鄂尔多斯矿区高位厚硬岩层破断机理及响应规律_高中祥.pdf

0引言由于地层形成的复杂性，在煤系地层中会赋存着硬度高、厚度大的岩层。在我国的鄂尔多斯地区，煤层上方存在着有硬度高、厚度大的砂岩组。该岩层具有强度高、厚度大、远离采场、悬顶面积大等特点1。在该地区煤矿开采中，随着工作面煤体的不断采出，采空区面积逐渐增大，厚硬岩层会形成大面积悬顶并积聚大量弹性能，当采空区面积达到极限值，厚硬岩层发生破断失稳并突然释放积鄂尔多斯矿区高位厚硬岩层破断机理及响应规律高中祥1，曲 治2，李 友2，陈 淼2（1.兖矿能源集团股份有限公司，山东 济宁 272000；2.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590）摘要：掌握高位厚硬岩层破断机理及破断响应规律对于煤矿动力灾害防控具有重要作用。以营盘壕煤矿 2201、2202 工作面为背景，建立高位厚硬岩层破断的力学模型，得到高位厚硬岩层破断力学公式。将营盘壕煤矿各项地质数据带入力学模型、公式计算，得到 2201 工作面开采时高位厚硬岩层不破断；2202 工作面开采时，高位厚硬岩层预计在双工作面见方范围内发生破断，并详细分析高位厚硬岩层破断全过程。通过对开采营盘壕煤矿 2202 工作面期间的大能量事件进行监测，验证了 2202 工作面开采至双工作面见方时，高位厚硬岩层发生破断并释放大量能量。本文研究成果为研究类似地质条件下高位厚硬岩层破断机理及规律响应提供了科学指导。关键词：高位厚硬岩层；厚板理论；破断规律；响应特征；微震中图分类号：TD32文献标识码：A文章编号：2095-5979（2023）05-0028-05Fracture mechanism and response law of high thickand hard strata in Ordos mining areaGaoZhongxiang1,Qu Zhi2,Li You2,Chen Miao2(1.Yankuang Energy Group Co.,Ltd.,Jining 272000,China;2.Energy and Mining Engineering College of ShandongUniversity of Science and Technology,Qingdao 266590,China)Abstract：Grasping the breaking mechanism and breaking response law of high thick hard rock strata plays an importantrole in the prevention and control of coal mine dynamic disasters.Based on the 2201 and No.2202 Faces of YingpanhaoCoal Mine,the mechanical model of high-level thick and hard rock breaking is established,and the mechanical formula ofhigh-level thick and hard rock breaking is obtained.The geological data of Yingpanhao Coal Mine are brought into themechanical model and formula calculation,and the high-level thick and hard rock strata are not broken during the miningof2201 workingface.Duringthe miningofNo.2202 Face,the high thick and hard rock stratum is expected tobreak withinthe square range ofthe double workingface,and the whole process ofhigh thick and hard rock stratum breakingis analyzedin detail.By monitoring the large energy events during the mining