深埋复杂工作面冲击地压区域防范技术研究.pdf

2 0 1 6 年第4 1 卷增刊1 V 0 1 ．4 1S u p ．1 能源技术与管理 E n e r g y ‰h n o l o 斟锄dM 粕a g e m e n t 1 4 1 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ，j ．i n ．1 6 7 2 9 9 4 3 ．2 0 1 6 ．s 1 ．0 4 7 深埋复杂工作面冲击地压区域防范技术研究 陈洪章 上海大屯能源股份有限公司孔庄煤矿，江苏沛县2 2 1 6 11 [ 摘要]以大屯矿区孔庄煤矿7 4 3 3 工作面为工程背景，对工作面参数进行优化，主要包括 开切眼位置和区段煤柱的优化设计，并对优化前后工作面回风巷侧垂直应力进行 对比分析，可以看出工作面参数优化后在回采初期可以很好地降低工作面的应力 集中程度，可以很好地起到冲击地压区域防范效果。研究结论对其他矿井防治冲击 地压工作有借鉴作用。 [ 关键词] 深部开采；复杂工作面；冲击地压；优化设计；区域防范 [ 中图分类号】T D 3 2 4 ．2 [ 文献标识码] B [ 文章编号] 1 6 7 2 - 9 9 4 3 2 0 1 6 增刊1 旬1 4 1 一0 4 0 引言 随着矿井开采强度的增加，煤炭资源可采储 量急剧衰减，特别是我国东部地区开采条件较好 的煤炭资源越来越少。由于煤炭资源的不可再生 性，许多矿井面临着资源枯竭的窘境。为提高煤炭 资源回收率，尽可能延长矿井寿命，东部很多矿井 逐步转向对其深部及地质条件复杂的煤层的开 采。加之一些矿井不合理的开拓开采布置、断层构 造等因素，生产条件不断恶化，冲击地压灾害更具 突出、复杂和破坏性。 许多学者对冲击地压防治做了大量的研究工 作。窦林名等⋯提出了冲击地压的强度弱化减冲 原理；牟宗龙等⋯提出了深孔断顶爆破技术防治 坚硬顶板型冲击地压；高明仕口3 提出了巷道冲击 地压防治的“强一弱一强”结构模型等等。学者们 的大多成果是针对整个矿井或某个工作面进行研 究的，然而矿井冲击地压危险往往具有区域性，因 此为保证工作面的安全回采，提高回采率和经济 效益，对于埋深大、地质条件复杂且有冲击危险的 煤层极有必要进行工作面区域防范。本文根据前 人的成果，以孔庄煤矿7 4 3 3 工作面为工程背景， 进行工作面冲击地压区域防范技术的研究。 1 工程背景 孔庄煤矿7 4 3 3 工作面为I v l 采区第二个区段 工作面，位于I V l 采区东翼上部，埋深8 7 0 ～9 3 5m ， 走向长1 1 4 5m ，倾斜长1 3 6m ，煤厚4 ．6m ，采用 综放开采，采放比1 1 。7 4 3 3 工作面地质构造相 对复杂，工作面区域断层较多。7 4 3 3 工作面南侧 为7 4 3 l 采空区，由于特殊地质构造的影响，留设 有部分孤岛煤柱，随着7 4 3 3 工作面的回采，将会 产生的应力集中，使回风巷存在高冲击危险性；同 时工作面布置中存在的隐患也对工作面的回采构 成冲击威胁。7 4 3 3 工作面在掘进过程中不断发生 煤炮、顶板震动等矿山动力显现，严重影响矿井安 全生产，工作面防控优化设计势在必行。工作面布 置如图1 所示。 卜垛≮。＼小岛惨‰弋监粥懈区7 4 冀 蠢Ⅵ一。 ’溉懒 图17 4 3 3 工作面布置 2 工作面区域防范 鼻鬈黧篡恭箍凳黧瓣冀 冲击地压区域防范技术指在煤层回采前合理7 4 3 3 工作面合理的布局规划至关重要，合理的开 1 4 2陈洪章深埋复杂工作面冲击地压区域防范技术研究2 0 1 6 年1 0 月增刊l 拓布置不仅可以有效避免局部应力集中和叠加， 而且能有效降低7 4 3 3 工作面冲击地压发生的可 能性。