于華兵 王思棟 馮福東

(棗莊礦業(yè)(集團(tuán))有限公司濱湖煤礦,山東省滕州市,277515)

不規(guī)則孤島工作面沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的應(yīng)力分析法研究

于華兵 王思棟 馮福東

(棗莊礦業(yè)(集團(tuán))有限公司濱湖煤礦,山東省滕州市,277515)

針對(duì)濱湖煤礦上覆遺留煤柱下方復(fù)雜不規(guī)則孤島工作面沖擊危險(xiǎn)性提出了基于應(yīng)力分析的沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法,根據(jù)煤巖沖擊傾向性與破裂模式,制定了評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)的應(yīng)力判別等級(jí)與指標(biāo),確定了濱湖煤礦沖擊臨界應(yīng)力為70 MPa。將沖擊危險(xiǎn)性分為4級(jí),小于50 MPa為無沖擊危險(xiǎn),50～70 MPa為弱沖擊危險(xiǎn),70～105 MPa為中等沖擊危險(xiǎn),大于105 MPa為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。模擬了孤島工作面原巖應(yīng)力與支承壓力分布規(guī)律,對(duì)孤島工作面沖擊危險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)與分區(qū)。工作面回采過程中,利用鉆孔應(yīng)力計(jì)與鉆屑法進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果表明,利用應(yīng)力分析法確定的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域與危險(xiǎn)等級(jí)精確度高。

孤島工作面 沖擊礦壓 危險(xiǎn)評(píng)價(jià) 應(yīng)力分析法

研究表明,沖擊礦壓的發(fā)生地點(diǎn)與高應(yīng)力區(qū)域密切相關(guān),靜載(原巖應(yīng)力采動(dòng)支承壓力)在沖擊礦壓的發(fā)生中占有極其重要甚至是主導(dǎo)作用。采前利用地應(yīng)力測(cè)試、數(shù)值模擬與礦壓理論分析確定高應(yīng)力區(qū),對(duì)于提高沖擊礦壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)精度具有重要作用,同時(shí)可以根據(jù)應(yīng)力分析的結(jié)果,確定臨界指標(biāo),制定評(píng)級(jí)沖擊危險(xiǎn)的等級(jí)與判據(jù),從而有針對(duì)性地進(jìn)行卸壓處理與解危,能夠極大提高治理效率,達(dá)到事倍功半的效果。

孤島工作面采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律與非孤島工作面開采條件下的差別非常大,孤島工作面的應(yīng)力集中程度非常高,其覆巖活動(dòng)非常劇烈,易導(dǎo)致沖擊礦壓的發(fā)生,其危險(xiǎn)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非孤島工作面。以往對(duì)孤島工作面沖擊礦壓的研究主要集中在孤島工作面沖擊礦壓機(jī)理、覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律;孤島工作面沖擊危險(xiǎn)的評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)主要采用常規(guī)方法如綜合指數(shù)法等進(jìn)行。本文主要研究上覆遺留煤柱下方不規(guī)則孤島工作面,采用應(yīng)力分區(qū)評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)并劃定沖擊危險(xiǎn)等級(jí),從而為孤島工作面沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)與防治提供一定依據(jù)。

1 工程概況

濱湖煤礦16105孤島工作面位于16107工作面東側(cè),16103工作面西側(cè),F25－10斷層北側(cè), 161集中運(yùn)輸巷南側(cè),開采16＃煤層。上覆12＃煤層采空區(qū),12＃煤層平均厚1.2 m,距離16＃煤層約50 m。16105工作面巷道布置見圖1,虛線為12＃煤層工作面,實(shí)線為16＃煤層工作面。16105工作面對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為＋34.01～35.03 m,工作面標(biāo)高為－560.8～－506.7 m。工作面走向長度914 m,工作面長30～254 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單,未發(fā)現(xiàn)夾矸,含有一層不連續(xù)黃鐵礦,煤層傾角3°～10°,平均5°?；卷敒槟鄮r,平均厚度7.3 m,普氏硬度系數(shù)f為4～6;直接頂為灰?guī)r,平均厚度4.9 m,普氏硬度系數(shù)f為6～8。

圖1 16105孤島工作面巷道布置示意圖

2 沖擊應(yīng)力臨界值確定

研究表明,煤體沖擊臨界應(yīng)力主要與煤體力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

(1)煤的單向抗壓強(qiáng)度RC＞20 MPa,煤體發(fā)生沖擊礦壓破壞的最小應(yīng)力為50 MPa;

(2)煤的單向抗壓強(qiáng)度RC＜16 MPa,煤體發(fā)生沖擊礦壓破壞的最小應(yīng)力為70 MPa;