of No.2202 Face in Yingpanhao Coal Mine,it is verifiedthat when the No.2202 Face is mined tothe square ofthe double workingface,the high thick and hard rock stratum breaksand releases a lot of energy.The research results of this paper provide scientific guidance for studying the fracturemechanismand regular response ofhigh thick and hard rock strata under similar geological conditions.Key words：high thick hard rock;thick plate theory;breakinglaw;response characteristics;microseismic责任编辑：张彤DOI：10.19286/ki.cci.2023.05.008作者简介：高中祥（1971），男，山东齐河人，高级工程师。引用格式：高中祥，曲治，李友，等.鄂尔多斯矿区高位厚硬岩层破断机理及响应规律J.煤炭与化工，2023，46（5）：28-32.采 矿 与 井 巷 工 程Coal and Chemical Industry煤 炭 与 化 工Coal and Chemical Industry第 46 卷 第 5 期2023 年 5 月Vol.46 No.5May 2023282023 年第 5 期聚的大量弹性能，产生大能量强矿震事件，不仅会极大的提高井下冲击地压发生概率，影响煤矿安全生产，甚至还会引起地面强烈震感，对建筑物构成震动威胁，对煤炭安全高效开采与矿区和谐稳定发展提出了严峻挑战，。我国学者对厚硬岩层破断规律进行了诸多研究，取得了大量有益成果。蒋金泉等1-3建立了厚硬岩层的力学模型，研究得到了岩层破断跨度的计算式，并利用微震、支架压力及地表下沉等进行了动力响应分析；姜福兴等4研究覆岩结构提出了“载荷三带”理论，基于该理论对采场可能发生的冲击地压进行了分类和危险性判定；张明5-6提出了基于厚硬关键层破断导致强矿震的评估方法，并提出了防控思路；王树立等7-8建立了多工作面联合运动的力学模型，推算了红层砂岩的破断步距并阐明了红层破断规律，并利用微震技术分析验证了响应特征。以往研究主要集中在中低位厚硬岩层破断响应方面，对于鄂尔多斯地区赋存的远场、高位、巨厚、坚硬岩层，在多工作面共同影响条件下的破断演化规律及响应特征研究较少。本文以营盘壕煤矿2201、2202 工作面为背景，以高位厚硬砂岩组为研究对象，建立高位厚硬岩层破断力学模型，对影响高位厚硬岩层破断规律及响应进行分析。研究成果对分析高位厚硬岩层的破断规律和破断造成的响应规律有重要意义1地质概况营盘壕煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市西南方向的乌审旗。井田南北长约 13.63 km，东西宽约8.32 km，面积 113.32 km2。矿井生产能力 1 000万 t/a，可采储量约 10 亿 t。地面标高+1 244.6+1 261.4 m，区内可采煤层为 2-2、3-1 煤层，煤层底板标高分别为+490+540 m、+450+500 m。营盘壕煤矿现主采煤层为 2-2 煤层，其中 2-2煤层埋藏深度 660.38783.68 m，平均 722.88 m，煤层厚度 3.1610.24 m，平均 6.29 m。煤层顶板岩性多为粉砂岩及砂质泥岩，局部为中细粒砂岩，底板岩性多为砂质泥岩、泥岩。图 1 为营盘壕2202 工作面综合柱状图，由图 1 可知，距 2-2 煤层上方 32 m、193 m 和 297 m 处分别存在厚度为10 m 第一层砂岩组、28 m 第二层砂岩组和 320 m第三层砂岩组，其中第三砂岩组为该矿井的关键岩层，当该岩层出现悬顶时工作面冲击危险性将明显增大。2高位厚硬岩层力学模型依据营盘壕煤矿 2201、2202 工作面及上部高位厚硬岩层，建立四周固支的厚板力学模型，如图 2 所示。