7 4 3 3 工作面冲击地压区域防范技术主要指 工作面参数优化，包括开切眼位置的优化设计、区 段煤柱的优化设计。 2 ．1 开切眼优化 ＼． ＼． ＼ ＼ 由图l 可知，7 4 3 3 工作面开切眼采用外错方 案布置，该方案主要考虑提高7 4 3 3 工作面煤炭采 出率，并没有过多考虑由于切眼位置选择不合理 导致的应力集中问题。为了更好地验证开切眼外 错的冲击危险性，根据7 4 3 3 工作面实际情况稍作 简化建立了三维数值模型，模拟结果如图2 所示。 r 旧采1 7 m 图2 开切眼外错应力演化特征 由图2 分析可知，当工作面回采到7 4 3 l 开切 眼附近时，7 4 3 3 工作面靠近回风巷侧应力显现明 显。在接近7 4 3 l 开切眼过程中，垂直应力峰值一 直在持续增长，当回采到1 8 0m 即回采到7 4 3 1 开切眼处 时，垂直应力峰值达到最大值。最大值 约为6 lM P a ，应力集中系数达到2 ．8 。 ＼ ＼ 因此，从冲击地压防范角度分析，合理布置的 方法应该是采取内错方案，且由于断层群区域应 力分布复杂，不可控因素较多，因此要避开断层群 集中发育地带。所以最终将切眼位置确定在F 1 3 断层西侧2 0 m ，如图3 所示。 图3 最终开切眼位置 开切眼优化后回采应力演化特征如图4 所 示。由图4 可以看出，开切眼优化后的工作面垂直 应力下降明显，工作面回采过遗留煤柱边界和小 断层群时垂直应力出现最大值，约为6 0M P a 。应 2 0 1 6 年第4 l 卷增刊l V 0 1 ．4 l S u p ．1 能源技术与管理 E n e E g ，‰h n o l o g r 粕dM 粕a g e m e n t 1 4 3 力集中系数达到2 ．7 ，其余阶段垂直应力一直保持应力，保证工作面的安全回采。 较低水平。工作面优化能有效降低工作面的垂直 r 回采1 6 0m h 回采4 8 0 m k 回采5 6 0 m 图4 开切眼优化后回采应力演化特征 以上结果说明，通过开切眼的优化，可以避免 开切眼原设计方案回采过程因开切眼外错、断层 遗留保护煤柱及断层群影响形成的高应力集中区 域，大大提高了工作面采掘的安全性。 2 ．2 区段煤柱优化 区段煤柱分为3 种状态，即屈服煤柱、临界煤 柱及支撑煤柱。研究表明，当区段煤柱宽度小于 1 2m 时，煤柱处于屈服阶段；当煤柱宽度在1 2 ～ 4 2m 时，煤柱内部产生高应力的弹性核区域，并在 2 8m 时达到最大峰值，此时煤柱存在不稳定的弹 性核。此后煤柱内部垂直应力开始降低，随着煤柱 宽度的继续增加，区段煤柱逐步由临界状态转为 支撑状态。目前留设宽度为2 0m ，属于临界煤柱， 严重影响回采安全。7 4 3 3 工作面从防治冲击地压 角度，并综合考虑工作面防火防水要求，区段煤柱 适留8m 宽的窄煤柱，这样也可以节省煤炭资源， 提高回采率。区段煤柱优化是在7 4 3 3 工作面掘进 过程中进行的，具体优化过程如图5 所示。 1 4 4陈洪章深埋复杂工作面冲击地压区域防范技术研究2 0 1 6 年1 0 月增刊1 i _ 、～} 三业留。 隧／，～＼岁量警．，一、 、 、；o - f 帚I pF 十甘★士1 付寸艚悍车丰l X i 卉l’拥批．附．卜、 弓＼＼。竺。／云蠢面鼍 ’√三 型／ 7 4 3 3 综放1 i 作面 图5 区段煤柱优化不意 3 优化设计效果检验 3 ．1支承压力峰值演化对比 图6 为7 4 3 3 工作面布置参数优化前后回风 巷侧超前支承压力峰值演化规律。优化后的工作 面避开了断层群及断层遗留保护煤柱与7 4 3 1 采 空区交叉形成的高应力集中区域。通过对比工作 面重叠区域 距原始开切眼5 6 0m 后区域 应力变 化情况，可知工作面布置参数优化后在回采初期 可以很好地降低工作面静载应力集中程度，优化 前这一区域通过数值模拟计算得到的超前支承压 力峰值平均为4 8 ．