红庆河矿典型工作面冲击地压灾变机理及防治.pdf

刘文超,赵毅鑫.红 庆河矿 典型 工 作 面 冲 击 地 压 灾 变 机 理 及 防 治 J.矿 业 科 学 学 报,2023,8(6):803-817.DOI:10.19606/ki.jmst.2023.06.007Liu Wenchao,Zhao Yixin.Mechanism and prevention of typical coal burst disaster at the working face of Hongqinghe coal mine J.Journal of MiningScience and Technology,2023,8(6):803-817.DOI:10.19606/ki.jmst.2023.06.007红庆河矿典型工作面冲击地压灾变机理及防治刘文超,赵毅鑫中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京 100083;煤矿灾害预防与处置应急管理部重点实验室,北京 100083;共伴生能源精准开采北京市重点实验室,北京 100083收稿日期:2023-06-02 修回日期:2023-09-15基金项目:国家自然科学基金(52225402,U1910206)作者简介:刘文超(1990),男,河南信阳人,博士研究生,主要从事冲击地压机理及预警防治等方面的研究工作。Tel:[phone],E-mail:通信作者:赵毅鑫(1977),男,河南洛阳人,博士,教授,博士生导师,主要从事冲击地压机理及预警防治等方面的研究工作。Tel:[phone],E-mail:zhaoyx 摘 要:针对深部高静载应力环境下采掘工作面局部应力集中导致煤岩动力事件频发的问题,以新街矿区红庆河矿采煤工作面为工程研究背景,结合工作面开采方式与采掘期间煤岩动力事件对 3-1煤层地质条件进行初步分析;运用数值模拟软件对工作面采动应力场和能量场进行模拟,分析 3-1103 综采面回采过程中采场潜在的易煤岩冲击失稳区域和冲击地压孕育-灾变机制,研究危险区域煤岩灾变力源、影响因素及防控措施。结果表明:3-1103 综采面回采期间顶板岩层结构、采空区、区段煤柱等是影响冲击地压的主要因素;模拟得到 3-1103 综采面回采期间采场易冲击失稳区域位置及特征,确定了采场范围内存在 5 个强冲击性和 11 个中等冲击性区域;提出了包括切断冲击力源、降低应力集中、阻隔高集中应力传递三个方面的采场高静载或高静载+动载区域分源防控技术,对煤岩冲击失稳危险区域回采前进行预先卸压、回采期间局部解危和防冲减冲处理。关键词:深采工作面;冲击失稳;坚硬厚顶板;应变能密度;高静载;动载中图分类号:TD 32 文献标志码:A文章编号:2096-2193(2023)06-0803-15Mechanism and prevention of typical coal burst disasterat the working face of Hongqinghe coal mineLiu Wenchao,Zhao YixinSchool of Energy and Mining Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China;Key Laboratory of Disaster Prevention and Disposal in Coal Mining,Ministry of Emergency Management,Beijing 100083,China;Beijing Key Laboratory for Precise Mining of Intergrown Energy and Resources,China University ofMining and Technology-Beijing,Beijing 100083,ChinaAbstract:This study aims to tackle the problem of frequent coal-rock dynamic events caused by localstress concentration in deep mining working face under high static stress environment.Specifically,bytaking the deep working