千米埋深工作面煤层合并区应力演化与防冲技术

李剑锋，罗武贤，李 兵，朱金标，朱彦飞，贺 虎

(1.徐州矿务集团有限公司，江苏 徐州 221018；2.江苏徐矿能源股份有限公司 张双楼煤矿，江苏 徐州 221616；3.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

煤矿开采导致煤岩应力重新分布，煤岩中积聚的大量弹性能突然释放导致冲击地压的发生[1-3]。根据相关研究，局部应力异常易诱发冲击地压，冲击地压发生区与断层、褶曲等地质构造息息相关[4-7]。煤层合并属于地质构造形式之一，通常情况下该区域地应力分布异常，在此区域进行采掘作业，容易发生冲击地压等动力灾害事故，国内外学者对此进行了一定的研究[8-9]。宋振骐[10]统计了四川天池煤矿冲击地压事件，发现30%以上冲击地压发生在煤厚变异区。牛森营[11]同样发现一半以上的冲击地压事件发生在煤厚变异区。赵同彬等[12]研究了煤厚变化对超前支承压力分布特征和能量演化规律的影响，揭示了煤厚变异区煤层开采冲击地压发生的力学机制。孙振武[13]根据地应力场测量和矿压观测，发现在煤层厚度变化的局部区域往往会发生构造应力异常现象，即应力集中。任衷平等[14]针对煤层厚度变化对煤矿冲击危险的影响，采用数值模拟方法，分析了不同煤层厚度变化条件下应力和弹性应变能分布规律，发现工作面推进至煤层厚度变化处时，其应力是煤层未开挖时的1.37倍；而弹性应变能是煤层未开挖时的2倍。陈峰等[15]研究了不同底煤厚度作用下应力波诱发特厚煤层巷道底板冲击的动态响应规律，发现动力扰动的作用是使处于极限应力下的煤体应力增加并打破平衡状态从而诱发底板冲击。刘广建等[16]利用了黏滑模型解释煤层分叉引发的冲击地压问题，发现关键层断裂动载和煤体高静载应力叠加易引发冲击地压。以徐州张双楼煤矿为工程背景，利用FLAC3D模拟研究煤层合并区煤厚变化对煤体应力演化的影响规律，分析煤层合并区矿震能量、频次及空间分布特征，提出了采用冲击变形能评价合并区冲击危险性的方法，制定了煤层合并区冲击地压防治技术，以期为类似条件的冲击地压防治提供借鉴与指导。

1 工程概况

江苏徐矿能源股份有限公司张双楼煤矿主采7煤和9煤，平均间距约20 m，在部分区域出现2层煤合并现象。74102工作面主采煤层为7煤，平均厚度约2.85 m，煤层埋藏深度为1 020～1 132 m。在其东北部存在大面积7、9煤合并区，如图1所示。由历史统计结果可知，煤层合并区的冲击地压发生概率高于其他区域。张双楼煤矿西一采区采掘过程中共发生了20次能量高于105J的矿震，其中15次位于煤层合并区及其边缘，研究煤层合并区冲击机理与监测防治技术，对张双楼煤矿具有重要指导意义。

图1 74102工作面布置Fig.1 Layout of No.74102 working face

2 煤层合并区煤体应力演化规律

2.1 数值模型及参数

数值模拟方法是研究构造冲击问题的重要手段[17-19]，采用FLAC3D有限差分软件，模型包含74102工作面非合并区(至开切眼距离0～200 m)、煤厚6 m合并区(至开切眼距离200～390 m)、煤厚8 m合并区(至开切眼距离390～780 m)以及出合并区(至开切眼距离780～900 m)，模型尺寸1 000 m×385 m×156 m。选择摩尔-库仑塑性本构模型，节理采用面-面接触的方式，模型顶部施加等效地应力24.5 MPa，模型如图2所示。

图2 74102工作面Fig.2 No.74102 working face

2.2 煤厚变化区对应力的影响

以图2中非合并区边界为起点(起始位置)，不同推进距离工作面煤壁前方煤层垂直应力变化曲线如图3所示。由图3可知，工作面接近合并区100 m时，煤体应力开始急剧上升，表明合并区超前影响范围约为100 m。当接近合并区50 m时，受煤层合并影响达到最大值，此时应力梯度最大，冲击危险程度最高。随着合并区煤层厚度变大，应力缓慢上升，但上升幅度不大，此时应力梯度较小，冲击危险程度高，但冲击危险性变化不大。工作面远离合并区60 m范围内，应力依然处于较高水平，80 m以后应力恢复至正常值，表明合并区滞后影响范围约80 m，强烈影响范围为60 m。

图3 工作面前方煤壁垂直应力Fig.3 Vertical stress in front of working face at different positions

不同推进距离巷道垂直应力变化曲线如图4所示。由图4a可知，在距合并区120 m时，煤层合并开始影响巷道应力分布，运输巷垂直应力峰值为112.4 MPa；随着与合并区距离的减小，运输巷垂直应力逐渐增加；当即将进入合并区时，运输巷垂直应力峰值增加至120.1 MPa。进入煤厚6 m合并区时，运输巷垂直应力峰值为125.3 MPa，大于非合并区峰值，如图4b所示。进入煤厚8 m合并区域时，运输巷垂直应力峰值进一步增加至129 MPa，如图4c所示。穿过煤层合并区后再次进入非合并区时，应力逐渐由119.3 MPa逐渐降低至111.5 MPa(图4d)，滞后影响范围为80 m。结果表明，工作面在煤层合并区推进时的峰值应力大于非煤层合并区，且合并区煤层越厚，峰值应力越大。合并区超前与滞后影响区范围的确定为合理确定防冲监测与防治技术提供了依据。

