-11]。但是我國(guó)西部礦區(qū)煤層賦存環(huán)境、構(gòu)造分布以及地應(yīng)力水平與東部礦區(qū)迥異,烏魯木齊礦區(qū)急傾斜特厚煤層水平分段綜放開(kāi)采誘發(fā)動(dòng)力學(xué)災(zāi)害機(jī)制相對(duì)復(fù)雜。石平五等[12-13]認(rèn)為,急傾斜特厚煤層水平分段綜放(Sublevel top coal caving,STCC)與緩斜煤層走向長(zhǎng)壁開(kāi)采(longwall top coal caving,LTCC)工作面力學(xué)結(jié)構(gòu)迥異。STCC工作面沿煤層厚度的水平線布置,其上方形成“跨層拱”(Arch of Spanning Strata,ASS)結(jié)構(gòu),其滑落和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)具有隨機(jī)性。急傾斜特厚煤層群層間巖柱體內(nèi)蘊(yùn)藉的彈性勢(shì)能與重力勢(shì)能動(dòng)態(tài)釋放是煤層失穩(wěn)的主要力源,具備動(dòng)力失穩(wěn)致災(zāi)條件[14-15]。開(kāi)采擾動(dòng)作用下堅(jiān)硬煤巖體靜態(tài)破裂和動(dòng)態(tài)宏觀力學(xué)耦合失穩(wěn)過(guò)程中釋放巨大能量產(chǎn)生微震與破壞,是典型人工開(kāi)采誘發(fā)礦震(mining-induced seismicity,MS)現(xiàn)象且具有動(dòng)力學(xué)本質(zhì)特征[16]。微震與應(yīng)力場(chǎng)變量存在密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系,根據(jù)微震時(shí)空分布規(guī)律可對(duì)高應(yīng)力區(qū)域與遷移重構(gòu)進(jìn)行刻畫(huà)[17-18]。針對(duì)烏東煤礦急傾斜特厚煤層群層間巖柱動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)致災(zāi)預(yù)報(bào),通過(guò)開(kāi)采條件現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、層間巖柱失穩(wěn)致災(zāi)機(jī)制分析,現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)與煤巖體空間結(jié)構(gòu)的演化特征及彈性能量釋放規(guī)律辨識(shí),預(yù)測(cè)了誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害傾向區(qū)域,為現(xiàn)場(chǎng)安全開(kāi)采提供了科學(xué)依據(jù)。
烏魯木齊礦區(qū)烏東礦有兩組主采煤層(群),傾角87°~89°,B1-2煤層總厚平均37.0 m,B3-6煤層總厚平均48.0 m,均為急傾斜特厚煤層。兩組煤層間賦存均厚60 m巖柱,隨開(kāi)采深度的增加(地面標(biāo)高+825 m,目前已采至+475 m水平,開(kāi)采深度達(dá)350 m),開(kāi)采時(shí)間與開(kāi)采次序不均衡,層間巖柱先后失去兩側(cè)煤體非同步約束,在開(kāi)采擾動(dòng)與重力作用下產(chǎn)生下滑及傾斜,失穩(wěn)巖柱對(duì)開(kāi)采煤層產(chǎn)生耦合動(dòng)力學(xué)效應(yīng),極易誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害事故。2010—2014年,烏東煤礦累計(jì)發(fā)生十余起危害程度不同的動(dòng)力災(zāi)害事故。其中,危害程度較大的有∶2013年2月27日,B3-6煤層綜放工作面發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害,影響范圍達(dá)200 m,B3巷串車(chē)掉道側(cè)翻,其上部防護(hù)棚撕裂,工作面端頭頂板最大下沉30 cm,底臌10 cm,巷道收縮率60%;B6巷道20 m段皮帶掀翻。2013年7月2日,南采區(qū)B3-6綜放面發(fā)生強(qiáng)烈動(dòng)壓事故(圖1)。