face of Hongqinghe Mine located in Xinjie Mining Area as an example foranalysisthis paper investigates the geological conditions of No.3-1coal seam that are affected by themining method and the coal rock dynamic disaster events occurred during mining;utilizes numerical第 8 卷 第 6 期2023 年 12 月矿 业 科 学 学 报JOURNAL OF MINING SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.8 No.6Dec.2023simulation to simulate the mining stress field and energy field of the stope;analyzes the potential coalburst instability area and mechanism of coal burst gestation and catastrophe in the stope during themining of the No.3-1103 working face;probes into the sources of catastrophic stress and influencingfactors of coal-rock disasters in dangerous areas,puts forward targeted prevention and control meas-ures.Results show that:the roof strata structure,goaf and coal pillar are the key factors influencingcoal burst in the stope during the mining of the No.3-1103 working face;the simulation results in-dicatethe location and characteristics of the coal burst instability area in the stope of the No.3-1103working faces,as well as the simulation outlines 5 strong coal burst areas and 11 medium coal burstareas presented in the stope;Measures are proposed for coal burst during mining from the perspec-tive of cutting off the dynamic load source,reducing static load stress concentration,and blocking thetransmission of high concentration stress.Detailed measures include implementing multi-source pre-vention and control in areas with high static or high static+dynamic loads,implement pre-pressure off-load measures prior to mining,and local risk relief and coal burst prevention and reduction treatmentsduring mining.Key words:deep working face;coal burst;hard thick roof;strain energy density;high static;dynamic load 随着我国煤炭开采量与开采强度日益增大,浅部煤炭资源储量逐渐枯竭,煤炭开采重心逐渐从中东部向中西部转移,开采深度由浅部煤层逐渐转向深部煤层。部分煤矿生产面相继进入深部开采阶段1。