其中，x 轴是工作面走向推进方向，y轴是工作面倾斜方向，z 轴是垂直方向，原点 O位于厚板中面三轴交汇处，h 为厚硬岩层厚度，a为岩层走向悬露长度，b 为岩层倾向悬露长度，q为厚硬岩层所受均布载荷，H 为主关键层与煤层间距，LZ和 LQ为工作面沿走向和倾向的推进长度，为岩层破断角。基于符拉索夫理论9得到厚板弯曲微分方程组：图 1营盘壕 2202 工作面综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogramofYingpanhaoNo.2202 Face图 2高位厚硬岩层力学模型示意Fig.2 Mechanical model ofhigh thick hard rock stratum2x+1+v2yxx-xy()+14x(2)=5Gh6Dx-x()2y+1+v2xxy-yx()+14y(2)=5Gh6Dy-y()xx+yy-2=32Ghq x,()y（1）岩层岩性岩层柱状平均厚度/m覆盖层中粒砂岩细粒砂岩中粒砂岩细粒砂岩中粒砂岩细粒砂岩中粒砂岩细粒砂岩粉砂岩细粒砂岩砂质泥岩细粒砂岩粉砂岩砂质泥岩细粒砂岩砂质泥岩2-2 煤砂质泥岩83.4545573748454736374431344539303328632第三砂岩组第二砂岩组第一砂岩组320 m28 m10 mzxbqayaxbyqoho2202 工作面2201 工作面高中祥等：鄂尔多斯矿区高位厚硬岩层破断机理及响应规律29煤炭与化工2023 年第 5 期第 46 卷max=ts=6q115a2+4vab+vb2()521a2+1b2()2h2+6q11v1b2-1ab()25(1-v)1a2+1b2()式中：D 为抗弯刚度；E 为弹性模量；h 岩层厚度；x、y分别为 x、y 的转角；为泊松比；为挠度；G 为剪切变形模量；q 为均布载荷。当下部覆岩跨落后，可将高位厚硬岩层看作固支梁，其边界条件如下：将边界条件式（2）带入符拉索夫微分方程式（1）中，推导计算得到式（3）：由式（3）可知，高位厚硬岩层的破断将受岩石抗拉强度、岩层走向悬露长度 a、岩层倾向悬露长度 b、岩层厚度 h、上覆载荷 q、泊松比 等因素的影响。假设厚板模型在工作面沿走向方向长度为 LZ，在工作面沿倾向方向长度为 LQ，则厚硬岩层破断尺寸与开采空间尺寸对应关系如下：3高位厚硬岩层破断分析为得到营盘壕远场高位厚硬岩层的破断规律，根据营盘壕煤矿具体工程地质条件，将相关参数带入力学模型公式进行分析计算。通过分析营盘壕煤矿 地 质 测 量 数 据，得 到=4.68 MPa，=0.3，=65，h=320 m，q=11 180 kN/m2。2201 工作面开采时，LQ=300 m，根据岩层运动理论亦可知，此时工作面开采覆岩破坏高度（约为短边长度 1/2）10亦未波及高位厚硬岩层，岩层稳定性未受到明显影响。2201、2202 工作面开采时，双工作面倾向长度 LQ=600 m，此时工作面开采覆岩破坏高度开始波及高位厚硬岩层；由式（4）计算得 b=320 m；进一步代入式（3）得，厚硬岩层破断时走向长度a 为 260 m，相应的工作面走向长度为 540 m。综上分析可知，营盘壕煤矿 2201 工作面推采过程中，高位厚硬岩层不会发生破断；当 2202 工作面推采至 540 m左右时，会发生初次破断。当开采 2201 工作面时，工作面倾向长度仅为300 m，因为覆岩破裂高度为采空区短边长度的一半，高位厚硬岩层距离煤层 300 m，因此 2201 单工作面开采并未影响到高位厚硬岩层，此时工作面未受到高位厚硬岩层的能量冲击，工作面相对安全，大能量事件较少，如图 3 所示。在 2202 工作面开采之初，两个工作面采空区宽度将达到 600 m，但此时采空区范围较小，随着工作面推进，裂隙将发育至高位厚硬岩层，高位厚硬岩层逐渐起到支撑作用，由于其厚度较大、强度较高，易造成大范围的悬顶，但不会发生破断，集聚大量的弹性能，如图 4 所示。当继续回采 2202 工作面时，随着工作面持续推进，采空区范围变大，采空区上覆岩层逐渐垮落和破断，悬顶下部空间足够大，破坏范围发育至高位厚硬岩层，据计算结果推采至 540 m左右时，达到其极限破断强度，高位厚硬岩层发生破断并会释放大量能量，诱发大能量事件。大能量事件在该地区并不少见，能量冲击会对岩体造成扰动，岩体扰动极易发生冲击地压事故，尤其是开采之初，高位厚硬岩层的断裂对工作面会造成严重影响，如图 5所示。