坚硬顶板孤岛工作面冲击地压机理及前兆判别_张宏伟.pdf

第 46 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.2 2018 年 4 月 COAL GEOLOGY hard roof; island working face; theory of elastic thin plate; stress energy; microseismic monitoring 近年来，受开采方式或断层等因素影响，出现 了大量的孤岛工作面[1-2]。随着采煤作业逐渐向深部 延伸，孤岛工作所引发的冲击地压事故越来越多。 因此，国内外学者对孤岛工作面冲击地压机理进行 了大量的研究，但由于冲击地压的发生受多种因素 共同影响，发生过程极其复杂，所以至今尚没有统 一的理论认知[3-5]。姜福兴等[6]通过构建保护层中残 留孤岛煤柱的结构力学模型，提出孤岛煤柱引发冲 ChaoXing 第 2 期 张宏伟等 坚硬顶板孤岛工作面冲击地压机理及前兆判别 119 击地压的主要原因是煤柱外围的强剪切区域岩层受 到剪应力发生断裂。王宏伟等[7]通过对孤岛工作面 的巷道表面位移、顶板离层等数据的实时监测，提 出顶板大面积来压与剧烈应力互动为孤岛冲击地压 的前兆现象，基于此划分出孤岛工作面的冲击地压 失稳区域。蓝航等[8]结合现场微震和液压支架等监 测数据，提出冲击地压发生的外部诱因是顶板在采 掘活动影响等因素的作用下将上覆载荷转移到工作 面煤壁，内部诱因是煤体自身存在冲击倾向性。同 时大量的实践证明，坚硬顶板条件下的孤岛开采活 动更易引发冲击地压[9]。为此，李新元等[10]基于覆 岩均布应力和增量应力作用的坚硬顶板初次断裂力 学结构模型，对工作面前方煤壁能量值的分布规律 进行定量分析，并确定冲击地压震源区域。张益东 等[11]以孤岛工作面两侧采空区上覆岩层是否受到采 动影响为依据，将主关键层分为 3 种不同边界的薄 板模型，并分析主关键层破断机理。 本文针对忻州窑矿西二盘区 8939 孤岛工作面， 将孤岛工作面采空区悬露的坚硬顶板看作小挠度的 弹性薄板，从顶板弯曲变形积聚的能量尺度来判定 冲击地压。并从微震事件的时间分布规律和空间分 布规律两个方面探究微震与冲击地压的关系，分析 8939工作面的发生冲击地压前微震方面的临界预警 值，从而对冲击地压进行前兆预测。 1 工程背景 1.1 工作面概况 忻州窑矿位于大同煤田北东部边缘，地处大同 向斜北部最低部位，总体呈向斜构造状态。井田内 存在双系煤田，煤质较硬。上煤系为侏罗系大同组 和云岗组， 下煤系为石炭系太原组和二叠系山西组。 大同组各煤层顶底板岩石均为陆相碎屑岩，大部分 地区有伪顶，岩性多为薄层粉砂岩，页岩夹薄煤层 或煤线，直接顶及老顶岩性多为细砂岩，细粉砂岩 互层或中粗粒砂岩， 目前正开采大同组 14 号煤层中 的 8939 工作面。 8939 工作面位于忻州窑矿西北部，东邻 8941 工作面三角形保护煤柱与矿界，南邻运输与回风大 巷，西邻 8937 工作面采空区，北邻矿界保护煤柱， 顶板硬度大，是典型的坚硬顶板孤岛工作面图 1。 工作面走向长 1 334 m，倾向长 94.5 m，煤层埋藏深 度 300400 m，平均倾角 2，平均厚度 7.5 m。煤质 较硬，煤层上无伪顶，直接顶为 3 m 的粉细砂岩， 老顶为 16 m 的中细砂岩， 采煤方法采用走向长臂后 退式放顶煤方法，管理顶板采用自然垮落法和强制 放顶相结合的方式。共布置 4 条巷道，进风运输巷 2939 和回风运料巷 5939 沿煤层底板掘进，8939 中 间巷和 8939 顶回风巷沿煤层顶板掘进。 图 1 8939 工作面平面图 Fig.1 Plan of working face 8939 1.2 煤层冲击倾向性 煤岩体的冲击倾向性是指内部具有积聚能量并 向外冲击破坏的性质，是衡量冲击地压危险区域的 冲击倾向程度的重要指标[12]。冲击倾向性包括动态 破坏时间 DT、弹性能指数 WET、单轴抗压强度 σc 和冲击能指数 KE。通过测定上述指标值的大小，将 煤层冲击倾向性分为强冲击倾向、弱冲击倾向和无 冲击倾向。 经实验室测定，8939 工作面煤体的动态破坏时 间 DT为 410.6 ms、弹性能指数 WET为 1.94、冲击能 指数 KE为 2.504、单轴抗压强度 σc为 32.27 MPa。 