深采工作面应力环境有明显变化,巷道变形破坏严重、支护困难、矿压显现强烈、煤岩动力灾害频发等一系列问题逐渐凸显2-7,因此研究深部采场煤岩冲击地压孕育-灾变机制及冲击地压灾害防控问题至关重要。国内外学者针对煤矿动力灾害进行了全面系统深入地研究并取得诸多成果。潘一山等8从我国冲击地压分布、类型、机理和防治等方面进行了整体论述;姜耀东等9-10总结了近年来我国在冲击地压机理与防治技术研究中的关键科学问题;齐庆新等11从理论、监测与预警装备、防治技术等方面系统阐述我国冲击地压研究取得的成绩;窦林名等12全面地阐述了冲击地压领域各方面研究与趋势以及冲击地压防治面临的难题。在理论方面,国内学者陆续建立诸多冲击地压理论:三准则理论13、变形系统失稳理论14、冲击地压“三因素”理论15、应力控制理论16、动静载 叠 加 诱 冲 理 论17-18、强 度 弱 化 减 冲 理论19-20、冲击启动理论21-22、冲击扰动响应失稳理论23-24,等等。在冲击地压预警与防治上,也构建了成熟完备的技术架构。袁亮等25-27提出了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警新理念与关键技术;齐庆新等2,28构建了深部煤矿开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构;潘俊峰等29提出了深部采场冲击地压动静载 荷 分 源 防 控 技 术;窦 林 名 等30、姜 福 兴等31、潘俊峰等32等构建了煤矿动力灾害风险智能判识与实时监测预警平台。采场煤岩冲击失稳是采掘引起覆岩结构改变、采场围岩应力环境变化、局部应力集中区域煤岩自发或被诱发灾变的结果。分析采场潜在易冲击失稳区域位置和冲击地压孕育-灾变机制,对冲击地压防控至关重要。新街矿区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗,矿区内分布了满来、红庆河、察哈素等大型矿井,部分矿井生产工作面埋深大、开采强度高,煤层顶板岩层厚度大、整体性好、强度大,煤层具有强冲击倾向性,采掘过程矿压显现剧烈,工作面安全生产受到严重威胁。本文以新街矿区红庆河矿采煤工作面为工程研究背景,结合工作面地质条件、开采方式及采掘过程煤岩动力灾害事件,运用现场调研、数值模拟等研究方法,对红庆河矿工作面采动应力场、能量场分布特征及其时空演化规律和采场冲击地压孕育-灾变机制进行重点研究,确定 3-1103 综采面回采期间采场潜在易煤岩冲击失稳区域位置并提出防控措施。1 工程概况红庆河矿3-1煤层平均埋深 718.6 m,平均厚度6.23 m,平均倾角 3。3-1101 综采面为 3-1煤层首804矿 业 科 学 学 报第 8 卷采面,3-1103 综采面为接续工作面,工作面倾向长度210.95 m,平均埋深 714.5 m,煤层倾角 1 3,煤层均厚 6.69 m,均采用长壁后退式一次采全高采煤方法,采用自然垮落法处理采空区顶板。据巷道揭露,工作面区域构造分布较少,仅 3-1101 综采面开切眼处受 NF14 断层影响,3-1103 综采面在距开切眼 150 m 处和终采区分别受 NF18、NF17 两条断层影响。根据地质资料,3-1101 综采面煤层直接顶为均厚 13.04 m 的砂质泥岩-粉砂岩,基本顶为均厚58.66 m 的细粒砂岩-中砾岩。3-1101 综采面回采期间,3-1103 工作面辅运巷发生严重冲击变形,在距辅运巷30 m 处重掘3-1103 工作面辅运巷,双工作面间被中间旧辅运巷分割为两段宽度 30 m的煤柱,两辅助运输巷之间设有联络巷。工作面及巷道布置如图1 所示。在3-1103 工作面辅助运输巷反掘过程中,受3-1101 采空区侧向支承压力影响曾发生典型冲击地压事故,表现为巷道瞬间顶板下沉、片帮、底鼓、锚杆锚索崩断等动力现象。图 1 工作面及巷道布置Fig.1 Working face and roadway layout2 工作面冲击地压初步分析结合红庆河矿 3-1101、3-1103 综采面地质条件、开采方式及生产过程中煤岩动力灾害事件,对该煤层冲击地压孕育-灾变机制进行初步分析。(1)煤岩物理力学性质。煤体及坚硬厚顶板岩石强度大且煤层具有强冲击倾向性,3-1煤层平均埋深 700 m,采掘工作面始终处于高静载应力环境,局部应力集中,为煤岩冲击失稳提供了条件。(2)巷道布置、区段煤柱留设。