B3巷沖擊破壞范圍約400 m(1 070~1 450 m),其中1 265~1 365 m范圍破壞嚴(yán)重,巷道南幫底角側(cè)向臌脹20~45 cm,北幫電纜震落,錨桿托盤(pán)崩脫,“U”型鋼棚收縮量40 cm,巷道幫臌量達(dá)50 cm;B6巷震顫范圍1 066~1 272 m,其中1 066~1 100 m震顫嚴(yán)重,幫臌50~90 cm,底角側(cè)向臌脹20~50 cm,+475 m水平B6巷沖擊影響范圍1 080~1 203 m,巷道南幫最大橫向臌脹變形達(dá)30 cm,南幫最大變形量30 cm.2013年9月18日,+500 m水平綜放工作面與巷道發(fā)生礦震(ML=3.2),造成人員傷亡與設(shè)備損毀,隨開(kāi)采深度的延展,動(dòng)力破壞致災(zāi)問(wèn)題更加嚴(yán)重。
地下開(kāi)采擾動(dòng)導(dǎo)致煤巖體結(jié)構(gòu)與應(yīng)力重構(gòu),淺部轉(zhuǎn)深部開(kāi)采易引發(fā)動(dòng)力災(zāi)害。深層位煤巖體動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)是時(shí)間-空間-強(qiáng)度綜合作用下的動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程。根據(jù)烏東煤礦煤巖賦存特點(diǎn)、開(kāi)采時(shí)間和開(kāi)采工藝次序情況,巖柱動(dòng)力失穩(wěn)引發(fā)應(yīng)力撬轉(zhuǎn)作用(圖2),圖2(a)簡(jiǎn)單描述了急傾斜煤層群層間巖柱受力情況。傾斜巖柱在巖層自重和開(kāi)采擾動(dòng)作用下有回轉(zhuǎn)傾向,概化的力學(xué)模型如圖2(b)所示。巖柱下部受到實(shí)體煤層接觸面的約束載荷(q0),形成了巖柱撬轉(zhuǎn)(力矩M0)傾向。
圖1 7.2事故破壞現(xiàn)象描述Fig.1 Description of destroy phenomena of the 7.2 accident
式中M0為回轉(zhuǎn)力矩,N·m;h為受約束段高度,m;q0為接觸面約束載荷,N.
重力G作用于受擾動(dòng)巖柱的重心C處,受力還包括作用于B點(diǎn)的支撐力FB,A點(diǎn)的壓力FA(B點(diǎn)和A點(diǎn)分別為撬動(dòng)點(diǎn)和支撐點(diǎn))。
式中FAy為FA垂向分力,N;α為巖柱傾角。
采空區(qū)內(nèi)部側(cè)向約束解除或消弱,為巖柱發(fā)生側(cè)向變形提供了變形空間。巖柱結(jié)構(gòu)動(dòng)力失穩(wěn)-撬動(dòng)-回轉(zhuǎn)力學(xué)機(jī)制可概化為
式中L1為撬動(dòng)點(diǎn)A到支點(diǎn)B之間距離,m; L2為支點(diǎn)B到巖柱重心C之間距離,m.
巖柱動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)不僅是煤巖體空間結(jié)構(gòu)演化的結(jié)果,也是煤巖體釋放積聚能量的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。
圖2 巖柱受力及力學(xué)模型Fig.2 Mechanicalmodel and stress of rock pillar
3.1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介
烏東礦微震監(jiān)測(cè)采用ESG產(chǎn)Paladin-TM型24位微震系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生觸發(fā)信息,自動(dòng)記錄微震波形,實(shí)現(xiàn)事件類(lèi)型自動(dòng)識(shí)別、濾波處理、閾值設(shè)定和帶寬檢波等,并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示微震時(shí)空位置、震級(jí)與震源等。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1.