图4 不同推进距离巷道底板垂直应力Fig.4 Vertical stress of roadway floor at different positions

3 基于冲击变形能的煤层合并区冲击危险变化规律

根据上述模拟结果，煤层合并区对煤体应力集中具有增大作用，尤其在进出合并区阶段应力梯度大，同时超前与滞后影响范围大。因此，对于合并区的冲击危险监测预警需要能够反映应力集中与能量释放的指标。冲击变形能指标[20]能够反映出煤体内应力的积聚状况，数值越大，说明其越接近冲击状态，冲击变形能预警指标值Wε计算方法为

(1)

其中：N为上一次宏观破裂之后矿震事件总数；Ei为上一次宏观破裂之后第i次矿震事件所释放的能量；Eεt为冲击变形能的当前值；Eεl为冲击变形能的临界值；E0为冲击变形能的初始值。冲击变形能0～<0.25为无冲击危险；0.25～<0.50为弱冲击危险；0.50～<0.75为中等冲击危险；≥0.75为强冲击危险。以74102工作面进入合并区前、进入合并区、出合并区3个阶段绘制冲击变形能变化如图5所示。如图5a所示，工作面在距离合并区200 m时，合并区边缘已经开始出现能量集中，在合并区边缘冲击变形能最大值为0.26，处于弱冲击危险状态；图5b为工作面回采进入煤层合并区时冲击变形能预警图，可以看出，在合并区边缘出现局部高冲击变形能区域，虽然范围小，但是高于0.75，即强冲击危险区，反映了高应力梯度导致的局部能量异常释放。图5c为工作面距离出合并区100 m的冲击变形能预警，可以看出煤层合并区整体应力与能量聚集程度较高，但分布较为均匀，反映了进入煤层合并区后冲击危险性整体较高，但是分布均匀稳定，没有大的突变，冲击变形能预警指数最大值为0.6，为中等冲击危险性。冲击变形能的演化规律与数值模拟的结果具有一定的相似性。

图5 工作面至合并区不同距离时冲击变形能分布Fig.5 Distribution of strain energy at different distances between working face and composite zone

4 煤层合并区冲击防治和效果

4.1 超深穿层底煤卸压-注水防冲技术

现场实测和数值模拟结果表明，煤层合并区高应力导致煤体中存储较大能量，回采过程震动频次高，震动能量大，易诱发冲击地压。因此需要采取降低煤体应力和弹性储能能力措施，以达到降低冲击危险的目的。为了对合并区的底煤进行全面卸压处理，提出煤层合并区超深孔底煤卸压-注水防冲技术，配合顺层大直径钻孔卸压，如图6所示。根据模拟结果，74102工作面距离合并区200 m时开始进行预卸压工作，在轨道巷和运输巷工作面前方施工长距离预卸压钻孔，并对钻孔进行封孔、采用高压、低压相结合的方式进行注水预卸压。钻孔垂直巷帮(误差±5°)，平行煤层层面(施工至煤层合并区时，仰角比顶板倾角小2°～3°)，钻孔直径129 mm；回风巷全程孔深80 m，运输巷距离开切眼600～880 m孔深80 m，在距离开切眼1 024～1 294 m孔深110 m。同时，配合巷道内底煤爆破、底煤大直径钻孔卸压等防冲技术，成功控制冲击地压的发生，实现了安全高效开采。

图6 超深穿层底煤卸压-注水与顺层钻孔卸压技术Fig.6 Super-deep crossing-seam destress-water injection hole and parallel-seam drilling destress technology

4.2 防治效果

回采过程中，采用微震监测系统对震动频次与能量进行分析，如图7所示。工作面在非煤层合并区推进时，矿震每日频次约10次，能量约20 kJ，最大能量为60 kJ，累计能量和震动频次均较小。进入煤层合并区微震事件累计能量和震动频次显著增大，矿震每日频次约20次，能量约50 kJ，最大能量约140 kJ，其值均为非合并区的2倍以上。同样反映出煤层合并区矿震活动频繁，应力高，但是74102工作面在掘进和回采穿过煤层合并区时未发生冲击地压事故。工作面进入并穿过7、9煤煤层合并区时，虽然矿震频次较高，但是主要以小能量矿震为主。说明所采取的卸压措施有效减小了应力集中和能量积聚，降低了冲击地压发生的可能性，保证了工作面安全回采。

图7 74102工作面微震事件累计能量、震动频次变化Fig.7 Accumulated energy and frequency of microseismic events in No.74102 working face

5 结 论

1)模拟研究了煤层合并区对煤层应力演化规律的影响，确定了煤层合并区超前与滞后影响范围。工作面接近合并区时应力梯度最大，冲击危险程度最大；进入合并区后随着底煤厚度变大，应力缓慢上升，但上升幅度不大，此时应力梯度较小，冲击危险程度高，但冲击危险性变化不大；出合并区后一定范围内依然会受合并区影响，具有明显的滞后性。

2)提出了采用冲击变形能对煤层合并区进行冲击危险监测预警的方法。冲击变形能能够有效显示工作面距离合并区不同阶段的能量演化规律。

3)提出了合并区超深穿层底煤卸压-注水与顺层钻孔卸压相结合的防冲技术方案，通过在煤层中实施超深穿层卸压-注水孔，实现了工作面底煤的全覆盖卸压处理，取得了显著防冲效果。