(3)煤的單向抗壓強(qiáng)度RC＝16～20 MPa時(shí),煤體發(fā)生沖擊礦壓破壞的最小應(yīng)力為50～70 MPa。

從濱湖煤礦16＃煤層的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可知,16＃煤層單軸抗壓強(qiáng)度為6.25 MPa,煤體強(qiáng)度較低,且煤樣節(jié)理裂隙發(fā)育,受載過程中易發(fā)生崩解式破碎,因此,對(duì)于16＃煤層而言要發(fā)生沖擊,就需要大于70 MPa的壓應(yīng)力,所以確定70 MPa為發(fā)生沖擊的臨界壓力,考慮到16＃煤層較薄,因此,利用煤體中應(yīng)力(采動(dòng)后為支承壓力)作為沖擊危險(xiǎn)主要指標(biāo),從安全角度出發(fā),將50 MPa、70 MPa、105 MPa(1.5倍的臨界壓力)作為沖擊危險(xiǎn)等級(jí)劃分的閾值,因此可分為4個(gè)等級(jí),小于50 MPa為無沖擊危險(xiǎn),50～70 MPa為弱沖擊危險(xiǎn),70～105 MPa為中等沖擊危險(xiǎn),大于105 MPa為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。

3 16105孤島工作面的應(yīng)力分析

3.1 應(yīng)力分析數(shù)值模型建立

采用FLAC2D數(shù)值模擬軟件,模擬分析12＃煤層、16107工作面、16103工作面采空的情況下, 16105工作面掘進(jìn)與回采過程中應(yīng)力變化,并確定高應(yīng)力區(qū)域。數(shù)值模型以16105工作面的綜合地質(zhì)柱狀圖及工作面布置平面圖為基礎(chǔ),并對(duì)條件進(jìn)行適當(dāng)簡化,數(shù)值模型尺寸為700 m×154 m(寬×高),共設(shè)置28000個(gè)單元、28431個(gè)節(jié)點(diǎn),煤層部分進(jìn)行細(xì)化。模型上邊界施加的載荷按采深450 m計(jì)算,底部邊界垂直方向固定,左右邊界水平方向固定。由于16105孤島工作面在推進(jìn)方向?qū)挾炔粩嘧冃?因此,選擇工作面寬度為200 m處與100 m處兩個(gè)剖面進(jìn)行模擬。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

對(duì)12109、12107、12105工作面進(jìn)行開挖,在12＃煤層與16＃煤層中均形成了應(yīng)力降低區(qū)與集中區(qū)。16＃煤層的原巖應(yīng)力為14 MPa,在12＃煤層的應(yīng)力集中區(qū)下方,應(yīng)力峰值最大達(dá)到19.3 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.4。12109、12107、12105工作面上的地表位移最大為1.25 m,可以看出當(dāng)12＃煤層回采后,地表下沉已達(dá)到充分采動(dòng),垮落的巖石已將采空填滿壓實(shí),采空區(qū)上方頂板不存在懸空狀態(tài)。這與地表監(jiān)測(cè)的結(jié)果相吻合。然后對(duì)16107、16103工作面進(jìn)行開挖,16107工作面回采后,受工作面自重應(yīng)力場(chǎng)與采動(dòng)支承壓力的疊加影響,形成了應(yīng)力集中區(qū),并與12109工作面的應(yīng)力集中區(qū)疊加,應(yīng)力峰值達(dá)到60 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到4.0。由于煤層厚度較小,應(yīng)力峰值靠近16107材料巷,距離約3 m。16103工作面回采后,應(yīng)力分布狀態(tài)與16107類似。由于靠近16103運(yùn)輸巷一側(cè)的12＃煤層中留設(shè)的煤柱寬度小于16107材料巷一側(cè),因此應(yīng)力峰值小于16107材料道一側(cè),應(yīng)力最大為50 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)3.3。沿16107、16103采空區(qū)留設(shè)8 m煤柱掘進(jìn)16105工作面運(yùn)輸巷、材料巷后,運(yùn)輸巷由于處于12＃煤層煤柱下方,應(yīng)力集中程度較高,最大值達(dá)到63 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為4.2,距離運(yùn)輸巷約5 m。而材料巷由于布置在12105運(yùn)輸巷的下方,應(yīng)力集中程度相對(duì)較弱,應(yīng)力峰值為45 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為3,距離材料巷約3 m。由此可見,受12＃煤層煤柱的影響,16105工作面兩巷均有較大的應(yīng)力集中,其中運(yùn)輸巷應(yīng)力集中程度高于材料巷,但是均小于沖擊礦壓發(fā)生的最小應(yīng)力,從應(yīng)力分布的角度看,在掘進(jìn)過程中,16105工作面兩巷沖擊危險(xiǎn)性屬于弱沖擊性危險(xiǎn)。

對(duì)16105工作面進(jìn)行回采,在12＃煤層遺留煤柱、兩側(cè)采空區(qū)與超前支承壓力的作用下,工作面開采后,16105運(yùn)輸巷一側(cè)煤柱中應(yīng)力集中程度較高。最大支承壓力值為78.4 MPa。因此在回采過程、處于12＃煤層煤柱下方的運(yùn)輸巷屬于中等沖擊危險(xiǎn)。隨著工作面寬度的減小,工作面兩側(cè)支承壓力逐漸增大,因此,工作面向前推進(jìn)過程中,沖擊危險(xiǎn)性會(huì)逐漸增加。