表1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Param eters of MSmonitoring system
3.2 現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)布局
現(xiàn)場(chǎng)布置了從地表+825 m到井下+400 m,覆蓋多個(gè)水平的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。微震傳感器布置如圖3所示,其中1#與2#傳感器分別布置于地表,3#傳感器置于+660 m水平,4#~10#傳感器布置于+500 m水平,11#~15#傳感器布置于+475 m水平,16#傳感器布置于+400 m水平。傳感器空間位置見(jiàn)表2.
圖3 現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)布置Fig.3 Monitoring arrangement of MS in field
表2 現(xiàn)場(chǎng)微震傳感器位置的三維坐標(biāo)Tab.2 3D-coordinates ofmonitoring m
4.1 微震能量與頻率特征規(guī)律
文中重點(diǎn)考察38 d(2013.08.16—2013.09. 24)日累積能量和微震事件數(shù)特征。以天為統(tǒng)計(jì)時(shí)間序列,按照日累積能量的波動(dòng)規(guī)律,將巖柱失穩(wěn)致災(zāi)過(guò)程分為4個(gè)階段。日累積能量與微震事件數(shù)波動(dòng)特征如圖4所示。
圖4 巖柱失穩(wěn)破壞微震數(shù)與能量演化規(guī)律Fig.4 Mechanism on MS-energy and count in pillar’s instability failure
1)擾動(dòng)破裂階段(1~14 d)∶隨工作面推進(jìn),巖柱原有平衡被破壞,有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)及產(chǎn)生局部破裂,此階段能量較活躍,偶有大能量事件發(fā)生,如第5天B1巷底板發(fā)生沖擊地壓。
2)應(yīng)力擠壓階段(14~33 d)∶巖柱局部運(yùn)動(dòng),支撐能力下降,整體處于塑性變形階段,局部破裂被擠壓閉合,能量活動(dòng)等級(jí)較小。
3)失穩(wěn)階段(33~34 d)∶傾斜巖柱應(yīng)力持續(xù)增高,破裂加速擴(kuò)展,最終達(dá)到巖柱支撐的強(qiáng)度極限時(shí)巖柱失穩(wěn),積聚彈性能釋放,發(fā)生強(qiáng)破壞性動(dòng)力災(zāi)害。
4)應(yīng)力重構(gòu)階段(34~38 d)∶巖柱應(yīng)力與結(jié)構(gòu)重構(gòu),達(dá)到新的應(yīng)力平衡,一段時(shí)間內(nèi)煤巖體沒(méi)有較大能量波動(dòng)。
除失穩(wěn)階段B6巷頂板發(fā)生的最為明顯的動(dòng)力災(zāi)害事故外,其他階段也有大能量事件發(fā)生,并伴隨不同等級(jí)的動(dòng)力災(zāi)害,分析發(fā)生時(shí)間和位置有助于辨識(shí)巖柱動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)誘發(fā)的動(dòng)力災(zāi)害區(qū)域。
4.2 微震事件的層位分布規(guī)律
開(kāi)采過(guò)程中,采場(chǎng)結(jié)構(gòu)處于不斷加載和卸載的循環(huán)過(guò)程,應(yīng)力活躍區(qū)也隨回采推進(jìn)而變化,重點(diǎn)考察能量活躍區(qū)域的空間分布很有必要。
統(tǒng)計(jì)2013.09.08—09.22監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),此階段B3-6煤層事件數(shù)22次,B1-2煤層事件數(shù)40起,事件數(shù)相差近一倍,表明B1-2煤層能量活動(dòng)更活躍。在開(kāi)采位置關(guān)系上,B1-2煤層回采滯后B3-6煤層300 m左右,B3-6煤層回采后,巖柱受到一定程度的破壞,B1-2煤層事件數(shù)和能量等級(jí)也相對(duì)較大。
微震事件水平分布集中在工作面前方巖柱側(cè)煤體,B1-2煤層滯后開(kāi)采范圍內(nèi)的煤體中微震事件也較為集中。從豎直方向上的分布狀況來(lái)看,監(jiān)測(cè)各等級(jí)能量事件均分布在+475~+510 m水平層位之間,高位巖層(>+550 m)在此時(shí)間段內(nèi)并未監(jiān)測(cè)到大能量事件。從圖5可看出,微震在垂向上分布集中在+500~+510 m與+475~+485 m層位之間。
