急倾斜煤层深部煤岩动力失稳原因分析.pdf

第4 0 卷第9 期 2 0 1 2年 9月 煤 炭科 学 技 术 Co a l Sc i e n c e a n d Te c h n o l o g y Vo 1 ． 4 0 No ． 9 Se p t ． 2 01 2 急倾斜煤层深部煤岩 动力失稳原 因分析 梁翠云 ， 王宁波 ，漆 涛 ， 蒋东晖 ，崔 峰 ， 1 ．神华新疆能源有限责任公司 ，新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 2 7；2 ．西安科 技大学 能源学院 ，陕西 西安7 1 0 0 5 4 3 ．教育部西部矿井开采及灾害 防治藿点实验室 ，陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘要 为揭示大洪沟煤矿急倾斜特厚煤层发生动力失稳现象的原 因，基于采掘布局特 点对其进行 理论分析和岩石力学试验 ，分析得 出诱发 急倾斜煤层深部煤岩体动力失稳的原因有开采深度、顶 底板 夹持作用、顶底板破断、煤岩物理力学性质、应力集中。结果表 明底板 的撬动作 用是工作 面 煤层失稳的动力来源，该煤层具备发 生动力失稳的条件 ，B ， 煤层工作面相 向采掘导致掘进工作 面 与采煤工作 面超前压力叠加 ，应力集中较为严重。应对该煤层及顶底板 实施爆破卸压与注水弱化， 来释放积聚在煤岩体中的弹性势能 ，并优化采掘布置。 关键词 急倾斜特厚煤层 ；深部开采 ；动 力失稳 ；煤岩结构；应力集中；顶底板夹持 中图分类号T D 3 2 4 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 2 0 9 - 0 0 0 9 - 0 4 Ana l y s i s o n Ca us e o f De e p Co a l a n d Ro c k Dy n a mi c I ns t a bi l i t y i n St e e p I nc l i ne d S e a m L I A N G C u i y u n ， WA N G N i n g - b o ， Q i T a o ， J I A N G D o n g h u i ， C U I F e n g ’ 1 ．S h e n h u a X i n fia n g E n e r g y C o r p o r a t i o n L t d ． ，U r u m q i 8 3 0 0 2 7 ，C h i n a；2 ．S c h o o l of E n e r g y ， X i ’ a n U n i v e r s it y of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， X i ’ a n 7 1 0 0 5 4 ，C h i n a ；3 ．MO E K e y L a b ofMi n i n g a n d D i s a s t e r P r e v e n t i o n i n We s t e r n Mi n e s ，X i ’a n 7 1 0 0 5 4， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e v e a l t h e c a u s e o f t h e d y n a mi c s s t a b i l i t y l o s t p h e n o me n o n i n t h e s t e e p i n c l i n e d u l t r a t h i c k s e a m o f Da h o n g g o u Mi n e ，b a s e d o n t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d r o c k me c h a n i c s e x p e rime n t s o f t h e c o n d u c t e d o n t h e mi n i n g a n d e x c a v a t i o n d i s t rib u t i o n l e a - t u r e s ，t h e p a p e r