厚煤层综放工作面外错区冲击危险分析与防治.pdf

书书书第 卷第 期煤炭科技 年 月 收稿日期：；：作者简介：曹海涛（），男，江苏海安人，高级工程师，年毕业于中国矿业大学，主要从事煤矿安全生产技术管理工作。引用格式：曹海涛 厚煤层综放工作面外错区冲击危险分析与防治 煤炭科技，（）：，（）：文章编号：（）厚煤层综放工作面外错区冲击危险分析与防治曹海涛（陕西郭家河煤业有限责任公司，陕西 宝鸡 ）摘要：为保证厚煤层综放工作面切眼外错区域的安全回采，以郭家河 工作面为工程背景，采用数值模拟研究了切眼外错区域工作面前方以及区段宽煤柱中的应力分布规律。研究结果表明，工作面回采至 切眼前后，外错区域及 采空侧的宽煤柱中应力水平较高，煤柱中垂直应力呈“双峰”分布状态，煤柱中存在稳定的弹性区，能够满足护巷与防冲要求。基于冲击危险的应力判别法，对切眼外错区域进行了冲击危险预测，据此提出了大直径卸压钻孔、煤体注水、煤体爆破等卸压防冲措施，为工作面外错区域安全回采提供技术支撑。关键词：厚煤层；综放工作面；冲击地压；宽煤柱；外错中图分类号：文献标志码：（，）：，：；：冲击地压是典型的煤岩动力灾害，具有突发性、震动性、破坏性与复杂性的特点，常常造成井巷严重破坏甚至是人身伤亡事故 。深部煤层赋存原岩应力大，厚煤层回采扰动应力及影响范围大，易导致回采期间面临矿压显现强烈与冲击现象的发生 。而不合理的开采布局和地质构造均会造成采场附近静载过高，增大采掘空间的冲击危险性 ，其中区段宽煤柱与切眼外错布置是造成冲击地压显现的重要因素 。郭家河煤矿 工作面与相邻工作面切眼外错布置，并且留设 宽的煤柱，该工作面回采期间切眼外错区及宽煤柱中的垂直应力集中可能会成为主导冲击的载荷源 。因此，需要开 年第 期煤炭科技第 卷展回采期间切眼外错区与宽煤柱中的应力演化规律研究，从而指导冲击危险区域划分和冲击地压防治方案设计。工程背景郭家河煤矿 综放工作面位于盘区西翼，工作面北侧为 综放工作面（区段煤柱宽 ），南侧靠近矿井边界，西侧靠近矿井边界，东侧为未开采区，工作面布置如图 所示。工作面开采深度为 ，平均倾斜长 、走向长 。开采煤层为侏罗系中统延安组 号煤层，煤厚 ，平均煤厚 ，煤层倾角为 ，平均 ，属于较稳定的厚煤层，具有弱冲击倾向性（表 ）。图 工作面布置示意 表 煤冲击倾向性综合鉴定结果 弹性能指数单轴抗压强度 冲击能指数动态破坏时间 综合评价 弱冲击倾向性工作面基本顶为细粒砂岩，平均厚度为 ，灰绿色，成分主为石英，次为长石，分选中等，次棱角状，中部夹同色砂质泥岩薄层；直接顶为炭质泥岩，平均岩厚 ，黑色，薄层状，泥质结构，水平层理发育，易风化，易碎，含炭质。直接底为砂质泥岩，平均岩厚 ，灰色深灰色，块状，砂泥质结构，砂质含量较高，易风化，易碎，夹同色泥岩条带；基本底为细粒砂岩，平均岩厚 ，深灰色，灰黑色，砂岩成分以石英、长石为主，次圆状，分选中等，见炭屑，水平层理发育。煤层顶板具有弱冲击倾向性，底板无冲击倾向性（表 ）。表 煤顶底板冲击倾向性综合鉴定结果 类型岩层厚度 抗拉强度 弹性模量 单位宽度上覆岩层载荷 弯曲能量指数 鉴定结果类型名称煤顶板 类弱冲击倾向性煤底板 类无冲击倾向性 外错区域应力分布规律 数值模型与方案 采空区与 工作面之间留设 区段煤柱，开切眼外错 开切眼 。以 工作面以及相邻的 采空区为对象，运用 数值模拟软件建立三维计算模型，模拟 工作面推进过 采空区切眼（即外错区域）阶段煤层中应力分布特征。考虑到工作面开挖覆岩影响范围、围岩变形的协调性以及数值模拟计算方便，确定模型尺寸为 。其中，轴为工作面推进方向，轴为工作面倾向方向，轴为垂 直地层方向，模型共划分了 个单元和 个节点；模型四周边界为双约束边界，下部 年第 期曹海涛：厚煤层综放工作面外错区冲击危险分析与防治第 卷边界为全约束边界，即水平和垂直方向均固定，上部边界为自由边界；模型共模拟 层煤岩层。模拟 煤沿 方向布置 个工作面（工作面和 采空区），考虑计算效率同时不改变对研究结果的趋势影响，对工作面尺寸进行简化。工作面模拟倾向长 、走向长 ；采空区尺寸模拟走向长 、倾向长 。模型中两工作面切眼相距 ，工作面和放水巷间距离为 。