不規則孤島工作面沖擊危險評價的應力分析法研究

于華兵 王思棟 馮福東

(棗莊礦業(集團)有限公司濱湖煤礦,山東省滕州市,277515)

不規則孤島工作面沖擊危險評價的應力分析法研究

于華兵 王思棟 馮福東

(棗莊礦業(集團)有限公司濱湖煤礦,山東省滕州市,277515)

針對濱湖煤礦上覆遺留煤柱下方復雜不規則孤島工作面沖擊危險性提出了基于應力分析的沖擊危險評價方法,根據煤巖沖擊傾向性與破裂模式,制定了評價沖擊危險的應力判別等級與指標,確定了濱湖煤礦沖擊臨界應力為70 MPa。將沖擊危險性分為4級,小于50 MPa為無沖擊危險,50～70 MPa為弱沖擊危險,70～105 MPa為中等沖擊危險,大于105 MPa為強沖擊危險。模擬了孤島工作面原巖應力與支承壓力分布規律,對孤島工作面沖擊危險進行了評價與分區。工作面回采過程中,利用鉆孔應力計與鉆屑法進行監測,結果表明,利用應力分析法確定的沖擊危險區域與危險等級精確度高。

孤島工作面 沖擊礦壓 危險評價 應力分析法

研究表明,沖擊礦壓的發生地點與高應力區域密切相關,靜載(原巖應力采動支承壓力)在沖擊礦壓的發生中占有極其重要甚至是主導作用。采前利用地應力測試、數值模擬與礦壓理論分析確定高應力區,對于提高沖擊礦壓危險性評價精度具有重要作用,同時可以根據應力分析的結果,確定臨界指標,制定評級沖擊危險的等級與判據,從而有針對性地進行卸壓處理與解危,能夠極大提高治理效率,達到事倍功半的效果。

孤島工作面采場礦壓顯現規律和上覆巖層運動規律與非孤島工作面開采條件下的差別非常大,孤島工作面的應力集中程度非常高,其覆巖活動非常劇烈,易導致沖擊礦壓的發生,其危險程度遠遠高于非孤島工作面。以往對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理、覆巖運動規律;孤島工作面沖擊危險的評價與預測主要采用常規方法如綜合指數法等進行。本文主要研究上覆遺留煤柱下方不規則孤島工作面,采用應力分區評價沖擊危險并劃定沖擊危險等級,從而為孤島工作面沖擊危險評價與防治提供一定依據。

1 工程概況

濱湖煤礦16105孤島工作面位于16107工作面東側,16103工作面西側,F25－10斷層北側, 161集中運輸巷南側,開采16＃煤層。上覆12＃煤層采空區,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,實線為16＃煤層工作面。16105工作面對應地面標高為＋34.01～35.03 m,工作面標高為－560.8～－506.7 m。工作面走向長度914 m,工作面長30～254 m。煤層結構簡單,未發現夾矸,含有一層不連續黃鐵礦,煤層傾角3°～10°,平均5°。基本頂為泥巖,平均厚度7.3 m,普氏硬度系數f為4～6;直接頂為灰巖,平均厚度4.9 m,普氏硬度系數f為6～8。

圖1 16105孤島工作面巷道布置示意圖

2 沖擊應力臨界值確定

研究表明,煤體沖擊臨界應力主要與煤體力學性質有關。

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

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

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

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

3 16105孤島工作面的應力分析

3.1 應力分析數值模型建立

采用FLAC2D數值模擬軟件,模擬分析12＃煤層、16107工作面、16103工作面采空的情況下, 16105工作面掘進與回采過程中應力變化,并確定高應力區域。數值模型以16105工作面的綜合地質柱狀圖及工作面布置平面圖為基礎,并對條件進行適當簡化,數值模型尺寸為700 m×154 m(寬×高),共設置28000個單元、28431個節點,煤層部分進行細化。模型上邊界施加的載荷按采深450 m計算,底部邊界垂直方向固定,左右邊界水平方向固定。由于16105孤島工作面在推進方向寬度不斷變小,因此,選擇工作面寬度為200 m處與100 m處兩個剖面進行模擬。

