薄煤層開采切頂巷的防沖技術(shù)

張文勝

(1.中國礦業(yè)大學 資源與安全工程學院,北京 100083;2.黑龍江省龍煤礦業(yè)控股集團有限責任公司 七臺河分公司,黑龍江 七臺河 154600)

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薄煤層開采切頂巷的防沖技術(shù)

張文勝1,2

(1.中國礦業(yè)大學 資源與安全工程學院,北京 100083;2.黑龍江省龍煤礦業(yè)控股集團有限責任公司 七臺河分公司,黑龍江 七臺河 154600)

針對薄煤層開采防治沖擊地壓技術(shù)難題,以桃山煤礦為工程背景,開展薄煤層開采切頂巷防治沖擊地壓的相似模擬實驗和切頂巷參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬實驗,分析切頂巷布置工作面頂?shù)装宓倪\動和頂板巖層應(yīng)力變化及規(guī)律,選取合理的切頂巷布置參數(shù),結(jié)合微震技術(shù)進行現(xiàn)場驗證。結(jié)果表明:切頂巷距離小于10 m時,切頂巷之間相互影響,形成應(yīng)力集中，對沖擊地壓防治不利;桃山煤礦93#煤層右三工作面切頂巷間距取值范圍15～30 m為宜;過切頂巷期間,礦震能量維持在較低水平,工作面頂板破斷,能量得到釋放,薄煤層開采切頂巷的防治沖擊地壓效果顯著。

沖擊地壓;薄煤層;切頂巷;頂板弱化;數(shù)值模擬

沖擊地壓是一種典型的礦山動力災(zāi)害現(xiàn)象[1-3],在煤、巖強度達到極限強度時,以突然、猛烈的形式釋放彈性能,導致煤巖層瞬時破壞并伴隨有煤粉和巖石的沖擊,造成井巷的破壞。目前,關(guān)于煤礦沖擊地壓的研究已經(jīng)取得一系列的研究成果。然而,薄煤層開采過程中上覆巖層破壞程度低,破壞過程緩慢,采掘工作面沖擊地壓的可能性小,因此,相關(guān)研究工作主要針對中厚煤層,薄煤層開采的沖擊地壓研究尚少涉及[4-6]。隨著開采技術(shù)和裝備的進步,薄煤層開采所占比例將日益增大,而隨著開采深度增加,薄煤層開采發(fā)生沖擊地壓事故明顯增多,薄煤層沖擊地壓防治研究已越來越受到國內(nèi)外學者的重視[7-10]。

鄰近采空區(qū)一側(cè)的上順槽與瓦斯高抽巷之間掘進的聯(lián)絡(luò)巷,稱之為切頂巷,切頂巷穿入厚層堅硬頂板,破壞頂板的完整性?；夭赏七M至切頂巷區(qū)域時,切頂巷起到弱化厚層堅硬頂板的作用,避免工作面后方形成大面積懸頂,減小沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的危險性[11]。針對桃山煤礦薄煤層開采切頂巷防治沖擊地壓技術(shù)難題,進行相似模擬實驗和數(shù)值模擬實驗,研究切頂巷布置工作面頂?shù)装宓倪\動過程及活動規(guī)律、工作面應(yīng)力變化規(guī)律,以及合理的切頂巷布置參數(shù),并結(jié)合微震技術(shù)進行現(xiàn)場驗證,為類似地質(zhì)條件下薄煤層開采切頂巷防治沖擊地壓技術(shù)應(yīng)用提供借鑒。

1　切頂巷防沖效果相似模擬實驗

1.1實驗方案

結(jié)合桃山煤礦93層右三片工作面地質(zhì)資料及開采實際情況,開展切頂巷防治沖擊地壓效果相似模擬實驗。相似模擬材料以骨料、石膏為膠結(jié)材料制作,固結(jié)物密度為1.5 g/cm3,幾何相似常數(shù)Cl=100。巖體的密度2.6 g/cm3,相似材料密度1.5 g/cm3。模型材料密度相似常數(shù)為

Cρ=2.6/1.5=1.733 3,

(1)