圖5 微震事件層位分布(2013.09.08—09.22)Fig.5 Layers distribution of MS-events(2013.09.08—09.22)
開(kāi)采擾動(dòng)下巖柱動(dòng)態(tài)斷裂與動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)引起應(yīng)力撬動(dòng)效應(yīng)對(duì)B1-2煤層及B3-6煤層巷道底板和側(cè)幫施壓,這種作用力是引發(fā)動(dòng)力災(zāi)害事故的力源。綜合分析巖柱斷裂、應(yīng)力異常和工作面開(kāi)采擾動(dòng)情況,定量預(yù)測(cè)具有動(dòng)災(zāi)傾向性的危險(xiǎn)區(qū)域。
5.1 巖性條件
烏東煤礦B1-2和B3-6急傾斜特厚煤層的層間巖柱的巖性主要為粉砂巖(f=3.5~4.0),塑性變形較小,φst很小,φsp很大,彈性能指數(shù)F=φsp/φst趨于比較大的數(shù)值,開(kāi)采擾動(dòng)下巖柱在深部發(fā)生斷裂失穩(wěn)時(shí)具有沖擊傾向,進(jìn)而觸發(fā)動(dòng)力學(xué)破壞并造成事故。
5.2 力源條件
+500 m水平B3巷和B6巷均處于煤柱影響范圍內(nèi),形成了煤體應(yīng)力集中條件,B3-6煤層與B1-2煤層之間存在50~110 m,均厚60 m,高350 m巖柱,巖性較堅(jiān)硬。巖柱大范圍懸頂加劇了B3-6煤層底煤的煤體應(yīng)力集中程度。
5.3 采掘次序
1)+475 m水平B6巷掘至1 200 m,B6巷迎頭前方超前支承壓力和南幫側(cè)向支承壓力與上方+500 m水平B3-6煤層底煤內(nèi)已經(jīng)集中的應(yīng)力疊加,誘發(fā)了動(dòng)力學(xué)斷裂與失穩(wěn)破壞。
2)前期在+500 m水平實(shí)施B2,B3巷煤層間巖柱體爆破工程,B2巷施工至1 480 m,B3巷施工至1 580 m,施工進(jìn)度不均衡導(dǎo)致巖柱突然向B2側(cè)傾斜回轉(zhuǎn),誘發(fā)了動(dòng)力破壞。
圖6 動(dòng)力災(zāi)害傾向性區(qū)域判定Fig.6 Determination of dynamic hazard-prone region
總之,通過(guò)圈定+500 m開(kāi)采水平微震頻率最高區(qū)域和大能量事件發(fā)生的位置,判斷應(yīng)力撬動(dòng)效應(yīng)的支撐點(diǎn)與撬動(dòng)點(diǎn)區(qū)域。B1-2煤層巖柱側(cè)滯后開(kāi)采的煤體作為應(yīng)力撬動(dòng)效應(yīng)的支撐點(diǎn)承受了巖柱傾倒產(chǎn)生的較大壓力(FB),此外由于滯后B3-6煤層開(kāi)采,回采時(shí)所受開(kāi)采擾動(dòng)更大,綜合作用下支撐點(diǎn)區(qū)域容易誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害;在失穩(wěn)巖柱的應(yīng)力作用下B3-6煤層工作面前方及下部煤體受到撬轉(zhuǎn)作用,發(fā)生動(dòng)力破壞,B3巷道穩(wěn)定性及底臌均與應(yīng)力撬轉(zhuǎn)有關(guān)。圈定的具有動(dòng)力災(zāi)害傾向性的危險(xiǎn)區(qū)域如圖6所示。通過(guò)對(duì)動(dòng)災(zāi)傾向區(qū)域高壓注水軟化、卸壓爆破、加強(qiáng)支護(hù)和局部充填等措施[19],實(shí)現(xiàn)了持續(xù)性安全開(kāi)采。
1)急傾斜煤層層間巖柱隨采深增加和開(kāi)采擾動(dòng)作用引發(fā)煤巖體斷裂,產(chǎn)生應(yīng)力撬動(dòng)效應(yīng)和應(yīng)力集中,這為動(dòng)力災(zāi)害事故誘發(fā)提供了力源;
2)巖柱斷裂與動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)過(guò)程的微震指標(biāo)監(jiān)測(cè)表明∶急傾斜層間巖柱失穩(wěn)破壞經(jīng)歷擾動(dòng)破裂、應(yīng)力擠壓、失穩(wěn)和應(yīng)力重構(gòu)4個(gè)階段。撬動(dòng)效應(yīng)的支撐點(diǎn)區(qū)域位于B1-2煤層+500~+510 m水平之間滯后開(kāi)采的煤體,撬動(dòng)點(diǎn)區(qū)域位于B3-6煤層+475~+485 m水平之間工作面前方巖柱側(cè)的煤體;
3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施高壓注水軟化、卸壓爆破、加強(qiáng)危險(xiǎn)區(qū)域巷道支護(hù)等災(zāi)害防治措施,并現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施驗(yàn)證科學(xué)有效,為后續(xù)安全開(kāi)采與災(zāi)害防控提供了借鑒依據(jù)。