由实验结果可知，该煤层硬度较大，表现为脆性破 坏，属弱冲击煤层，存在冲击地压危险。 2 孤岛工作面坚硬顶板破断能量分析 8939 工作面顶板厚度远大于其弯曲挠度，根 据弹性薄板理论，可将 8939 孤岛工作面的悬露顶 板看作小挠度弹性薄板。 由此建立弹性矩形薄板模 型图 2，设工作面推进方向为 x；工作面方向为 y； 顶板垂直向下方向为 z。当顶板受到上覆岩层载荷 时，矩形薄板模型将产生一个 z 轴正向的挠度。 图 2 悬露顶板力学模型 Fig.2 Mechanical model of exposed suspending roof 2.1 四边简支力学模型 未初次垮落的坚硬顶板四周均有煤柱支撑，可 将其当作四边简支的小挠度弹性薄板。在受到均匀 载荷 q 时，匀质薄板会产生向下的弯曲变形。因此， 取薄板弯曲的挠度函数为  2222 1 , x yCxayb 1 其弯曲应变能表达式 U 为[13] ChaoXing 120 煤田地质与勘探 第 46 卷 322 2 222 d d 241 Eh Ux y xy       2 在没有其他外力的情况下，薄板的总势能 I 为 d dIUqw x y 3 式中 E 为薄板的弹性模量；h 为薄板的厚度；μ 为 薄板的泊松比；q 为作用在薄板上的垂直分布载荷。 由 Rayleigh-Ritz 法可知，当总势能对 C 的一介 偏导数为 0 时，总势能最小。基于此，联立式1、 式2、式3得出 235 5242241 1 8 [90001] 49 UEq h a baa bb  4 式中 4422 2aba b≥，仅当 ab 时等号成立，所以 ab工作面见方时，取得最大值 1max U 23 32 1max 3 1 3975 q a b U Eh   5 由此可知， 孤岛工作面的坚硬顶板悬露见方时， 内部积聚的弯曲应变能达到最大值， 此时顶板若发 生初次破断，易引发冲击地压。 2.2 三边简支和一边自由力学模型 顶板初次破断后，薄板边界变为三边简支，一 边自由。其挠度函数变[14]为 2 22 π sin xy C ab  6 根据弹性板理论，其弯曲应变能表达式为[14] 322 2 2 222 222 2 22 { 241 21[]}d d Eh U xy x y x yxy             7 经代入简化，最终得出 52 2max 23 81 3 π qa b U Eh   8 8939 工作面长度为 94.5 m，煤层老顶弹性模量 为 25.8 GPa， 初次垮落步距 98 m， 泊松比为 0.15[15]。 老顶垮落厚度约为 10 m。作用在老顶上的载荷为 745.9 kPa。各参数代入式8中可得初次垮落后顶板 的弯曲应变能小于 6.53103 J。同时，由式5可得 出破断前顶板的弯曲应变能为 4.21106 J， 即在破断 过程中释放的能量U超过 4.2106 J。 根据波兰学者研究，当能量超过 105 J 时，有 发生冲击地压的危险[16]。因顶板破断过程瞬间完 成，具有较强的冲击性，做功于煤体破裂、滑移所 损失的能量只占一小部分。因此，8939 工作面顶 板破断产生的脉冲能量仍然大于冲击地压能量临 界值 105 J，具备发生冲击地压的危险。 3 孤岛区域应力分析 利用 FLAC3D分析 8939 工作面煤体及周边煤柱 在 8937、8941 与 8939 工作面开采时的应力变化。 根据相应地质条件与开采条件建立模型。模型尺寸 为 630 m600 m80.8 m，共 10 层，其中 11 号煤层 厚 7.5 m。煤岩层均沿水平布置。模型侧面限制水平 运动，底面限制垂直运动，顶面为自由边界，周围 未模拟的岩层按等效梯度载荷处理，煤岩层物理参 数基本按照实验室测试数据确定。模型建立后，按 照实际开采情况，依次开采 8937 工作面、8941 工 作面与 8939 工作面。 由图 3 可知，西二盘区原岩应力为 7.28 MPa。 当 8937、8941 工作面开采完毕后，采空区侧煤壁应 力峰值点距煤壁约 10 m，峰值为 19.8 MPa，影响范 围约 3048 m。8939 工作面区域煤体应力由 7.28 MPa 升高至 20.61 MPa。由于放顶煤开采方式形成 的采空区高度较大，煤岩体硬度较高，导致垮落的 顶板岩层并不能完全填满 8937、8941 采空区，未垮 落岩层以工作面区域煤体为支撑点旋转下沉，不断 挤压下沉，导致煤体应力持续升高。 