根据矿井地质资料，地层综合柱状如图 所示，选取的煤岩体力学参数见表 。图 地层综合柱状 三维数值计算采用莫尔库仑（）屈服准则描述煤岩体的破坏行为：槡（）式中，为屈服函数；、分别为最大和最小主应力；、分别为黏聚力和内摩擦角。表 煤岩体力学参数 岩性体积模量 剪切模量 黏聚力 内摩擦角（）抗拉强度 密度（）砂质泥岩 粗砂岩 泥岩 煤 粉砂岩 当 时，材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下，岩体的抗拉强度很低，可根据抗拉强度准则（）判断岩体是否产生拉破坏，为抗拉强度。破碎岩体在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的关系采用库仑准则表示，即：（）式中，、分别为剪切面上的剪应力和正应力。应力演化特征 工作面推进至 时，超前支承压力分布如图 所示。图 工作面推进至 超前支承压力分布 年第 期煤炭科技第 卷由图 可以看出，工作面超前支承压力峰值 ，支承压力峰值距煤壁约 ，应力集中系数 ，支承压力影响范围为超前工作面 。工作面与 采空区之间的区段煤柱上最大垂直应力约 ，应力集中系数 ，峰值位于煤柱中部。工作面推进至与 开切眼齐平位置时，超前支承压力分布曲线如图 所示。由图 可见，工作面与 采空区形成的直角区域，区段煤柱中应力较高；受 采空区影响，工作面超前支承压力峰值达到 ，支承压力峰值距煤壁约 ，应力集中系数 ，应力集中范围约 。此时，工作面与 采空区间的区段煤柱上最大垂直应力达到 ，应力增高系数 ，峰值位于煤柱中部。图 工作面推进至 切眼时超前支承压力分布 不同阶段 工作面前方与后方区段煤柱应力范围见表 。从表 可以看出，在 工作面接近 开切眼时，外错区域区段宽煤柱中应力集中程度较大；回采 后，外错区域区段煤柱中垂直应力降低。可见，工作面接近 开切眼时，区段煤柱受到 工作面侧向支承压力和 采空区后方支承压力叠加，导致区段煤柱应力集中程度高；工作面越过外错区域后，区段煤柱受两侧采空区影响，煤体塑性破坏加剧，承载能力降低，应力集中程度显著减小，支承压力向工作面前方煤柱中转移。表 不同阶段 工作面前方与后方区段煤柱应力范围 推进阶段 工作面后方煤柱应力范围 集中系数 工作面前方煤柱应力范围 集中系数推进 推进 推进 工作面区段煤柱中沿倾向的垂直应力分布如图 所示。从图 可以看出，区段煤柱在 回采与 采空区作用下，煤柱中垂直应力呈“双峰”分布，煤柱中部超过 区域的应力叠加程度低，应力峰值靠近煤壁。因此，煤柱中存在稳定的弹性区，能够满足护巷与防冲要求。图 区段煤柱中倾向垂直应力演化曲线 外错区域冲击危险分析由以上模拟可知，开切眼外错区域靠近采空区附近工作面周围煤岩体的应力集中程度高，应力集中系数可达 以上，根据文献 提出的“冲击危险评价的相对应力集中系数叠加法”，煤体冲击临界应力主要与煤体力学性质有关。煤的单向抗压强度大于 ，煤体发生冲击地压的最小应力为 。煤的单向抗压强度小于 ，煤体发生冲击地压的最小应力为 。煤的单向抗压强度处于 时，发生冲击地压的最小应力为 。年第 期曹海涛：厚煤层综放工作面外错区冲击危险分析与防治第 卷由表 可知，煤的单轴抗压强度为 ，小于 ，因此发生冲击地压的最小应力为 。工作面回采后，切眼外错区域以及区段煤柱中的最大垂直应力为 ，此应力高于自重应力，但小于 ，可以判定具有弱冲击危险。同时，由模拟可知，外错区域支承压力影响范围约为 ，推进至 切眼后，其支承压力影响范围为 。因此，接近 切眼 时，进入显著影响区域，需要进行冲击危险监测与防治。工作面推过 切眼后，工作面前方 范围为冲击危险重点监测与防治区域。切眼外错区域冲击危险卸压措施 超前预卸压 工作面超前支承压力影响至 采空区切眼之前，对切眼外错冲击危险区域的实体煤帮实施预卸压。根据模拟与现场实践，实施预卸压措施应超前工作面不小于 ，预卸压技术方案如下。（）大直径钻孔预卸压。工作面回采前，首先对划分的切眼外错区冲击危险区域的实体煤帮实施钻孔卸压预处理，随工作面推进前方及时补打钻孔，距离断层较近侧减小钻孔深度或不打大直径钻孔。