双工作面间辅运巷与联络巷破坏了区段煤柱的整体性,改变邻空巷道和巷道交叉处围岩应力环境,加剧区域煤岩高静载应力集中。顶底板对区段煤柱“夹持”且受3-1101 采空区侧向支承压力和本工作面支承压力的叠加影响,局部高静载区域应力水平达到临界载荷自发形成压缩型冲击地压;应力水平未达到或接近临界载荷时,顶板断裂冲击动载或顶板断裂扰动动载作用下诱发煤岩发生冲击地压。(3)坚硬厚顶板、断层构造。3-1103 综采面终采区受 NF17 断层影响,断层构造的存在造成区域应力异常及煤岩破碎。区域构造应力、煤岩残余应力与采动应力相互叠加,断层内积聚大量弹性能,采掘工作面临近揭露或外界扰动诱发断层失稳滑移或活化释放弹性能,进而诱发冲击地 压。3-1103 综 采 面 煤 层 直 接 顶 均 厚13.04 m,基本顶均厚 58.66 m,回采初期坚硬厚层顶板难破断易悬顶聚能,造成采场围岩应力集中,局部煤岩处于高静载应力状态;基本顶初次、周期来压、工作面“见方”期间,坚硬厚层顶板断裂冲击动载或顶板断裂扰动动载作用于采场围岩,导致煤岩应力、能量激增进而诱发冲击失稳。(4)工作面采高大、机械化程度高。3-1煤层均厚 6.23 m,一次采全高采掘空间大,3-1103综采面在充分采动过程,远场高位坚硬顶板断裂扰动、工作面或区段煤柱结构失稳等因素导致采场覆岩空间稳定平衡结构向高位转移运动,上覆岩层历经“平衡失稳再平衡”的演化,顶板岩梁大范围运移弹性能充分释放,造成工作面冲击破坏。3-1103 综采面煤岩动力灾害如图 2 所示。805第 6 期刘文超等:红庆河矿典型工作面冲击地压灾变机理及防治图 2 3-1103 综采面煤岩动力灾害示意Fig.2 Analysis of strata structure and load before initial fracture of hard roof 红庆河矿是新街矿区典型的冲击地压矿井之一,研究其冲击地压灾害防控问题至关重要。通过对该煤层地质条件进行初步分析可以判断,顶板岩层结构、采空区、区段煤柱等均是影响冲击地压的主要因素。冲击地压灾害防控关键在于确定采场潜在易冲击失稳区域,因此需要重点了解采场可能发生冲击地压类型、冲击地压孕育-灾变机制及灾变力源,对冲击失稳危险区域进行分源防控治理。3 采场冲击地压孕育-灾变机制3.1 单工作面采场冲击地压孕育-灾变机制3-1101 综采面为首采面,采掘期间生产工作环境相对良好,但 3-1煤层埋深大,处于高静载应力环境,坚硬厚顶板悬顶蓄能加剧采场围岩应力集中,采场围岩高静载应力区域易发生以高静载或高静载+动载为主导作用的冲击破坏。因此,研究采场围岩高静载应力区域位置及特征至关重要。3.1.1 采场围岩应力、能量分布特征模拟(1)数值模型的建立。采用 FLAC3D软件对3-1101、3-1103 综采面回采期间采场围岩应力、能量分布及演化进行模拟。根据红庆河矿 3-1煤层地质条件及覆岩特征,模型长宽高设置为 700 m600 m450 m,模型边界采用位移边界混合应力边界,设置模型下部边界为固定支座,模型左右两边、前后两边边界为滚动支座,简化为位移边界条件固定约束模型边界位移;在模型顶部施加 11.36 MPa的均布载荷模拟覆岩荷载;工作面两侧预留 100 m保护煤柱以消除模型边界对应力传递的影响;计算中选取应变软化模型,模拟中随着塑性应变的产生通过分段线性函数定义煤岩内聚力和内摩擦角衰减来简化近似材料屈服后的曲线;参考新街矿区红庆河矿煤层顶底板岩石力学试验数据,确定模拟计算中岩石力学参数(表 1);模型内布置 3-1101、表 1 岩石物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock岩性弹性模量/GPa抗压强度/MPa抗拉强度/MPa内聚力/MPa泊松比内摩擦角/()密度/(kgm-3)残余内聚力/MPa残余内摩擦角/()塑性应变/%中粒砂岩0.5152.22.6714.50.2342 5954.35300.01细粒砂岩0.2857.5324.80.16292 5624.80240.01粉砂岩0.5653.7415.30.3382 6223.80320.013-1煤0.3532.61.220.80.25151 4200.15100.01砂质泥岩0.34341.617.030.29322 5861.20280.01中砾岩0.5152.22.6714.50.2342 5954.06300.01细砾岩0.2857.5324.80.16292 5623.72250.01806矿 业 科 学 学 报第 8 卷3-1103 综采面、回风与运输巷道,巷道断面按现场实际情况设为矩形,如图 3(a)所示。