图 3 8937 及 8941 工作面回采完毕 Fig.3 Completion of extraction in working faces 8937 and 8941 如图 4，8939 工作面回采巷道掘进完毕后，巷 道两侧煤柱均存在应力集中点。 临近 8937 工作面侧 煤柱应力升高较显著，最大为 22 MPa，峰值点距巷 帮约 8 m。临近 8941 工作面的三角煤区域，巷道未 开挖时应力约为 15.91 MPa，无明显应力集中。开 挖后，在距巷帮 4 m 处出现应力集中，最大值为 18.72 MPa。显而易见，临空侧煤柱冲击地压危险性 较高，危险区域面积较大。同时，8941 工作面停采 线上隅角处距工作面最近，应力集中较明显，也易 引发冲击地压。 当 8939 工作面开采后， 工作面超前应力影响范 围约为 80 m，应力峰值点距位于工作面超前 10 m， ChaoXing 第 2 期 张宏伟等 坚硬顶板孤岛工作面冲击地压机理及前兆判别 121 图 4 8939 工作面双侧煤柱应力剖面图 Fig.4 Cross-section of stress of coal pillars at both sides in working face 8939 最大峰值为 26.3 MPa，应力集中系数达到 3.53。此 过程悬露顶板面积不断增加，并发生一定程度的弯 曲下沉，由于硬度较大，不易破断垮落，未破断的 坚硬顶板在上覆载荷的作用下将不断挤压工作面前 方煤体。由于加载缓慢，应力和积聚的弹性能可以 不断释放转移，因此在顶板初次垮落前不会发生明 显的矿压显现，但不可避免的会发生小煤炮和闷墩 等灾害性较小的动力显现现象，直至顶板所受的拉 应力超过其强度极限而发生破断。在顶板破断的瞬 间，将对周围煤岩体产生强大的脉冲动力，让原本 处于高应力区域的临空侧煤柱产生冲击地压。 同时，临空侧煤柱在回采过程中应力集中状态 也发生变化，应力峰值曲线由单峰曲线变为了双峰 曲线图 5。靠近采空区侧的应力峰值由 18.48 MPa 升高至 23.8 MPa，峰值点距 5939 巷帮约 11 m。新 增加的峰值点距巷帮约 6 m，最大值为 22.78 MPa。 即在回采过程中，煤柱高应力区域不断增加，峰值 点持续向 5939 巷帮移动， 这进一步增加了顶板破断 时巷帮处发生冲击地压的危险性。 图 5 8937 与 8939 工作面之间煤柱应力分布曲线 Fig.5 Distribution curve of stress in pillar between working faces 8937 and 8939 4 孤岛区域冲击地压的前兆判别 4.1 冲击地压发生前微震信息时间及能量特征 由上述弹性板模型的结论可知，8939 孤岛工作 面属于坚硬顶板破断诱发的煤柱型冲击地压。悬露 顶板的面积随着采煤活动的进行不断增大，当顶板 下边缘拉应力超过其单轴抗拉强度时发生破断，释 放的弹性应变能以冲击波的形式传导至煤柱区域。 由于处于高应力的状态的 5939 巷侧保护煤柱已经 发生一定的弱化，在冲击波的扰动下将向工作面方 向瞬间释放能量，形成冲击地压。 微震指在外部影响因素的作用下，煤岩体局部 积聚的弹性能以弹性波的形式沿软弱面瞬间释放的 过程。通过与上述冲击地压机理的比较，可以将微 震事件看成一次微型的冲击地压。通过对微震数据 的整理分析，可以反映煤岩体结构的稳定程度，进 而预测冲击地压。据统计，在 2015 年 10 月 6 日至 2016 年 1 月 5 日期间， 8939 工作面共发生微震事件 1 006 次，期间发生 3 次能量较大的冲击地压。图 6 描述了微震与冲击地压的时序关系。冲击地压发生 之前，均有 58 d 的微震活跃期，微震能量多次到 达 5 000 J，说明此期间，煤岩体正与外界系统积极 交换能量，随着交换能量逐渐增大，微震事件的能 量值也逐渐升高。当微震能量达到 2.5104 J 的临界 值时，将在之后的 12 d 内发生冲击地压。冲击地 压之后，会有一段时间的微震平静期。在此期间， 微震能量与微震次数均小于正常时期。说明冲击地 压之后，高应力区域积聚的弹性能在一定程度上得 到释放，整个煤岩体系统回归稳定状态。 图 6 8939 工作面微震活动过程 Fig.6 Process of microseismic activities in working face 8939 因此，在 8939 工作面的后续开采中，若微震能 量先经历活跃期，后达到临界值 2.5104 J 时，发生 冲击地压的可能性较大。