超前卸压距离不低于 ，弱冲击危险区域卸压孔间距不大于，深度不小于 ；中等冲击危险区域卸压孔间距不大于 ，深度不小于 。卸压孔孔径不小于 ，距底板 施工卸压孔，如遇夹矸，可适当调整避开夹矸。卸压钻孔布置如图 所示。图 超前预卸压措施示意 （）煤层静压注水预卸压。依据 工作面的具体煤层条件，工作面回采前及回采期间，根据冲击危险的评价情况，可选择对冲击危险区域进行注水，弱化煤体强度，降低冲击倾向性，从而增大诱发冲击的应力条件。注水孔布置在巷道内帮，孔深 ，封孔长度 ，注水孔间距 。孔垂直巷道，顺层布置于巷帮中部，角度应略小于煤层倾角。注水孔径为 （可根据实际适当调节），注水后巷帮周围的煤体含水率达到 ，认为注水达到效果，可停止注水。（）煤体爆破预卸压。工作面回采期间监测到冲击危险时，可对冲击危险区域实施煤体爆破预卸压。爆破范围主要是实体煤帮，炮眼间距为 ，孔深 ，每孔装药不少于 ，封孔长度不小 ，爆破孔直径 ，炮眼角度平行于底板、垂直于煤帮，爆破后进行效果检验，以确定冲击危险状态。解危措施在工作面外错区域回采过程中，采取预卸压措施后，若监测到应力异常区域存在冲击危险，必须采取解危措施。卸压解危优先采用煤体大直径钻孔，其次实施煤体卸压爆破。（）大直径钻孔解危卸压方案。首先采用大直径钻孔进行卸压，钻孔孔径不小于 ，孔深不小于 ，在预卸压孔中间进行加密卸压，钻孔间距不大于 ，卸压范围为危险区域前后 ，垂直巷道走向、平行于煤层层面进行施工。（）煤体爆破解危卸压方案。当大直径钻孔解危卸压效果不明显时，需采用爆破解危卸压。在预卸压爆破钻孔中间进行加密卸压，钻孔间距 ，卸压范围为危险区域前后 。卸压爆破钻孔深度 ，孔径 ，单孔装药量 ，封孔长度不小于 。卸压解危范围及钻孔布置如图 所示。图 卸压解危措施示意 结论（）工作面接近 切眼前外错区域煤体应 年第 期煤炭科技第 卷力集中程度较大，过切眼后有所降低；过切眼前后区段宽煤柱中垂直应力均较大，过切眼后垂直应力显著上升，冲击危险程度随之增大。（）工作面回采至 切眼前后，外错区域及 采空侧的宽煤柱中应力水平较高，煤柱中垂直应力呈“双峰”分布状态，煤柱中存在稳定的弹性区，能够满足护巷与防冲要求。（）基于冲击危险的应力判别法，对切眼外错区域进行了冲击危险预测，外错区域冲击危险等级为弱冲击危险，并根据支承压力影响范围，确定了重点防治区域。（）提出了基于静载控制的大直径卸压钻孔、煤层注水、煤体爆破的卸压防冲方案，可为工作面消除重点冲击危险区域隐患、保证安全回采提供指导。参考文献（）：窦林名，田鑫元，曹安业，等 我国煤矿冲击地压防治现状与难题 煤炭学报，（）：，（）：潘一山，代连朋 煤矿冲击地压发生理论公式 煤炭学报，（）：，（）：窦林名，何江，曹安业，等 煤矿冲击矿压动静载叠加原理及其防治 煤炭学报，（）：，（）：窦林名，李振雷，何学秋 厚煤层综放开采的降载减冲原理及其应用研究 中国矿业大学学报，（）：，（）：窦林名，白金正，李许伟，等 基于动静载叠加原理的冲击矿压灾害防治技术研究 煤炭科学技术，（）：，（）：蔡武，窦林名，司光耀，等 煤矿开采动静载叠加诱发断层冲击地压机理 ，（）：，（）：何满潮，高玉兵，杨军，等 无煤柱自成巷聚能切缝技术及其对围岩应力演化的影响研究 岩石力学与工程学报，（）：，（）：孙秉成，兰世瑞，张传玖，等 坚硬厚顶板煤柱型冲击地压防治技术研究 煤炭工程，（）：，（）：王浩，赵毅鑫，牟宗龙，等 矿震扰动下采区煤柱应力偏量集中区诱冲机制及防治方法 中国矿业大学学报，（）：，（）：马志强，何江，李静 锯齿状停采线煤柱诱发冲击危险的反演研究 煤矿安全，（）：，（）：张明，成云海，王 磊，等 浅埋复采工作面厚硬岩层煤柱结构模型及其稳定性研究 岩石力学与工程学报，（）：，（）：何文瑞，何富连，陈冬冬，等 坚硬厚基本顶特厚煤层综放沿空掘巷煤柱宽度与围岩控制 采矿与安全工程学报，（）：，（）：，雷照源，李团结，崔峰，等 深部厚煤层动静载荷下区段煤柱损伤演化分析 西安科技大学学报，（）：，（）：贺虎，郑有雷，张雄，等 基于动静应力分析的复杂工作面冲击危险评价 煤炭科学技术，（）：，（）：窦林名，贺虎，何江，等 冲击危险评价的相对应力集中系数叠加法 煤炭学报，（）：，（）：