3.2 數值模擬結果分析

對12109、12107、12105工作面進行開挖,在12＃煤層與16＃煤層中均形成了應力降低區與集中區。16＃煤層的原巖應力為14 MPa,在12＃煤層的應力集中區下方,應力峰值最大達到19.3 MPa,應力集中系數為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12＃煤層回采后,地表下沉已達到充分采動,垮落的巖石已將采空填滿壓實,采空區上方頂板不存在懸空狀態。這與地表監測的結果相吻合。然后對16107、16103工作面進行開挖,16107工作面回采后,受工作面自重應力場與采動支承壓力的疊加影響,形成了應力集中區,并與12109工作面的應力集中區疊加,應力峰值達到60 MPa,應力集中系數達到4.0。由于煤層厚度較小,應力峰值靠近16107材料巷,距離約3 m。16103工作面回采后,應力分布狀態與16107類似。由于靠近16103運輸巷一側的12＃煤層中留設的煤柱寬度小于16107材料巷一側,因此應力峰值小于16107材料道一側,應力最大為50 MPa,應力集中系數3.3。沿16107、16103采空區留設8 m煤柱掘進16105工作面運輸巷、材料巷后,運輸巷由于處于12＃煤層煤柱下方,應力集中程度較高,最大值達到63 MPa,應力集中系數為4.2,距離運輸巷約5 m。而材料巷由于布置在12105運輸巷的下方,應力集中程度相對較弱,應力峰值為45 MPa,應力集中系數為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力集中,其中運輸巷應力集中程度高于材料巷,但是均小于沖擊礦壓發生的最小應力,從應力分布的角度看,在掘進過程中,16105工作面兩巷沖擊危險性屬于弱沖擊性危險。

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

4 孤島工作面沖擊危險評價與區域劃分

經過分析16105孤島工作面沖擊危險影響因素主要有兩側采空區形成的側向支承壓力、上覆12＃煤層遺留煤柱造成的應力集中、本工作面采掘超前支承壓力的影響、巷道轉折、交叉點等區域應力疊加影響,將以上因素轉化為應力集中系數,對不同區域計算應力水平,確定16105孤島工作面沖擊危險等級為中等沖擊危險,采取一定的監測與防治方法可以保證工作面的安全回采。沖擊危險區域劃分如圖2所示。

圖2 基于應力分析的孤島工作面沖擊危險區域劃分

根據危險區域劃分的結果,有針對性進行監測與治理。在中等沖擊危險區,采用鉆屑法進行監測,出現鉆屑超標及孔內動力顯現時,進行鉆孔卸壓,同時,控制推進速度不超過4 m/d(生產過程中3.6 m/d);強沖擊危險區,超前工作面200 m,進行鉆孔卸壓。中等以上沖擊危險區超前支護距離不小于100 m。工作面回采時,正常周期來壓步距為9～12 m,采空區頂板巖石隨采隨落,未出現大面積懸頂現象。通過鉆屑法進行檢測,打鉆過程中鉆屑量未超過臨界指標,無卡鉆、頂鉆等動力現象。回采過程中出現了煤炮現象,在劃定的強沖擊危險區較為密集,由于提前采取了鉆孔卸壓,未出現巷道變形破壞等現象。通過應力分析,確定沖擊危險區,提高了沖擊危險監測與治理的針對性與效果,保證了孤島工作面的安全生產。

5 結論

(1)提出了基于應力分析的沖擊危險評價技術,根據煤體單軸抗壓強度,確定了濱湖煤礦沖擊臨界應力為70 MPa。

(2)基于應力分析,給出了沖擊危險等級評價與劃分標準,將沖擊危險性分為4級,小于50 MPa為無沖擊危險,50～70 MPa為弱沖擊危險, 70～105 MPa為中等沖擊危險,大于105 MPa為強沖擊危險。

(3)采用數值模擬結合礦壓理論分析,對孤島工作面不同區域進行了應力分析,在此基礎上對16105孤島工作面沖擊危險進行了評價與分區,根據分區結果制定了具有針對性的分區監測治理方案,現場礦壓監測結果表明,應力分析劃分沖擊危險區域精度高,能夠準確判斷沖擊危險等級,保證工作面安全回采。

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(責任編輯 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EMBA碩士,高級工程師,現任棗莊礦業(集團)濱湖煤礦礦長、黨委書記。