此时，应加强冲击地压的 解危措施。 4.2 冲击地压前微震空间分布特征 分形理论是一种研究自然界不规则复杂现象的 ChaoXing 122 煤田地质与勘探 第 46 卷 理论，其维数来衡量研究对象的复杂程度。分维值 越高，说明研究对象的有序性越低。利用分形维值 可以探究不规则现象与其影响因素的内部关联。 8939 工作面区域的顶板与煤柱积聚弹性能的 过程中不断产生微裂隙。当顶板破断时，形成的冲 击能量波将诱发高能量值的煤柱产生冲击地压。由 于煤体结构的能值受多个条件制约，导致微震事件 的空间分布状态也异常复杂，因此很难利用单一的 数学关系分析其规律。所以，可以将微震事件看作 复杂不规则对象。通过研究发现，煤体内部的微裂 隙在应力的作用下并不会直接破裂，而是将积聚的 能量沿软弱面传导至相邻微裂隙，使多个微裂隙共 同发育融合成较大的断裂， 直至煤体结构整体失稳。 在此过程中，煤体内部由不规则的微裂隙发展成较 规则的断裂，分维值也随之降低，甚至当出现冲击 地压等较强烈的破坏时，会出现降维的现象，即研 究对象由 n 维降至 n–1 维。 本文主要通过分形维数的变化趋势来分析微震 事件的空间分布特征与冲击地压事件的关系。将微 震事件投影在 x、y 水平面上，形成边长为 n 的二维 盒。覆盖了微震监测空间的边长为 n 的盒子数量记 为 Mn。则分维值 Db可以表示为[17] 0 lg lim lg b n M n D n    9 分别取一定数量的微震事件，依次计算其分维 值， 最终得到 2015 年 10 月 6 日到 2016 年 1 月 5 日 期间工作面微震事件分维值的变化趋势图 7。 图 7 8939 工作面微震分维值的变化规律 Fig.7 Change law of fractal dimension of the microseismics in working face 8939 由图 7 可知， 安全回采时微震分维值主要分布在 0.60.8，发生冲击地压时分维值小于 0.63 次冲击地 压分维值分别为 0.55、0.57、0.5。因此，将 0.6 作 为 8939 工作面发生冲击地压的分维预警临界值。 4.3 冲击地压发生前煤柱的应力特征 在 5939 巷尾巷据开切眼 100 m、300 m 处布 置煤柱应力监测断面。在冲击地压发生之前，巷道 围岩处于亚稳态，能量由高应力区域向低应力区域 转移，此过程围岩应力值会有较大幅度的变化，通 过分析应力计示数在单位时间内的增量可以对冲击 地压进行预测。 当工作面距离开切眼 94.5 m 与 278 m 时，发生 2 次典型的冲击地压。因此，选取期间应力 变化较明显的 2 个监测点绘制图线图 8。 受工作面超 前支撑压力的影响，监测点应力值在无冲击地压发生 的情况下也会持续上升，无法通过定量分析应力计示 数预测冲击地压，但应力计周围岩体的应力集中的突 变程度与却可以作为预测冲击地压的一个重要指标。 图 8 工作面推进过程中监测点应力变化曲线 Fig.8 Stress change at monitoring points during advancement of working face 由图 8 可知， 监测点 1 距工作面 57 m 时应力开 始升高，增幅约 0.26 MPa/m。冲击地压发生前距工 作面 5 m时，应力增幅突然升高至 0.84 MPa/m。监 测点 2 距工作面 33 m 时应力开始升高， 增幅约 0.29 MPa/m，冲击地压发生前距工作面 21 m时，应力 增幅升高至 0.92 MPa/m。因此，可将 0.8 MPa/m 作 为冲击地压的预警临界值。 5 结 论 a. 坚硬顶板破断前对工作面前方煤体加载缓 慢，不易发生冲击地压。破断时，会对周围煤岩体 释放大量的弯曲应变能。根据弹性板理论，产生的 脉冲能量超过冲击地压的临界值 105 J，具备发生冲 击地压的能量条件。 b. 坚硬顶板在上覆载荷的作用下不易破断，而 是不断挤压工作面四周煤岩体，使应力与能量不断 积聚。8939 工作面在回采过程中，临空侧煤柱应力 最大值达到 23.8 MPa，峰值点距巷帮 612 m，应力 集中系数为 3.27， 在顶板破断瞬间易发生冲击地压。 c. 冲击地压发生前，工作面周围煤岩体处于亚 稳态，应力与能量逐渐向薄弱区域转移。