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Induced hazard-prone prediction to the intermediate rock-pillar dynam ic instability in heavy steep-thick coal seam
LAIXing-ping1,2,LIU Biao1,2,CHEN Jian-qiang3,ZHANG Xin-zhan3,SUN Bing-cheng3,WANG Jian3
(1.College of Energy Science and Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China; 2.Key Laboratory ofWestern Mine Exploration and Hazard Prevention,Ministry of Education,Xi’an 710054,China; 3.Shenhua-Xinjiang Energy Co.,Ltd.,Urumchi830027,China)
∶There existed 60 m thick and steep rock-pillar atWudongmine.More than ten dynamic accidents happened in recent years.For prediction on dynamic destabilization and induced hazard-prone to interlayer steep rock pillar,somemethods using in-situ mining condition investigation,theoretical analysis and fieldmonitoringwere achieved.The induced hazard-pronewas predicted of the deeper rock-mass damage and dynamic instability of heavy steep-thick rock pillar.Firstly,themechanicalmodel on stress leverage rotation-effect(SLRE)was built based on in-situmining condition investigation,and themechanism of induced hazard was analyzed.Then,according to the field monitoring and analysis,we indicated that the spatial distribution and its evolutionary law ofmicro-seismic energy releasing of rock pillar andhazard-prone zone.The steep pillar dynamic destabilization related to disturbance burst,stress squeezing,damage destabilization and stress redistribution.Finally,the induced hazard-prone region and ranging under SLRE have been determined,respectively,locating coal excavated from+500~+510 m of B1-2and coal neighboring rock pillar to+475~+485 m of B3-6.This provides a scientific proof for hazard control and safemining.
∶heavy steep-thick coal seam;interlayer rock pillar;dynamic instability;stress leverage rotation-effect(SLRE);induced hazard-prone prediction
∶TD 324
∶A
00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0301
∶1672-9315(2015)03-0277-07
∶2015-02-20責(zé)任編輯∶劉潔
∶科技部973計(jì)劃前期專項(xiàng)(2014CB260404);國(guó)家自然科學(xué)基金(U1361206);新疆科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(201432102)
∶來(lái)興平(1971-),男,寧夏平羅人,教授,博導(dǎo),E-mail∶laixp@xust.edu.cn