相似材料的應(yīng)力相似常數(shù)為

Cσ=Cl·Cρ=1.733 3×100=173.33。

(2)

模型層位關(guān)系如表1所示。

模擬采深為700 m,切頂巷間距為40、30、20、15、10 m,研究不同切頂巷間距頂板活動規(guī)律。埋設(shè)16個壓力傳感器,壓力傳感器及切頂巷布置如圖1所示。

1.2結(jié)果分析

1.2.1直接頂初次垮落過程

直接頂初次垮落過程如圖2所示。由圖2可以看出,工作面開挖10 m時,直接頂與老頂之間產(chǎn)生離層;工作面推進至20 m時,離層量急劇增加,直接頂懸頂中部出現(xiàn)拉裂紋;工作面推進至22 m時,直接頂初次垮落,初次垮落步距為16～18 m。直接頂較完整時,周期垮落步距一般為6～10 m,當直接頂厚度變薄或破碎時,頂板隨采隨冒,垮落步距2～5 m。

表1　模型層位關(guān)系

圖1　切頂巷與壓力傳感器布置

圖2　直接頂初次垮落過程

1.2.2工作面前后應(yīng)力分布

圖3為1#壓力盒經(jīng)應(yīng)變-應(yīng)力轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，其中σ為垂直應(yīng)力，l為工作面推進距離。由圖3可知,推進至距壓力盒40 m處,應(yīng)力有明顯升高趨勢,推進至75 m處達到峰值。

圖3　工作面推進過程中煤層應(yīng)力變化趨勢

圖4為4#壓力盒測得的應(yīng)變曲線。4#壓力盒距開切眼水平距離為105 m,由圖4可知,距工作面45 m時,頂板應(yīng)力快速增大;工作面推進至125 m時,應(yīng)力值最小,老頂在采空區(qū)彎曲懸頂長度為40 m;工作面推進至140 m時,應(yīng)力快速回升,由此推斷老頂懸頂長度為35～40 m;工作面推進到170～175 m時,采空區(qū)內(nèi)應(yīng)力到達最大值,說明老頂跨度為80 m左右。由以上分析可知,老頂在采空區(qū)的懸頂及結(jié)構(gòu)跨度大,煤壁前方應(yīng)力集中程度較高,不利于防治沖擊地壓,可采取措施弱化頂板,降低應(yīng)力,防治沖擊地壓。

圖4　工作面推進過程中老頂應(yīng)力變化趨勢

1.2.3切頂巷弱化頂板效果分析

1#、2#切頂巷附近四個壓力盒的應(yīng)力隨工作面推進的變化情況見圖5。無切頂巷處(1#),應(yīng)力峰值為94.45 MPa,遠大于切頂巷頂板弱化區(qū)應(yīng)力峰值。切頂巷兩側(cè)的應(yīng)力峰值較無切頂巷區(qū)域下降了20～30 MPa,切頂巷起到了顯著的弱化頂板效果。

圖5　1#、2#切頂巷附近煤體應(yīng)力變化趨勢

綜合以上分析,老頂懸頂長度約為40 m,采取切頂巷弱化頂板時,間距不宜大于40 m;切頂巷對頂板起到弱化作用,切頂巷間距小于30 m時弱化效果較好;切頂巷距離小于10 m時,切頂巷之間相互影響,形成應(yīng)力集中，對沖擊地壓防治不利;切頂巷間距取值范圍為15～30 m。

2　切頂巷參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模型

根據(jù)桃山煤礦一采區(qū)93右三片地質(zhì)及開采資料建立數(shù)值模型,模型設(shè)計如圖6所示。模型長×寬×高=160 m×150 m×120 m,開采深度為800 m。劃分模型單元144 240個。模型邊界條件為:固定下邊界z位移,固定x=0、x=150面x位移,固定y=0、y=160面y位移,在模型頂部施加均布載荷Szz=-13.17 MPa。切頂巷為矩形,寬×高=4 m×3 m。FLAC3D數(shù)值分析模型如圖7所示。

圖6　模型空間結(jié)構(gòu)