模拟工作面动态回采,在预开挖工作面中心位置与采空区侧平行工作面布置监测线,监测回采过程中工作面采动应力、能量变化。工作面监测线布置如图 3(b)所示。图 3 3-1101 和 103 工作面数值模型和监测线布置Fig.3 Numerical model and monitoring line layout of NO.3-1101 and NO.3-1103 working surface (2)采场围岩静载荷与应变能分布特征。通过内置 FISH 语言提取 3-1101 综采面回采期间采场围岩应力场、能量场相关参数,经处理得到采场各阶段采动应力、能量分布形态。模拟显示,3-1101 综采面采掘过程中采场及巷道周围煤岩均出现不同程度的应力集中和能量积聚。采场高静载区域主要分布在工作面煤壁前方Q、工作面端头 Q、区段煤柱 Q及回采巷道 Q区,区域内煤岩应力与应变能值较高、等值线密集且梯度值较大,均是采场潜在易冲击失稳区域。3-1101 综采面回采过程中采场应力、能量三维空间分布形态如图 4(a)(b)所示。3.1.2 工作面煤岩体失稳诱冲机制分析3-1101 综采面回采过程中工作面近场煤岩冲击地压有两大类:(1)以高静载为主导的煤岩压缩型冲击地压。807第 6 期刘文超等:红庆河矿典型工作面冲击地压灾变机理及防治图 4 3-1101 工作面采场采动应力场、能量场相关参数Fig.4 Parameters related to mining stress field and energy field in the stope of NO.3-1101 working face这类冲击地压在顶板未破断情况下,采场与巷道围岩原岩应力高,采掘活动造成顶板悬顶聚能以及顶底板对煤层的“夹持”加剧了采场围岩应力集中;在顶板破断情况下顶板悬臂梁结构跨度大、工作面推进速度过快或工作面支架初撑力偏低等均可导致工作面煤壁前方煤体应力和能量增加。模拟显示 3-1101 综采面回采期间工作面煤壁前方垂直应力峰值 max在 29.5 46.8 MPa,应力集中系数 K(工作面煤壁前方应力峰值与其初始应力值之比)在 1.64 2.61;能量密度峰值 vmax在 1.08 2.55 MJ/m3,能量密度集中系数 K1(工作面前方煤体能量密度峰值与其初始能量密度值之比)在1.74 4.12。分析表明,3-1101 综采面煤壁前方应力、能量积聚梯度值逐渐减小,与工作面推进距离呈正相关关系,如图 4(c)(d)所示。高静载应力状态下,煤岩自身应力、能量累计值达到灾变临界点或受到外界扰动时,自发形成冲击地压。(2)以坚硬厚顶板破断引起的动载为主导的顶板断裂冲击型和扰动型冲击地压。顶板断裂型冲击地压,主要发生在坚硬厚顶板初次、周期破断过程中,顶板断裂或结构失稳时形成强烈冲击载荷;与此同时,断裂顶板振动对下部煤岩循环加卸载,高应力集中区域煤体急剧压缩反弹处于非稳定平衡状态进而失稳灾变。顶板扰动型冲击地压,主要发生在坚硬厚顶板初次、周期破断及工作面“见方”过程中,从破坏力、影响范围及危险程度主要分为远场-近场联动致灾单一型和复合型灾变:单一型灾变是指采场厚硬顶板断裂产生矿震在近场围岩处形成扰动动载,远场-近场联动区域煤岩动静载叠加诱发冲击地压。这类冲击破坏力较强,影响范围较广,具有较大的危险性。复合型灾变主要由于单一型灾变冲击破坏造成采场围岩结构破坏失稳,导致采场上覆岩层空间稳定平衡结构向高位转移运动,顶板岩层大范围运移弹性能充分释放形成强烈扰动动载,引起采场更大范围的冲击破坏。这类互馈连锁灾变失稳对采场冲击破坏力更强,影响范围更广,具有极大的危险性。分析得出:3-1101 综采面回采期间工作面潜在易冲击失稳区域主要分布在工作面前方 Q、工作面端头 Q及回采巷道 Q。3.1.3 工作面侧向煤岩体失稳诱冲机制分析3-1101 综采面侧向覆岩结构如图 5 所示。工808矿 业 科 学 学 报第 8 卷作面回采过程中基本顶初次来压形成“O-X”破断,基本顶周期破断后在工作面推进方向形成砌体梁结构,采空区侧向形成悬臂梁结构,悬臂梁受上覆载荷及自重作用向采空区方向旋转、平移、下沉直至破断形成砌体梁结构,随着采空区逐渐压实趋于稳定。破断弧形三角块体自重及其上覆载荷作用于区段煤柱上,煤体受载压缩出现损伤破坏。模拟显示,临空侧区段煤柱损伤破坏较严重,但其内部仍存在弹性应力核。