通过分析 微震事件指标、临空煤柱局部区域应力相对增量， 确定微震事件能量预警值、分维值预警值与钻孔应 ChaoXing 第 2 期 张宏伟等 坚硬顶板孤岛工作面冲击地压机理及前兆判别 123 力计示数增幅预警值，综合预测冲击地压。 参考文献 [1] 易恩兵，徐大连，孙进，等. 孤岛工作面不同宽度煤柱防治冲 击地压分析[J]. 煤矿安全，2011，4211126–128. YI Enbing， XU Dalian， SUN Jin， et al. Analysis of rock burst in coal pillar with different width in isolated island panel[J]. Coal Mine Safety，2011，4211126–128. [2] 李志华，华心祝，杨科，等. 采空区下孤岛工作面矿压显现规 律研究[J]. 煤炭工程，2013，451172–74. LI Zhihua，HUA Xinzhu，YANG Ke，et al. Study on mine pressure behavior law of coal mining face in seam island under goaf[J]. Coal Engineering，2013，451172–74. [3] 杨光宇， 姜福兴， 王存文. 大采深厚表土复杂空间结构孤岛工 作面冲击地压防治技术研究[J]. 岩土工程学报，2014，361 189–194. YANG Guangyu，JIANG Fuxing，WANG Cunwen. Prevention and control technology of mine pressure bumping of coal mining face in seam island based on deep mining and thick topsoil of complex spatial structure of overlying strata[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2014，361189–194. [4] 艾春和. 深部不规则孤岛工作面开采顺序及冲击地压防治技 术[J]. 中国煤炭，2015，41945–49. AI Chunhe. Research on mining sequence of deep and irregular island panel and control technology of rock burst[J]. Coal in China，2015，41945–49. [5] 李宝富， 魏向志， 任永康. 千秋煤矿冲击地压发生特点及成因 分析[J]. 煤炭工程，2014，46 183–86. LI Baofu，WEI Xiangzhi，REN Yongkang. Analysis on occur- rence characteristics and causes of rock burst in Qianqiu coal mine[J]. Coal Engineering，2014，46 183–86. [6] 王存文，姜福兴，王平，等. 煤柱诱发冲击地压的微震事件分 布特征与力学机理[J]. 煤炭学报，2009，3491169–1173. WANG Cunwen，JIANG Fuxing，WANG Ping，et al. Micro- seismic events distribution characteristics and mechanical mechanisms of rock bursting induced by a coal pillar[J]. Journal of the China Coal Society，2009，3491169–1173. [7] 王宏伟，姜耀东，杨忠东，等. 长壁孤岛工作面煤岩冲击危险 性区域多参量预测[J]. 煤炭学报，2012，37111790–1795. WANG Hongwei，JIANG Yaodong，YANG Zhongdong，et al. Multi parameter prediction of coal and rock burst risk in long wall isolated island panel[J]. Journal of China Coal Society， 2012，37111790–1795. [8] 蓝航，杜涛涛，彭永伟，等. 