a n a l y z e d c a u s e s o f t h e d e e p c o a l a n d r o c k d y n a mi c s i n s t a b i l i t y i n t h e s t e e p i n c l i n e d s e a n 1 ． T h e mi n i n g d e p t h，t h e r o o f a n d fl o o r h o l d i n g f u n c t i o n，r o o f a n d fl o o r b r o k e n，c o a l a n d r o c k p h y s i c a l me c h a n i c s p r o p e r t i e s ，s t r e s s c o n c e n t r a t i o n a n d o t h e r f a c t o r s we r e i n c l u d e d ． T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e p r y i n g r o l e o f t h e fl o o r wo u l d b e t h e d y n a mi c s o u r c e s o f t h e s e a m i n s t a b i l i t y a n d t h e s e a m h a d t h e c o nd i t i o n t o o c c ur t he dy n a mi c ． Th e B3 6 s e a m mi ni ng f a c e c a s e d t he pi l o t p r e s s u r e o v e l y i ng b e t we e n t he driv i ng f a c e a nd t he c o a l mi n i n g f a c e ．T h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n w a s S e r O U S ．T h e b l a s t i n g p r e s s u r e r e l e a s i n g a n d w a t e r i n j e c t i o n w e a k e n i n g s h o u l d b e e o n d u e t al i n t h e s e a m a n d t h e r o o f a n d fl o o r t o r e l e a s e t h e e l a s t i c e n e r g y a c s u mu l a t e d i n t h e c o a l a n d r o c k a n d t o o p t i mi z e t h e mi n i n g a n d e x c a v a t i o n l a y o u t ． K e y wo r d ss t e e p i n c l i n e d u l t r a t h i c k s e a m ；d e e p mi n i n g ；d y n a mi c i n s t a b i l i t y；c o a l a n d r o c k s t r u c t u r e；s t r e s s c o n c e n t r a t i o n ；r o o f a n d flo o r ho l d i n g 近年来 ，随着国家对能源需求量 的增加 ，煤矿 的开采强度在不断加大 ，我 国煤矿浅部资源 日益减 少 ，相继进入深部资源开采状态。开采深度的不断 增加导致动力灾害 日趋增多 ，如矿井冲击地压 、矿 压显现加剧 、巷道围岩大变形等 ，亟需对深部资源 开采过程中的动力现象进行研究 。由于西部矿 区急倾斜煤层构造 的复杂性 以及 采煤方法 的特殊 性 ，在实际开采过程 中采场围岩及巷道 围岩也出现 了动力失稳现象 ，如开采 急倾斜 煤层 的大洪 沟煤 矿 ，采掘期 间巷道 出现 瞬间片帮、底 鼓、锚 网撕 裂 、锚杆失效等现象 ，严重制约 了煤矿 的安全 生产。 