图 5 单工作面侧向覆岩结构Fig.5 The overburden structure of single working face3-1101 综采面回采过程中,侧向区段煤柱和邻空巷道围岩受 3-1101 采空区侧向支承压力影响,区段煤柱内部弹性应力核起支撑作用,辅运巷与联络巷破坏了区段煤柱整体性及巷道交叉处应力场,使区段煤柱和邻空巷道围岩处于高应力集中状态,在开采扰动影响下煤柱结构失稳危险性增大。模拟显示,3-1101 综采面回采过程中区段煤柱 U、U区垂直应力分布均呈双峰状,如图 6(a)所示;其垂直应力峰值 max在 23.0 57.2 MPa,应力集中系数 K 在 1.28 3.19;能量密度峰值 vmax在 0.75 3.72 MJ/m3,能量密度集中系数 K1在 1.21 6.00。回采过程中区段煤柱 U、U区应力、能量均随工作面推进不断累积,但应力集中和能量积聚梯度值逐渐减小,如图 6(b)(c)所示。区段煤柱应力峰值较工作面高 22.2%,能量密度峰值较工作面高45.9%,邻空区段煤柱 U区与邻空巷道均处于高应力集中状态,煤岩自身应力、能量累计值达到灾变临界点或受外界扰动极易引发冲击失稳。这也解释了在 3-1103 工作面旧辅助运输巷反掘过程中,巷道发生瞬间顶板下沉、片帮、底鼓、锚杆锚索崩断等典型冲击地压事故的原因。图 6 区段煤柱垂直应力、能量变化曲线Fig.6 Variation curve of vertical stress and energy of coal pillar809第 6 期刘文超等:红庆河矿典型工作面冲击地压灾变机理及防治 采场侧向区段煤柱在顶板周期破断及工作面“见方”过程中,侧向悬臂梁结构断裂和远场顶板断裂扰动动载作用于区段煤柱及邻空巷道围岩,动静载叠加诱发灾变失稳;其次,区段煤柱及其上覆坚硬厚层顶板结构失稳引起采场覆岩大结构失稳释放强烈动载,进而反作用“激活”其他高静载区域处于非稳定平衡状态发生连锁失稳灾变,潜在易冲击失稳区域主要分布在区段煤柱 Q与回采巷道 Q区。3.2 双工作面采场冲击地压孕育-灾变机制3-1103 综采面为 3-1101 综采面相邻工作面。3-1103 综采面回采期间采掘工作面、区段煤柱及邻空巷道围岩受 3-1101 采空区影响,与本工作面超前支承压力叠加,应力环境更加复杂,加剧了采场围岩应力集中,工作面环境相对较差,采场发生冲击失稳危险性较 3-1101 综采面更大。3.2.1 采场围岩静载荷与应变能分布特征3-1103 综采面回采前 3-1101 综采面已回采完毕,为还原采场周边实际力学环境,按照3-1101 综采面开切眼开挖直至其采空区充分采动压实、采场覆岩结构平衡稳定后,再进行 3-1103 综采面模拟开挖回采。通过提取3-1103 综采面回采期间采场围岩应力场和能量场的相关参数,经处理分析得到采场各阶段采动应力、应变能分布形态。模拟显示,3-1103 综采面采掘过程中采场边界、区段煤柱及邻空巷道围岩均出现较严重损伤破坏;工作面煤壁前方 Q、区段煤柱 Q、工作面端头 Q及回采巷道 Q区煤岩应力与能量、等值线密集度及梯度值较 3-1101 综采面均明显增大,是采场潜在易煤岩冲击失稳区域。3-1103 综采面回采过程中采场应力、能量三维空间分布形态如图 7(a)(b)所示。图 7 3-1103 工作面采场采动应力场、能量场相关参数Fig.7 Parameters related to mining stress field and energy field in the stope of NO.3-1103 working face3.2.2 工作面煤岩体失稳诱冲机制分析3-1103 综采面冲击失稳类型和冲击地压孕育-灾变机制与3-1101 综采面类似,其所处应力环境较3-1101 首采面相对复杂。模拟显示,工作面煤壁前方垂直应力峰值 max在 31.2 50.0 MPa,应力集中系数 K 在 1.74 2.78;能量密度峰值 vmax在810矿 业 科 学 学 报第 8 卷1.19 2.87 MJ/m3,能量密度集中系数 K1在 1.92 4.63,如图 7(c)(d)所示。3-1103 综采面应力峰值最大值较 3-1101 综采面高 6.8%,能量密度峰值最大值较 3-1101 综采面高 12.5%。因此,3-1103 综采面较 3-1101 综采面更易发生煤岩冲击失稳。