浅埋深回采工作面冲击地压发生 机理及防治[J]. 煤炭学报，2012，37101618–1623. LAN Hang，DU Taotao，PENG Yongwei，et al. Occurrence mechanism and prevention of rock burst in coal mining face with shallow depth[J]. Journal of China Coal Society，2012，3710 1618–1623. [9] 吕进国，姜耀东，李守国，等. 巨厚坚硬顶板条件下断层诱冲 特征及机制[J]. 煤炭学报，2014，39101961–1969. LV Jinguo，JIANG Yaodong，LI Shouguo，et al. Characteristics and mechanism of coal bumps induced by faults in extra thick and hard roof [J]. Journal of China Coal Society，2014，3910 1961–1969. [10] 李新元，马念杰，钟亚平，等. 坚硬顶板断裂过程中弹性能量 积聚与释放的分布规律[J]. 岩石力学与工程学报， 2007， 26增 刊 12786–2793. LI Xinyuan，MA Nianjie，ZHONG Yaping，et al. Distribution regularity of accumulation and release of elastic energy during fracture of hard roof [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26S12786–2793. [11] 张益东，张弛，樊志强，等. 基于板模型的孤岛工作面主关键 层破断机理分析[J]. 煤炭工程，2010，1959–62. ZHANG Yidong， ZHANG Chi， FAN Zhiqiang， et al. Analysis of the breaking mechanism of the main key stratum in the isolated island panel based on the plate model[J]. Coal Engineering， 2010，1959–62. [12] 齐庆新，彭永伟，李宏艳，等. 煤岩冲击倾向性研究[J]. 岩石 力学与工程学报，2011，30增刊 12736–2742. QI Qingxin，PENG Yongwei，LI Hongyan，et al. Study for bursting liability of coal and rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30S12736–2742. [13] 曲庆璋，章权，季求知. 弹性板理论[M]. 北京人民交通出 版社，2000. [14] 庞绪峰，蔡来生. 孤岛工作面坚硬顶板破断的能量特征研究 [J]. 煤炭工程，2015，47594–97. PANG Xufeng， CAI Laisheng. Study on energy characteristics of hard roof fracture in island working face[J]. Coal Engineering， 2015，47594–97. [15] 田利军. 忻州窑矿压缩型冲击地压发生机理及防治研究[D]. 阜新辽宁工程技术大学，2013. [16] 窦林名， 赵从国， 杨思光. 煤矿开采冲击矿压灾害防治[M]. 徐 州中国矿业大学出版社，2006. [17] 刘莹，胡敏，余桂英，等. 分形理论及其应用[J]. 江西科学， 2006，242205–209. LIU Ying，HU Min，YU Guiying，et al. Theory of fractal di- mension and its applications[J]. Jiangxi science，2006，242 205–209. 责任编辑 张宏 ChaoXing