收稿 日期 2 0 1 2 0 5 0 1 ；责任编辑 曾康 生 基金项 目乌鲁木齐市科学研究计划资助项 目 Y1 1 1 1 1 0 0 0 8 作者简介梁翠云 1 9 6 7 一 ，女，湖北大冶人，工程师。T e l 0 9 9 1 6 8 0 9 7 4 0 ，E - m a i l l i a n g c y 9 7 4 0 1 6 3 ． e o m 网络出版时间 2 0 1 2 - 0 9 - 1 7 1 0 3 31 8；网络出版 地址 h t t p ／ ／ w w w ． c n k i ． n e t ／ k c m s ／ d e t a il ／ 1 1 ． 2 4 0 2 ． T D ． 2 0 1 2 0 9 1 7 ． 1 0 3 3 ． 2 0 1 2 0 9 ． 9 _ 0 0 3 ． h t ml 引用格式 梁翠云 ，王宁波 ，漆涛 ，等．急倾斜煤层深部煤岩动力失稳原因分析[ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 1 2 ，4 0 9 9 1 2 ． 9 2 0 1 2 年第9 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 0 卷 一 般认为动力失稳现象发生在煤层顶底板 留有 较大厚度的坚硬基本顶 和基本底的情况下 ，蕴藏在 基本顶和基本底 中的重力势能 与弹性势能不 断累 积 ，达到岩层的临界强度后突然破断将诱发采场及 巷道 中出现动力性失稳现象 ，开采深度 、煤层冲击 性 、应力集中、构造等都是诱导动力失稳发生的因 素 ，但主导作用不同。由于动力失稳现象的发生属 于非线性动力学的范畴 ，描述其本身具有复杂性 ， 而多个诱导 因素使揭示发生机理更为复杂。针对动 力灾害的机制和防治措施大都针对某一类型煤层甚 至某一矿井 ，如特厚煤层 、复合型厚煤层 、半孤岛 面等 ，尚未形成通用 的解释机制与 防治措施。 不同区域的煤层赋存条件乃至同煤层不同位置发生 动力失稳的机制进行区别分析显得尤为重要 。急倾 斜特厚煤层大采深条件下采用高阶段综放开采的采 煤方法将导致围岩受到较大的开采扰动 ，急倾斜煤 层独特的赋存特征也使得发生动力失稳的机制具有 复杂性 。笔者以具有急倾斜煤层的大洪沟煤矿为研 究对象，对该矿深部煤岩体发生的动力失稳现象进 行分析 ，结合现场采掘布局 ，从理论分析和岩石力 学试验等多个角度研究诱发急倾斜煤层动力失稳的 原因 ，结合原因提 出了防治动力失稳的建议 ，以期 为采取合理的防治方案提供依据。 1 工程 实例 大洪沟煤矿所开采 的煤层倾角为 8 2～ 8 7 。 ，煤 层平均厚 3 4 ． 8 4 m，基本顶和基本底均为强度较高 的粉砂岩 。随着急倾斜煤层采深的逐渐加大 ，大洪 沟煤矿在采掘过程中已多次发生动力现象。 图 1 为大洪沟煤矿 5 0 1 n 水平 B 煤层掘进 工作面和 5 3 5 I n水平 B 煤层与 B 煤层 综放工 吕 5 5 5 鏖 5 3 5 * 5 0 1 位m BI 2 一 B 1 与 B 2煤层合层 ；B 3 6 --B 3 、B 4 、B 5与 B 6 煤层合层 ； 1 一B 3 煤 层进风巷 ；2 一B 6 煤层 回风巷 ；3 一B 3煤层掘进 回风巷 4 一B 6 煤 层掘进 回风巷 ；5 一伪顶 ；6 -- 直接顶 ；7 一基本顶 图1 B 。 煤层和 B 3 6 煤层掘进及开采布局 1 0 作面 的采 掘及 赋存 分 布 状况 。实 际 开采 过程 中 2 0 0 9年 9月 1 9日凌晨 4点 l 0分 ，井下 5 5 5 m水 平西翼 B 煤层工作面 B 进风巷 ，距 回采 工作 面 煤壁向东 1 0 0 m范围内， 5 3 5 1T I 水平西翼 B 综掘 工作面以东5 5 5～7 1 0 m范围内发生 围岩动 力失稳 现象。 现场观察 5 5 5 I I l 水平西翼 B 煤层工作面对 应地面无 冒落迹象。动力失稳发生使井下现场破坏 严重 ，主要有 ①轨道巷 串车有 9台平板车掉道 ； ②5台组合开关从 串车掉下至南墙 ；③B 巷道底板 北侧 ，最大底鼓量 1 ． 0 m，长度 6 0 7 0 m；④B 巷 道局部堵塞北帮水沟；⑤工作面煤壁片帮深度3 0 ～ 5 0 e m； ⑥巷道靠近南端底板层帮严重， 最大片帮 深度近 0 ． 