9M P a ，而优化后平均值仅为 4 1 ．4M P a ，降低了1 5 ．3 ％，说明工作面参数优化的 合理性。 ≤9 0 ．．川{ 刷Ⅲ眼f _ N 量翼。 ．r 』刊一仇化前一f 虻化J 舌 兰7 f 1 ．∥／n／{ 叫几亿”。r | 叱忆旧 爹八／y ∥} ，动‰ 兰5 f 1o／o1 吨沁√P 、。． ． Jk ．． ‘墨⋯』L √i ’、“。”。、{ H 胡2 1 一 l 1 2 0 f 13 4 1 05 I 6 O7 f 8 f 9 f l 1 1 叫采进‘寻m ， 图6 优化前后支承压力峰值演化规律对比 3 _ 2 工程实践检验 孔庄煤矿在2 0 1 1 0 4 1 1 一1 2 ，就对7 4 3 3 工 作面煤粉量进行了现场测试，分别在回风巷上下 方边界下山施工了4 个、共8 个煤粉钻。根据判别 工作地点冲击危险| 生的钻粉率指标，求得的7 4 3 3 工作面钻屑量临界值如表1 所示。 表17 4 3 3 钻屑量临界值 指标 钻孔深度 2 ～5 m6 ～1 0 m 7 4 3 3 工作面于2 0 1 2 1 0 1 6 试采，至2 0 1 3 一 1 2 2 1 工作面封闭，期间共施工煤粉钻孔3 7 7 次 皮带巷1 7 2 次、回风巷1 5 8 次、边界4 7 次 。7 4 3 3 工作面回采期间钻屑量的平均值统计如表2 所 示，其平均值变化情况如图7 所示。 表27 4 3 3 工作面回采期间钻屑量平均值统计k ∥m 嚣一m z s m s 一4 m 4 一s m s ～s m s ‰，一s m s ～，m 。圳m 回风巷1 ．8 21 ．9 3 1 ．9 3 皮带巷1 ．5 71 ．6 5 1 ．7 0 一2 ．5 龟1 趔l5 萝l 阍0 ．5 篓 】 1 ．9 62 ．0 72 ．0 82 ．1 92 ．2 52 ．2 5 1 ．7 61 ．8 31 ．8 71 ．9 ll - 9 31 ．9 7 回风巷皮带巷 ～22 ～33 ～44 ～55 ～66 ～77 ～88 ～99 一 钻孑L 深度／m 图77 4 3 3 工作面回采期间钻屑量平均值变化情况 由以上结果可以看出，7 4 3 3 工作面在回采过 程中回风巷侧不同钻孑L 深度钻屑量平均值要大于 皮带巷侧。主要原因是由于回风巷侧靠近7 4 3 1 采 空区，且7 4 3 1 工作面由于特殊的地质条件造成回 采过程中在回采前期遗留有大范围孤岛煤柱。并 且7 4 3 3 工作面回风巷侧和皮带巷侧钻孔钻屑量 都未超过钻屑临界指标值，这也从侧面反映出工 作面参数优化的合理l 生。 4 结论 1 随着我国某些矿区矿井越来越往深部开 采，且地质条件越来越复杂，冲击地压现象越来越 严重。因此，深埋复杂工作面冲击地压区域防范势 在必行。 2 对7 4 3 3 工作面的优化设计，很好地验证 了切眼内错以及屈服煤柱可以降低工作面应力集 中程度，从而降低工作面的冲击危险。 3 对7 4 3 3 工作面的工程实践检验结果表 明，工作面区域防范技术能够很好地降低工作面 的冲击地压危险，保证工作面的安全回采。 [ 参考文献] [ 1 ] 窦林名，赵从国．煤矿开采冲击矿压灾害防治[ M ] ．徐 州中国矿业大学出版社，2 0 0 6 2 4 ． [ 2 ] 牟宗龙，曲延伦．深部工作面冲击矿压危险分析及防 治[ J ] ．中国煤炭，2 0 1 3 1 2 1 0 0 一1 0 3 ． [ 3 ] 高明仕．冲击矿压巷道围岩的强弱强结构控制机理研 究[ D ] ．徐州中国矿业大学，2 0 0 6 ． [ 作者简介] 陈洪章 1 9 8 0 一 ，男，工程师，毕业于安徽理工大学采 矿工程专业，现任大屯煤电公司公司孔庄煤矿生产技术科 副科长。[ 收稿日期2 0 1 6 0 8 0 1 ]