4微震规律分析在工作面推进过程中，高位厚硬岩层的损伤破x=0,x=a=0,yx=0,x=a=0,Myx=0,x=a=0（2）y=0,y=b=0,xy=0,y=b=0,Myy=0,y=a=0（3）LZ=a+2Hcot LQ=b+2Hcot（4）图 3高位厚硬岩层未被破坏时状态图Fig.3 State diagramofhigh thick and hardrock strata when not destroyed图 4高位厚硬岩层离层时状态图Fig.4 State diagramofhigh-level thickhard rock bed separation高位厚硬岩层推进方向煤层2201 工作面2202 工作面hzxy离层推进方向煤层2201 工作面2202 工作面hzxy高位厚硬岩层302023 年第 5 期E102102E103102E10能量/J10E1010E由表 1 可知，能量大于 105J 的矿震事件主要发生于工作面后方 100 m左右且分布在工作面进尺500700 m，即双工作面见方时，表明在此期间内高位厚硬岩层发生破断，厚硬岩层内的大量能量被释放，因此造成多次大能量事件。5结论（1）将营盘壕煤矿具体的工程地质条件带入建立的力学模型及公式，可以得到高位硬厚岩层在2201 工作面开采时不发生破断，2202 工作面开采时双工作面联合致动高位硬厚岩层发生破断。（2）当 2201 工作面开采时，岩层裂隙未发育至高位硬厚岩层；2202 工作面开采前期，双工作面倾向长度达到 600 m，开采影响到高位硬厚岩层，导致其大面积悬顶并积聚大量弹性能；当2202 工作面开采至双工作面见方时，高位硬厚岩层发生破断释放大量能量，此时大能量事件明显增多。（b）能量图 62202 工作面回采期间大能量矿震频次、能量占比Fig.6 No.2202 Face duringthe miningperiod oflarge energymine earthquake frequency,energyratio图 72202 工作面回采期间大能量事件（1105J 及以上）平面图Fig.7 No.2202 Face miningduringlarge energyevents(1105J and above)plan坏，必然会伴随着能量事件，因此有必要对营盘壕煤矿 2201、2202 工作面推进期间的能量事件进行监测。2201 工作面开采期间监测到的大能量事件主要受顶板断裂影响，此期间未影响到高位厚硬岩层，因此对 2202 工作面开采期间的大能量事件进行研究分析。2202 工作面自 2019 年 8 月 7 日开始回采，至2021 年 6 月 10 日期间，工作面推进约 1 317.8 m。因为高位厚硬岩层的破断会释放积聚的大量能量，因此为了更准确的研究高位厚硬岩层破断带来的影响，对此期间发生的大能量矿震（105J 以上）事件进行统计，并分析研究其规律。该期间共发生 22 次大能量事件，对大能量事件进行重新标定和能量计算，最终分析确定在2202 工作面推采期间因采掘影响引发的能量大于105J 以上的矿震共发生 21 次，占总频次的 0.14，能量占总能量的 27.59%，大能量矿震虽然发生频次低，但是其释放的总能量却高于低能量矿震，如图 6 所示。图 7 是 2202 工作面回采期间大能量事件的平面图。由图 7 可知，能量大于 105J 的矿震事件大多分布在工作面两巷、工作面见方与 2201 采空区二次见方，表明 2202 工作面开采过程中，裂隙逐渐向上发育至高位厚硬岩层，导致高位厚硬岩层大面积悬顶、断裂释放大量能量，造成大能量事件。图 5高位厚硬岩层破断时状态图Fig.5 State diagramofhigh thick and hardrock strata when breaking（a）频次推进方向煤层2201 工作面2202 工作面hzxy高位厚硬岩层6050403020100频次占比/%1.9258.8431.537.570.14频次占比/%E102102E103102E10能量/J10E1010E50403020100能量占比/%能量占比/%0.024.5821.3127.5946.52202 胶运顺槽2202 工作面2201 辅运顺槽2201 工作面2201 回风顺槽高中祥等：鄂尔多斯矿区高位厚硬岩层破断机理及响应规律31煤炭与化工2023 年第 5 期第 46 