回采工作面沖擊礦壓重點(diǎn)防范區(qū)域確定

孫成坤, 毛衛(wèi)民, 曲宏偉

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,北京 100083;

2.黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司 七臺(tái)河分公司,七臺(tái)河 154600)

回采工作面沖擊礦壓重點(diǎn)防范區(qū)域確定

孫成坤1,2, 毛衛(wèi)民2, 曲宏偉2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,北京 100083;

2.黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司 七臺(tái)河分公司,七臺(tái)河 154600)

為防止回采工作面沖擊礦壓對(duì)人員造成傷害,根據(jù)采空區(qū)頂板覆巖同心傳播轉(zhuǎn)移規(guī)律、近心多載規(guī)律及采空區(qū)周圍煤巖體上的應(yīng)力分布規(guī)律,確定了回采工作面沖擊礦壓的重點(diǎn)防范區(qū)域。實(shí)例證明:對(duì)于接續(xù)回采工作面,沖擊礦壓的重點(diǎn)防范區(qū)域位于工作面距離上出口 20～30 m內(nèi)和距離工作面 20～30 m的上巷內(nèi)。實(shí)例證明與理論分析結(jié)果吻合,該研究可為有效防治沖擊礦壓災(zāi)害提供參考。

回采工作面;沖擊礦壓;防范區(qū)域

Abstract:In order to prevent the rockburst from injuring staff on working face,this paper introduces the determination of the key prevention areasof rockburston working face,according to the law governing concentric propagation metastasis,proximal overload,and stress distribution surrounding area of goaf.The results show that the continuing working face should be provided with key prevention areas of rockburst,located 20～30 m from the top exit on working face and 20～30 m from the working face in the top roadway.The example is consistentwith the theoretical analysis.The study provides reference for the effective prevention and control of rockburst disasters.

Key words:working face;rockburst;prevention areas

近年來,隨著礦井開采深度的增加,沖擊礦壓發(fā)生的幾率不斷增多,對(duì)礦井安全生產(chǎn)所造成的威脅越來越大。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)沖擊礦壓災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn),是避免出現(xiàn)人員傷亡的關(guān)鍵。目前,在時(shí)間預(yù)測(cè)方面,針對(duì)沖擊礦壓預(yù)防而采取的定向區(qū)域監(jiān)測(cè)[1-4]手段,如 K BD5便攜式電磁輻射儀和 K BD7在線非接觸式電磁輻射儀等,尚未達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的效果;在地點(diǎn)預(yù)測(cè)方面,國內(nèi)一些學(xué)者提出了沖擊礦壓發(fā)生臨界深度的概念,即當(dāng)?shù)V井開采深度達(dá)到一定值時(shí),便具備了沖擊礦壓發(fā)生的自然條件[5],但從不完全統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看,許多礦井即使未達(dá)到該深度,仍然會(huì)發(fā)生沖擊礦壓?；诖?筆者從采后頂板載荷轉(zhuǎn)移規(guī)律出發(fā),探討了回采工作面沖擊礦壓易發(fā)位置,以期為沖擊礦壓重點(diǎn)防范區(qū)域的確定提供參考。

1 采空區(qū)頂板覆巖壓力傳播轉(zhuǎn)移規(guī)律

煤體采出后,采空區(qū)頂板覆巖的原始?jí)毫?huì)因下方失去承載介質(zhì)而向四周承載點(diǎn) (周圍煤體)轉(zhuǎn)移,使四周承載點(diǎn)處的壓力增高,從而形成支承壓力區(qū)。工作面推進(jìn)距離不同,其上覆巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及采空區(qū)周圍礦山壓力分布的特征也不同。依據(jù)采空區(qū)頂板覆巖壓力的同心傳播規(guī)律和近心多載規(guī)律[6],采空區(qū)頂板壓力中未被采空區(qū)冒落矸石分擔(dān)的部分,在向采空區(qū)周圍的煤巖體轉(zhuǎn)移傳播過程中呈現(xiàn)以下特點(diǎn):

(1)采空區(qū)頂板覆巖壓力總體可視為以采空區(qū)形心為圓心、以同心圓的形式向四周傳播轉(zhuǎn)移。在同一圓與周邊各交點(diǎn)位置處,覆巖所轉(zhuǎn)移來的壓力相等,這遵循了“同心傳播轉(zhuǎn)移”規(guī)律。

(2)采空區(qū)頂板覆巖壓力的新的承載點(diǎn) (采空區(qū)周圍煤體)距離頂板覆巖合力作用點(diǎn) (采空區(qū)形心)越近,其上所轉(zhuǎn)移過來的載荷越大,這遵循了“近心多載”規(guī)律。