9 i n ，3根锚杆拉 断、螺 帽脱 出，2处钢 带断裂 ，1处锚 网撕裂 ；⑦轨道巷 的南帮立放的成 捆待用锚杆倾倒 ；⑧地面调度室与小红沟煤矿均有 震感 ；⑨ 5 3 5 m水平西翼 B 综掘工作面 ，综掘机 被向后推 2 0 m，输送带 、托辊脱 落；⑩ 掘进工作 面 1 5 0 m范 围不 同程度 出现底鼓 ，距掘进 工作面 2 0 m内底鼓量最大值为 0 ． 5 m。2 0 1 0年 6月 1 4日 早班和 2 0 1 0年 6月 1 6日早班 ， 5 0 1 m水平 B 。 西 回风巷出现强烈抬炮声 ，巷道第 2 5～ 3 6排锚杆 范 围内两帮出现片帮现象 ，在联网处 出现锚 网撕裂 、 锚杆失效现象 ，其 中第 3 1～ 3 6排锚杆 区域片帮最 为严重 ，在第 3 5排处测得巷道掘进宽度只有 2 ． 6 m，该巷道设计宽度 3 ． 2 1 3 “1 ，实际掘进宽度 3 ． 4 In， 最大片帮深度达 8 0 c m，巷道 高度变化不大。2 0 1 0 年 8月 2 2日中班 2 1 时 1 5分 ， 5 0 1 m水平 B 西翼 轨道巷 出现强烈炮声 ，巷道开口以西 1 2 0 m距掘进 工作面 1 7 0 In范 围内，巷道底鼓量 4 0～ 5 0 c m，片 帮深度 4 0～ 8 0 c m，水沟挤压堵塞。 B 西掘进巷道破坏情况如图 2所 示 ，水管被 震断，风筒 断开 ，H型 支架震倒 ，锚杆 托盘被崩 出。 5 0 1 m水平 B 巷无明显变化 。同时， 5 3 5 i n 水平 B 西巷距 离终采线 6 0 2 2 0 r n范 围内南 帮侧 底鼓很严重 ，水沟突起变形 ，输送带托辊被震掉 ， 锚网撕裂。巷道北帮电缆挂钩有震落，底鼓不明 显。 5 3 5 r n水平 B 西巷有震感 ，巷道内有散煤。 2 0 1 0年 l O月 3日中班 ， 5 0 1 m m水平 B 3 巷 出现 动力现象 ，巷道顶板 、帮部受震动影响 ，断面收敛 缩小。 梁翠云等急倾斜煤层深部煤岩动力失稳原因分析 2 0 1 2年第 9期 __ ●_ c 水沟变形 突起 d 锚网撕裂 图2 B 西掘进巷道破坏情况描述 2煤岩动力失稳 与破坏 机理分析 大洪沟煤矿 B 急倾斜煤层随着开采深度不断 加大， 5 0 1 m水平时埋深已达 3 5 0 m。该矿 B 煤层 5 3 5 m水平采煤工作面和 5 0 1 m水平掘进工 作面相向掘进 ，这种采掘布局导致压力集 中，同时 高阶段综放开采使得煤岩结构受到开采扰动较大而 发生产生结构上的变化 ，采掘布局空间位置上的分 布、煤岩体物理力学性质等 因素与动力失稳的机理 密不可分 ，所起到的作用也各不相同，下面将分别 分析各种因素对煤岩动力失稳机理的影响。 2 ． 1 开采深度引起应力变化的影响 由于 5 0 1 m水平 B 煤层掘进工作面开采深 度为 3 5 0 m，这在该矿区急倾斜煤层开采区域 内属 于采深最大。以前浅部开采未发生过动力失稳破坏 现象 ，说明在采 深加大后 ，采场应力发生 了改变。 现场工程调查表明 ，大洪沟煤矿一直采用填土的方 式治理地表沉陷。 对于近水平或缓倾斜煤层而言 ，工作面上覆岩 层中一般有一至数层厚度大、致密坚硬的岩层能够 形成一定 的结构对其上覆岩层和地表松散地层起到 承载作用。但是 ，根据大洪沟 8 6 。 煤层倾角赋存特 点分析 ，工作 面上 方没 有 “ 结 构岩 梁 ” 的存 在 ， 充填的土对采场完全起到了松散地压的作用 ，其全 部载荷将由 5 0 1 m水平巷道顶板煤层承担 ，随着 采深加大 ，充填土重力也逐步加大。工作面沿走向 推进 ，受采动影响 ，工作面前方 的地表开始移动 ， 进而工作面没推到该位置 ，其松散地层也作为载荷 对工作面煤体产生作用。 1 超前影响范 围 f 可 由公式 z H t a n 计算 ， 其中H为采深 ，取 2 9 6 m； 为超前影响角 ，取 4 5 。 。代人式 中得 到超前 影 响距 为从 工作 面前 方 3 0 0 m左 右 范 围内 。 2 主要影响半径 r H ／ t a n ，其中，t a n 为 主要影响角的正切 ，取经验值 2 。得到工作面前后 方受采动影响主要影响半径范围为 1 5 0 m左右。 2 。 2顶底板岩层 的夹持作用 大洪沟煤矿在急倾斜煤层开采中，沿煤层厚度 布置工作 面 ，沿煤层走 向推进 ，工作 面长度一般 5 0 m左右 ，工作面两端为煤层的顶底 板。