在坚硬厚顶板周期破断及单、双工作面“见方”过程中,采空区顶板未充分垮落,双工作面上覆岩层结构呈非对称“T”型,工作面近场煤体冲击破坏导致单工作面结构失稳演化形成双工作面大结构,期间双工作面采场顶板岩层大范围剧烈运动形成强烈扰动动载,引发破坏力更强、影响范围更广、危险性更大的冲击破坏。3-1103 综采面回采期间潜在易冲击失稳区域主要分布在工作面煤壁前方 Q、区段煤柱 Q、工作面端头Q区。3.2.3 工作面侧向煤岩体失稳诱冲机制分析3-1103 综采面侧向覆岩结构如图 8 所示。区段煤柱两侧采空,采场两侧破断弧形三角块体自重及其上覆载荷全部作用于双工作面间区段煤柱。模拟显示区段煤柱及邻空巷道围岩均出现较严重的损伤破坏,但其内部仍存在弹性应力核。图 8 双工作面侧向覆岩结构Fig.8 The overburden structure of double working face 工作面侧向煤岩体冲击失稳类型和冲击地压孕育-灾变机制与 3-1101 综采面类似。模拟显示,3-1103 综采面回采过程中区段煤柱 U、U区垂直应力均呈现双峰状分布,如图 9(a)所示;其垂直应力峰值 max在 31.7 73.9 MPa,应力集中系数K 在 1.97 4.11;能量密度峰值 vmax在 1.22 6.14 MJ/m3,能量密度集中系数 K1在 2.40 9.90,如图9(b)(c)所示。两侧采空加剧了区段煤柱应力集中,两侧采空时区段煤柱应力峰值较一侧采空时高 29.2%,能量密度峰值较一侧采空时高65.1%,区段煤柱及邻空巷道围岩均处于高应力集中状态,在坚硬厚顶板初次、周期破断及单、双工作面“见方”过程中,极易引发破坏强度大的冲击地压。图 9 区段煤柱垂直应力、能量变化曲线Fig.9 Variation curve of vertical stress and strain energy density of coal pillar811第 6 期刘文超等:红庆河矿典型工作面冲击地压灾变机理及防治4 工作面冲击失稳危险区域及防控4.1 工作面冲击失稳危险区域潜在危险区域应力和能量主要受到顶板岩层结构、采空区、区段煤柱、联络巷等因素影响。在对采场可能发生冲击地压类型、冲击地压孕育-灾变机制及灾变力源的研究基础上,结合工作面的巷道布置及地质条件,对3-1103 综采面强冲击失稳危险区域进行分析:(1)工作面顶板初次、周期来压、单面“见方”及与邻近工作面形成双面“见方”期间受坚硬厚顶板断裂或滑移失稳、覆岩结构运动程度加剧等因素影响都是强冲击危险性区域。(2)终采线附近采空区悬顶面积较大,采场遗留煤柱易形成孤岛煤柱,多应力相互叠加局部易高应力集中区域是强冲击危险性区域。(3)区段煤柱采掘期间受 3-1101、3-1103 采空区侧向支承压力、本工作面超前支承压力的叠加影响,应力环境复杂,始终处于高应力集中状态是强冲击危险性区域。(4)邻空巷道、联络巷及巷道交叉处围岩应力场更加复杂,采动影响下区域煤岩冲击失稳可能性较大,是强冲击危险性区域。根据以上对 3-1103 综采面潜在冲击失稳区域影响因素以及发生冲击地压的能力进行分析,将采场所有潜在冲击失稳区域位置与冲击失稳危险程度进行叠加,最后确定 3-1103 综采面回采期间冲击失稳危险区域 16 个,其中强冲击性区域 5 个,中等冲击性区域 11 个(表 2,图 10)。表 2 3-1103 综采面回采期间潜在易冲击失稳危险区域Table 2 Potential impact instability hazard areas during No.3-1103 working face mining巷道名称编号危险等级局部影响因素易冲击失稳区域冲击地压类型冲击力源运输巷道A1中等冲击工作面初次来压Q、Q 煤体压缩型;顶板断裂冲击型 静载;静载+冲击动载(近场顶板断裂或失稳)A2中等冲击单工作面见方Q、Q 顶板断裂冲击型和扰动型 静载+冲击动载(近场顶板断裂或失稳);静载+扰动动载(远场顶板断裂震动)A3中等冲击双工作面见方Q、Q 顶板断裂冲击型和扰动型 静载+冲击动载(近场顶板断裂或失稳);静载+扰动动载(覆岩结构大规模运动)A4中等冲击联络巷Q、Q 煤体压缩型;顶板断裂扰动型 静载;静载+扰动动载(远场顶板断裂震动)A5中等冲击DF6 断层Q、Q煤 体 压 缩 型;断层型 静载;静载+扰动动载(断层滑移失稳或活化)A6中等冲击工作面停采线Q、Q 煤体压缩型;顶板断裂冲击型 静载;静载+冲击动载(近场顶板断裂或失稳)辅运巷道B1强冲击工作面初次来压;采空区侧向应力Q、Q、Q 