4 孤島工作面沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)與區(qū)域劃分

經(jīng)過分析16105孤島工作面沖擊危險(xiǎn)影響因素主要有兩側(cè)采空區(qū)形成的側(cè)向支承壓力、上覆12＃煤層遺留煤柱造成的應(yīng)力集中、本工作面采掘超前支承壓力的影響、巷道轉(zhuǎn)折、交叉點(diǎn)等區(qū)域應(yīng)力疊加影響,將以上因素轉(zhuǎn)化為應(yīng)力集中系數(shù),對(duì)不同區(qū)域計(jì)算應(yīng)力水平,確定16105孤島工作面沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為中等沖擊危險(xiǎn),采取一定的監(jiān)測(cè)與防治方法可以保證工作面的安全回采。沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分如圖2所示。

圖2 基于應(yīng)力分析的孤島工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分

根據(jù)危險(xiǎn)區(qū)域劃分的結(jié)果,有針對(duì)性進(jìn)行監(jiān)測(cè)與治理。在中等沖擊危險(xiǎn)區(qū),采用鉆屑法進(jìn)行監(jiān)測(cè),出現(xiàn)鉆屑超標(biāo)及孔內(nèi)動(dòng)力顯現(xiàn)時(shí),進(jìn)行鉆孔卸壓,同時(shí),控制推進(jìn)速度不超過4 m/d(生產(chǎn)過程中3.6 m/d);強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū),超前工作面200 m,進(jìn)行鉆孔卸壓。中等以上沖擊危險(xiǎn)區(qū)超前支護(hù)距離不小于100 m。工作面回采時(shí),正常周期來壓步距為9～12 m,采空區(qū)頂板巖石隨采隨落,未出現(xiàn)大面積懸頂現(xiàn)象。通過鉆屑法進(jìn)行檢測(cè),打鉆過程中鉆屑量未超過臨界指標(biāo),無卡鉆、頂鉆等動(dòng)力現(xiàn)象?；夭蛇^程中出現(xiàn)了煤炮現(xiàn)象,在劃定的強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)較為密集,由于提前采取了鉆孔卸壓,未出現(xiàn)巷道變形破壞等現(xiàn)象。通過應(yīng)力分析,確定沖擊危險(xiǎn)區(qū),提高了沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與治理的針對(duì)性與效果,保證了孤島工作面的安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

(1)提出了基于應(yīng)力分析的沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù),根據(jù)煤體單軸抗壓強(qiáng)度,確定了濱湖煤礦沖擊臨界應(yīng)力為70 MPa。

(2)基于應(yīng)力分析,給出了沖擊危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)與劃分標(biāo)準(zhǔn),將沖擊危險(xiǎn)性分為4級(jí),小于50 MPa為無沖擊危險(xiǎn),50～70 MPa為弱沖擊危險(xiǎn), 70～105 MPa為中等沖擊危險(xiǎn),大于105 MPa為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。

(3)采用數(shù)值模擬結(jié)合礦壓理論分析,對(duì)孤島工作面不同區(qū)域進(jìn)行了應(yīng)力分析,在此基礎(chǔ)上對(duì)16105孤島工作面沖擊危險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)與分區(qū),根據(jù)分區(qū)結(jié)果制定了具有針對(duì)性的分區(qū)監(jiān)測(cè)治理方案,現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,應(yīng)力分析劃分沖擊危險(xiǎn)區(qū)域精度高,能夠準(zhǔn)確判斷沖擊危險(xiǎn)等級(jí),保證工作面安全回采。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

Study on stress analysis method for rock burst danger evaluation in irregular island working face

Yu Huabing,Wang Sidong,Feng Fudong
(Binhu Coal Mine,Zaozhuang Mining Group Co.,Ltd.,Tengzhou,Shandong 277500,China)

Aiming at the rock burst danger evaluation in complex and irregular island working face under overlying coal pillar in Binhu Coal Mine,rock burst danger evaluation methods based on stress analysis were put forward.According to coal and rock burst tendentiousness and mode,the stress discrimination grade and index of rock burst danger was formulated,and confirmed that the rock burst critical stress of Binhu Coal Mine was 70 MPa.The rock burst danger was classified into 4 levels,there was no rock burst danger when the stress was less than 50 MPa,and there was a weak rock burst danger when the stress was from 50 MPa to 70 MPa,then there was a medium rock burst danger when the stress was from 70 MPa to 105 MPa,finally there was a strong rock burst danger when the stress was more than 105 MPa.The distribution regularities of primary rock stress and support pressure in island working face were simulated, and the rock burst danger was evaluated and zoned.In the mining process of working face,borehole stressmeter and drilling method were using to monitor,and the results showed that the accuracy of rock burst dangerous zones and danger level determined by stress analysis method was high.

island working face,rock burst,danger evaluation,stress analysis

TD324

A

于華兵(1962－),男,江蘇豐縣人,天津大學(xué)EMBA碩士,高級(jí)工程師,現(xiàn)任棗莊礦業(yè)(集團(tuán))濱湖煤礦礦長、黨委書記。