在上覆 载荷 的作用下 ，工作面犹如一个高 3 4 m，宽 5 0 m 的煤柱，当载荷集中后，超过煤体所承受的载荷极 限时 ，煤体将产生破碎进而发生扩容现象 ，但受顶 底板的夹持作用 ，应力难以向深部转移 ，当集中载 荷与受载破碎的煤体寻求扩容空间产生 的膨胀力进 一 步结合的时候 ，导致动力现象的发生 。 2 ． 3 顶底板岩层断裂分析 由于煤层倾角大这一特殊原因造成顶底板断裂 后难以形成结构 ，几乎以垂直垮落方式断裂后 ，形 成松散地压载荷并作用在煤层上方。随采深增加 ， 断裂顶底板岩块重力也不断增加 ，形成几个水平断 裂后的岩块与充填土共同作用在下一个水平的工作 面煤体顶板上。根据现场工程技术人员描述 ，综采 工作 面没有明显的周期来压现象 ，进而证 明煤层上 方顶板没有类似悬臂梁的结构 ，破断后的围岩以松 散载荷形成存在。 2 ． 4煤岩物理力学性质 煤岩物理力学特征是诱发动力失稳的主要原因 之一。开采扰动区域内煤层含水少，基本顶和底板 分别 为粉砂岩和砂岩 表 1 ，是典型坚硬 岩石 ， 脆性大 ，储能高 ，具备发生动力失稳破坏的条件 。 表 1 B 3 6 煤层顶底板特征 由点载荷试 验得出 ，B 煤层 巷道煤样单轴 抗 压强度为 4 7 P a ，B ， 煤层巷道煤样单轴抗压强度为 6 1 P a ，见表 2 。坚硬致密煤体在高应力下能够积聚 大量的弹性能 ，当能量超过 自身承受极限时会瞬间 1 1 2 0 1 2 年第9 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 0 卷 释放形成动力灾害，表 明该煤层具有发生动力失稳 的条件 。 表 2 B 。 煤巷煤样点载荷试验结果统计 2 ． 5 围岩应力集 中状况分析 大洪沟煤矿 B 特厚煤层的采掘工作面在 5 0 1 m水平和 5 3 5 m水平相向推进 ，掘进工作面 由下 方进入采煤工作面超前 压力集 中区，产 生应力叠 加 ，造成原岩应力重新分配，应力失衡 ，集 中应力 突然释放 ，造成动压剧烈显现，加之煤层倾角大 ， 煤岩脆性大 ， 5 3 5 m水平 B 西采煤工 作面顶煤 断裂 ，产生非对称 扭转型动压 ，加剧了煤岩动力 失稳。 现场勘查表明 5 3 5 m水平 B 西巷距离终采 线 6 0～ 2 2 0 m范围内南帮底鼓很严重 ，水沟突起变 形， 输送带托辊被震落，锚网撕裂。巷道北帮电缆 挂钩有 震 落 ，底 鼓 不 明 显 ，就 可 以充 分 表 明 这 一 点 。 3 结 论 通过对大洪沟煤矿急倾斜特厚煤层动力失稳的 1 2 现象的研究， 分析了诱发该现象的5个原因，各个 因素对动力失稳起 到的作用不同。经过对 比分析 ， 认为深部急倾斜煤层顶底板夹持特别是底板的撬动 作用是工作面煤层失稳的动力来源 ；煤层的物理力 学性质试验表明该煤层积聚较大的弹性能 ，具备动 力失稳发生的条件 ；大洪沟煤矿 B ， 特厚煤层工作 面相向采掘引起深部原岩应力失衡 ，掘进工作面超 前压力与采煤面超前压力相遇前应力叠加 ，相遇后 掘进工作面在 已开采区域 的直接下方掘进巷道受到 的开采扰动较大 ，较易诱发动力失稳 ，这些原 因相 互作用导致 了动力失稳 的发生 。综合 以上原 因认 为 ，对该矿煤层及顶板 ，特别是底板实施爆破卸压 与注水弱化 ，释放积聚在采掘空间周围煤岩体 中的 弹性势能 ，消除动力 的来源，改变煤岩强度 特征 ， 同时优化采掘布置以降低掘进工作面超前压力与采 煤面超前压力 ，是防治动力失稳的合理措施。 参考文献 [ 1 ] 何满 潮 ，谢 和 平 ，彭 苏萍 ，等．深 部 开采 岩 体 力学 研 究 [ J ] ．岩石力学与工程学报 ，2 0 0 5 ，2 4 1 6 2 8 0 3 2 8 1 3 ． [ 2 ] 黄 理 兴．岩 石 动 力学 研 究 成就 与 趋 势 [ J ] ． 岩 土 力学 ， 2 0 1 1 ，3 2 1 O 2 8 7 9 2 9 9 0 ． [ 3 ] 蓝航 ，齐庆新 ，潘 俊锋 ，等 ．我 国煤矿 冲击地 压特点及 防治技术 分析 [ J ] ．煤炭科 学技术 ，2 0 1 1 ，3 9 1 1 1 1 5． [ 4 ] 赵善坤 ，李宏艳 ，刘军 ，等 ．深 部冲击 危险矿 井多参 量 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