卷序号123456789101112131415161718192021日期2019/10/92019/10/272019/10/302019/10/312019/11/12019/11/212019/11/222019/11/242020/3/32020/3/32020/3/42020/3/162020/3/172020/3/272020/5/72020/5/72020/5/92020/5/122020/5/132020/5/132020/11/22能量3.19E+055.40E+051.19E+062.23E+051.43E+059.81E+053.56E+058.43E+052.94E+059.36E+053.07E+051.75E+053.09E+061.07E+058.57E+058.57E+051.51E+062.97E+062.87E+061.25E+065.34E+05发生位置2202 采空区2202 采空区2202 采空区2201 采空区2201 采空区2202 采空区2202 采空区2202 采空区2201 采空区2202 采空区2201 采空区2202 采空区2201 采空区2202 采空区2201 采空区2201 采空区2201 采空区2201 采空区2202 采空区2202 采空区2202 采空区距工作面距离/m-59.4-123.9-16297719.1-141.3-12.7-147120.3-10.3-146.6-259.5-83.5-118-85.4-88.7-95.6-276.4-369.5-227.1-7.8工作面进尺/m146.5228.0228.8236.8238.0281.2289.2302.6551.0551.0555.8617.9624.3682.0879.6879.6886.5897.6901.2901.21 049.4参考文献：1 蒋金泉，王普，武泉林，等.高位硬厚岩层弹性基础边界下破断规律的演化特征 J.中国矿业大学学报，2016，45（3）：490-499.2 蒋金泉，张培鹏，聂礼生，等.高位硬厚岩层破断规律及其动力响应分析 J.岩石力学与工程学报，2014，33（7）：1 366-1 374.3 蒋金泉，张培鹏，秦广鹏，等.高位主关键层破断失稳及微震活动分析J.岩土力学，2015，36（12）：3 567-3 575.4 姜福兴，刘懿，张益超，等.采场覆岩的“载荷三带”结构模型及其在防冲领域的应用 J.岩石力学与工程学报，2016，35（12）：2 398-2 408.5 张明，姜福兴，李克庆，等.基于厚硬关键层破断的地面震动损害边界研究J.中国矿业大学学报，2017，46（3）：514-520，536.6 张明.厚硬岩层矿井矿震与冲击复合动力灾害防控研究D.北京：北京科技大学，2017.7 王树立，张开智，蒋金泉，等.基于矿震活动规律的重复采动高位硬厚岩层冲击机制探讨 J.岩石力学与工程学报，2016，35（S2）：4 172-4 179.8 王树立，张开智，蒋金泉，等.超厚高位红层砂岩破断运动与矿震活动规律J.采矿与安全工程学报，2016，33（6）：1 116-1 122.9 何福保，沈亚鹏.板壳理论 M.西安：西安交通大学出版社，1993.10 姜福兴，杨淑华，XUN Luo.微地震监测揭示的采场围岩空间破裂形态J.煤炭学报，2003，28（4）：357-360.表 1 2202 工作面开采期间大能量事件（1105J 及以上）对应位置统计Table 1 No.2202 Face duringmininglarge energyevents(1105J and above)correspondingposition statistics table（上接第 27 页）进行了优化，使得沿空留巷在软岩顶底板条件下成功实施，提高留巷复用质量。（2）通过实施沿空留巷技术，减少了 1 条回采巷道，有效缓解了工作面接替紧张的问题，实现了“Y”型通风，解决了工作面隅角瓦斯问题。参考文献：1 杨绪鹏，刘万杰，毛鹏.薄煤层厚泥岩顶板自垮成巷技术应用与实践J.煤炭科学技术，2020（S2）：180-183.2 谭云亮，于凤海，宁建国，等.沿空巷旁支护适应性原理与支护方法J.煤炭学报，2016（2）：376-382.3 古际亮.切顶卸压沿空留巷无煤柱开采工作面支护技术研究J.煤炭与化工，2021（9）：35-37.4 郭建霖，周小刚，潘香宇.深井三软巷道沿空留巷巷道底鼓控制技术研究J.煤炭与化工，2017（7）：43-45，48.5 杨继龙，黄洪涛，路 耀.沿空留巷技术在软岩巷道的应用J.山东煤炭科技，2007（6）：32-33.32