煤体压缩型;顶板断冲击裂型 静载;静载+冲击动载(近场顶板断裂或失稳)B2中等冲击采空区侧向应力Q、Q、Q 煤体压缩型;顶板断裂冲击型 静载;静载+冲击动载(近场顶板断裂或失稳)B3强冲击工作面单面见方;采空区侧向应力Q、Q、Q 煤体压缩型;顶板断裂冲击型和扰动型 静载;静载+冲击动载(近场顶板断裂或失稳);静载+扰动动载(远场顶板断裂震动)B4中等冲击采空区侧向应力Q、Q、Q 煤体压缩型;顶板断裂冲击型 静载;静载+冲击动载(近场顶板断裂或失稳)B5强冲击双工作面见方;采空区侧向应力Q、Q、Q 煤体压缩型;顶板断裂冲击型和扰动型 静载;静载+冲击动载(近场顶板断裂或失稳);静载+扰动动载(覆岩结构大规模运动)B6中等冲击采空区侧向应力Q、Q、Q 煤体压缩型;顶板断裂冲击型 静载;静载+冲击动载(近场顶板断裂或失稳)B7强冲击联络巷;采空区侧向应力Q、Q、Q 煤体压缩型;顶板断裂冲击型 静载;静载+冲击动载(近场顶板断裂或失稳)B8中等冲击采空区侧向应力Q、Q、Q 煤体压缩型;顶板断裂冲击型 静载;静载+冲击动载(近场顶板断裂或失稳)B9强冲击工作面停采线;采空区侧向应力Q、Q、Q 煤体压缩型;顶板断裂冲击型 静载;静载+冲击动载(近场顶板断裂或失稳)B10中等冲击采空区侧向应力Q、Q 煤体压缩型;顶板断裂冲击型 静载;静载+冲击动载(近场顶板断裂或失稳)812矿 业 科 学 学 报第 8 卷红色代表工作面具有强冲击性;黄色代表中等冲击性;绿色代表弱冲击性图 10 3-1103 综采面冲击危险区域Fig.10 Impact danger area of No.3-1103 working face4.2 深采工作面煤岩冲击失稳防控4.2.1 采场煤岩冲击失稳防控分析为了有效防御深部高应力采掘工作面冲击地压危害,降低局部区域煤岩应力集中程度,控制煤岩能量积聚释放率,应从切断冲击力源、降低应力集中、阻隔高集中应力传递三个方面对采场冲击失稳危险区域进行分源防控治理。剔除采场初始及以下应力值、能量密度值后,工作面应力、能量密度分布如图 11 所示。3-1103综采面高静载应力集中区主要分布在区段煤柱V、V、V区和邻空侧工作面,高能量积聚区主要分布在 M、M、M区和邻空侧工作面,顶板悬顶长度和区段煤柱是影响该区域应力和能量的主要因素。3-1103 综采面冲击失稳主要由高静载应力区域煤岩自发或受坚硬厚顶板破断和采场覆岩结构演化引起的扰动动载诱发灾变的结果。因此,可以通过以下措施进行防控治理:(1)改变 3-1103 综采面和区段煤柱上方顶板条件,改善区段煤柱、邻空巷道和工作面前方煤体应力环境。(2)缩短 3-1103 综采面及采空区侧向悬臂梁结构跨度,改变区段煤柱及工作面煤体结构降低区域应力集中。(3)回采期间通过削弱断层地质构造影响、控制工作面推进速度、优化工作面支架工作阻力等途径降低采场静载。(4)减小来压步距,降低顶板断裂垮落或失稳滑移产生的冲击动载;避免覆岩结构整体失稳,减弱覆岩结构大规模运动造成的危害等途径减小采场扰动动载。图 11 3-1101 和 103 工作面采场围岩应力、能量分布Fig.11 Stress and energy distribution of NO.3-1101 and NO.3-1103 working surface4.2.2 现场煤岩冲击失稳防控措施3-1103 综采面现场实施冲击失稳防控措施主要有:813第 6 期刘文超等:红庆河矿典型工作面冲击地压灾变机理及防治(1)工作面回采前预卸压。3-1103 工作面辅助运输巷内划定的强冲击及中等冲击危险区域回采帮和煤柱帮超前工作面 300 m 进行大直径钻孔卸压。卸压钻孔直径为153 mm,回采帮侧和煤柱帮钻孔深度分别为 15 m、16 m,钻孔单排布置于煤层中且与巷帮垂直,距巷道底板高度为1.5 m,强冲击和中等冲击危险区域钻孔间距分别为 1 m、2 m。现场实施大直径钻孔卸压参数见表 3。表 3 现场实施大直径钻孔卸压相关参数Table 3 Pressure relief parametersof large diameter drilling位置间距/m长度/m角度/()孔径/mm布置方式距底板/m封孔长度/m煤柱帮强冲击时为 1中等冲击时为 216垂直巷帮3 5仰角153单排 1.2 1.53回采帮强冲击时为 1中等冲击时为 215垂直巷帮3 5仰角153单排 1.2 1.53 3-1103 工作面辅助运输