據(jù)此,可獲得首采工作面采空區(qū)周圍煤巖體的應(yīng)力分布情況,如圖 1所示。

圖 1 采空區(qū)頂板覆巖壓力傳播轉(zhuǎn)移與應(yīng)力分布Fig.1 Characteristcs of roof pressure propagation metastasis and stress distributing of goaf

2 沖擊礦壓重點(diǎn)防范區(qū)域確定

對(duì)于接續(xù)工作面即非首采工作面,回采過程中形成的采空區(qū)將與鄰近采空區(qū)之間連通,如圖 2所示。根據(jù)形心計(jì)算公式[7],連通后的采空區(qū)的形心坐標(biāo)為:

式中:x、y——分別為采空區(qū)形心的橫、縱坐標(biāo);

a——工作面長度;

b——工作面開切眼與停采線的距離;

l——工作面自開切眼開始推進(jìn)的距離。

工作面由開切眼推進(jìn)至停采線,其形心將沿曲線 ABO移動(dòng) (圖 2)。由此可見,對(duì)于 CD工作面,無論開采到任何位置,在以曲線 ABO為形心軌跡運(yùn)行的條件下,其上部均距離載荷形心點(diǎn)最近,根據(jù)“近心多載”規(guī)律,該部分所轉(zhuǎn)移過來的載荷最大。因此,該工作面位置最易發(fā)生沖擊礦壓,尤其當(dāng)工作面推進(jìn)距離與工作面長度基本相等后,該處的載荷與最大集中應(yīng)力相差最小,工作面上部逐步進(jìn)入沖擊礦壓多發(fā)時(shí)間段。

圖 2 相鄰采空區(qū)連通后的形心變化Fig.2 Change of centroid after adjacent goaf connected

根據(jù)采空區(qū)周圍煤體上的應(yīng)力分布規(guī)律[8],當(dāng)煤體一側(cè)被采空后,其上方的覆巖載荷將向四周實(shí)體煤轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移后的實(shí)體煤上的應(yīng)力分布如圖 3所示。

圖 3 采空區(qū)周圍應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution surround ing area of goaf

由圖 3可見,采空區(qū)周圍應(yīng)力分為減壓、增壓、原巖應(yīng)力三個(gè)區(qū)域。對(duì)于減壓區(qū),由于煤壁附近的煤體處于雙向應(yīng)力狀態(tài),其抗外力破壞能力小于三向應(yīng)力狀態(tài)下的抗破壞能力,故在采空區(qū)覆巖壓力向煤體圍巖轉(zhuǎn)移的過程中會(huì)因超過其抗壓強(qiáng)度而發(fā)生破壞,從而減弱了對(duì)頂板覆巖的承載能力,此時(shí)該區(qū)域煤體上方所承擔(dān)的載荷急劇減小,且小于原巖應(yīng)力。減壓區(qū)的橫向覆蓋范圍與煤體和頂?shù)装鍘r層的相對(duì)剛度有關(guān),在頂?shù)装鍎偠纫欢ǖ臈l件下,煤體剛度越大,該范圍越小,反之則越大。一般情況下其橫向的覆蓋范圍為 4～6 m。

增壓區(qū)煤體處于三向應(yīng)力狀態(tài),故其抵抗外力的破壞能力要強(qiáng)于減壓區(qū)內(nèi)的煤體,根據(jù)“硬點(diǎn)多載”規(guī)律[9],其上承擔(dān)的采空區(qū)頂板覆巖所轉(zhuǎn)移過來的載荷較多。與減壓區(qū)類似,增壓區(qū)的橫向覆蓋范圍也與煤體和頂?shù)装鍘r層的相對(duì)剛度有關(guān)。在頂?shù)装鍎偠纫欢ǖ臈l件下,煤體剛度越大,該范圍越小,反之則越大。一般情況下,增壓區(qū)的橫向覆蓋范圍為 40～60 m,應(yīng)力峰值距離采空區(qū)邊界 15～20 m。

增壓區(qū)以外區(qū)域?yàn)樵瓗r應(yīng)力區(qū),因采空區(qū)覆巖所轉(zhuǎn)移過來的應(yīng)力均小于原巖應(yīng)力的 5%,故認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)的煤體上方應(yīng)力對(duì)煤體沒有影響。

一般來說,沖擊礦壓發(fā)生需具備兩個(gè)條件:一是超過煤巖體自身強(qiáng)度的較高的外載荷,即較高的集中應(yīng)力;二是煤巖體自身具有硬脆的力學(xué)屬性。在兩個(gè)條件同時(shí)存在,又有外界擾動(dòng)誘導(dǎo)條件時(shí),便會(huì)發(fā)生沖擊礦壓。根據(jù)沖擊礦壓發(fā)生的條件,對(duì)于接續(xù)工作面,在沿工作面推進(jìn)方向上距離工作面前方20～30 m以內(nèi)的上巷內(nèi),以及沿工作面布置方向上距離工作面上出口 20～30 m以內(nèi),均屬于高應(yīng)力區(qū)的峰值位置,也是最容易滿足沖擊礦壓發(fā)生的載荷條件的位置。

3 實(shí) 例

黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團(tuán)有限責(zé)任公司七臺(tái)河分公司桃山煤礦,2005—2008年共發(fā)生沖擊礦壓 20次[10],具體情況見表 1。

表 1 2005—2008年桃山礦沖擊礦壓發(fā)生情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistic of rockburst about Taoshan coalm ine during 2005—2008

從表中可以看出,回采工作面沖擊礦壓的發(fā)生主要集中在工作面距離上出口 30 m內(nèi)和距離工作面前方 20 m內(nèi)的上巷內(nèi)。發(fā)生在回采巷道中的沖擊礦壓次數(shù)較少,約占 20%。究其原因主要是巷道自身開挖泄壓以及工作面超前加強(qiáng)支護(hù)的影響。發(fā)生在工作面上的沖擊礦壓次數(shù)相對(duì)較多,占 80%左右。從現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)分析來看,沖擊礦壓發(fā)生的時(shí)間均在工作面推進(jìn)距離與工作面長度相當(dāng)?shù)奈恢弥蟆?/p>

據(jù)此,桃山煤礦在生產(chǎn)過程中,除在工作面上部距離上出口 30 m內(nèi)和在工作面前方距離工作面30 m以內(nèi)的上巷內(nèi)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)之外,還沿煤層和傾斜向煤層頂板進(jìn)行了深孔松動(dòng)泄壓,同時(shí)采用KBD5和 KBD7監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),以此防范回采工作面沖擊礦壓。截至目前,桃山煤礦工作面沖擊礦壓發(fā)生次數(shù)明顯減少,沖擊礦壓的強(qiáng)度明顯降低,尚未發(fā)生一起因沖擊礦壓而導(dǎo)致人員傷亡的事故。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)采空區(qū)頂板覆巖壓力的同心傳播轉(zhuǎn)移規(guī)律和近心多載規(guī)律,接續(xù)工作面沖擊礦壓易發(fā)生在煤體兩側(cè)臨空的區(qū)域,即工作面上出口附近。

(2)根據(jù)采空區(qū)周圍應(yīng)力分布規(guī)律,工作面前方 20～30 m的上巷內(nèi)和距離上出口 20～30 m的工作面內(nèi),均屬于沖擊礦壓重點(diǎn)防范區(qū)域。

[1] 王恩元,何學(xué)秋,竇林名,等.煤礦采掘過程中煤巖體電磁輻射特征及應(yīng)用[J].地球物理學(xué)報(bào),2005,48(1):216-221.

[2] 竇林名,何學(xué)秋,王恩元,等.由煤巖變形沖擊破壞所產(chǎn)生的電磁輻射[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2001,41(12):86-88.

[3] 牟宗龍,竇林名,陸菜平,等.巷道兩幫煤巖體電磁輻射信號(hào)差異分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2006,23(4):427-430.

[4] 竇林名,何學(xué)秋.煤巖沖擊破壞模型及聲電前兆判據(jù)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,33(5):504-508.

[5] 秦 昊,茅獻(xiàn)彪.應(yīng)力波擾動(dòng)誘發(fā)沖擊礦壓數(shù)值模擬研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2008,25(2):127-131.

[6] 張國華,梁 冰,侯鳳才,等.采空區(qū)頂板覆巖壓力同心傳播轉(zhuǎn)移與近心多載規(guī)律[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,29(1):26-30.

[7] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1983.

[8] 張國華,李鳳儀.礦井圍巖控制與災(zāi)害防治[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.

[9] 孫恒虎,趙炳利.沿空留巷的理論與實(shí)踐[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1993.

[10] 中國礦業(yè)大學(xué).七煤集團(tuán)薄煤層開采沖擊礦壓防治技術(shù)研究[R].北京:中國礦業(yè)大學(xué),2009.

[11] 侯 瑋,駢龍江,郝彬彬,等.深部開采沖擊地壓發(fā)生條件及預(yù)測(cè)和防治[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,25(2):65-68.

(編輯 荀海鑫)

Determ in ing key prevention areas of rockburst on work ing face

SUN Chengkun1,2, MAO W e im in2, QU Hongwei2
(1.Faculty of Resources&Safety Engineering,China University ofMining&Technology,Beijing 100083,China;2.Qitaihe Branch Company,HeilongjiangLongmayMining Group Co.Ltd.,Qitaihe 154600,China)

TD324

A

1671-0118(2010)05-0337-03

2010-08-24

孫成坤 (1971-),男,黑龍江省七臺(tái)河人,高級(jí)工程師,博士研究生,研究方向:礦山安全與管理,E-mail:sck1971@sina.com。