圖7　FLAC3D數(shù)值分析模型

2.2結(jié)果與分析

切頂巷區(qū)域垂直應(yīng)力云圖見圖8。由于切頂巷的開掘,切頂巷區(qū)域產(chǎn)生了應(yīng)力集中,受影響區(qū)域5～10 m。切頂巷開掘之后,回風巷下幫煤體應(yīng)力集中范圍15 m左右。因此,工作面過切頂巷時,應(yīng)加強沖擊地壓防治。為了避免相鄰切頂巷應(yīng)力疊加區(qū)的形成,切頂巷間距不應(yīng)小于15 m。

圖8　切頂巷回采前橫剖面Szz分布云圖

切頂巷區(qū)域水平應(yīng)力分布云圖見圖9。由圖9可知,切頂巷掘進后,巷道的切頂巷頂?shù)装鍏^(qū)域水平應(yīng)力減小,切頂巷兩幫煤巖體水平應(yīng)力變化不大,切頂巷兩幫的煤巖體垂直應(yīng)力受影響較大。

圖9　切頂巷區(qū)域水平應(yīng)力分布云圖

3　切頂巷防沖技術(shù)的應(yīng)用

上述研究成果應(yīng)用于桃山煤礦93右三片開采,桃山煤礦93右三片位于一采區(qū)左翼,上部93左四片降段已回采完畢,下部93左二片未形成工作面。在工作面上順槽與瓦斯巷之間采用垂直于順槽及瓦斯巷的水平巷道溝通上順槽與瓦斯巷,且以一定間距設(shè)置多個切頂巷。在工作面上順槽旁的頂板中形成一個巷道大小的孔洞,將頂板強度弱化,當工作面推過切頂巷區(qū)域時,頂板沿切頂巷產(chǎn)生斷裂,從而避免頂板形成過大懸頂,避免大面積懸頂對工作面及其前方煤體形成高應(yīng)力集中誘發(fā)沖擊礦壓。

現(xiàn)場微震實驗表明,礦震主要分布在工作面開采的中上部,切頂巷區(qū)域分布較少,礦震密集區(qū)域邊界與瓦斯高抽巷基本重合,說明切頂巷弱化頂板效果明顯;工作面應(yīng)力向中上部轉(zhuǎn)移,減弱了工作面上端頭應(yīng)力,減小了上端頭及回風巷的沖擊危險;同時,有利于震動能量的衰減,減少震動動載和端頭靜載的應(yīng)力疊加,有效降低沖擊危險性。

4　結(jié)　論

(1)相似模擬實驗結(jié)果表明,老頂懸頂長度約為40 m,采取切頂巷弱化頂板時,間距不宜大于40 m;切頂巷對頂板起到弱化作用,切頂巷間距小于30 m時弱化效果較好;切頂巷距離小于10 m時,切頂巷之間相互影響,形成應(yīng)力集中,對沖擊地壓防治不利。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明,由于切頂巷的開掘,切頂巷區(qū)域產(chǎn)生了應(yīng)力集中,受影響區(qū)域5～10 m。切頂巷開掘之后,回風巷下幫煤體應(yīng)力集中范圍為15 m左右。工作面過切頂巷時,應(yīng)加強沖擊地壓防治。

(3)切頂巷防沖技術(shù)在桃山煤礦的現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果顯示,過切頂巷期間,礦震能量維持在較低水平,工作面頂板破斷,能量得到釋放,切頂巷的防沖效果顯著。

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(編輯荀海鑫)

Research on rock burst prevention of cutting roof roadway in mining thin coal seam

ZHANG Wensheng1,2

(1.School of Resources &Safety Engineering,China University of Mining &Technology,Beijing 100083,China;2.Qitaihe Branch,Heilongjiang Longmay Mining Holding Group Co.Ltd.,Qitaihe 154600,China)

This paper is aimed at overcoming notorious difficulty resulting from the prevention of rock burst occurring in thin coal seams.The solution is developed by performing the similar simulation experiment and numerical simulation of cutting roof roadway for preventing rock burst,based on thin coal seam of Taoshan mine;analyzing the movement process and activity routines of roof and floor in arranging cutting roof roadway;identifying the law governing roof strata stress variation and reasonable layout parameters for cutting roof roadway;and running the field-test,combined with the microseismic monitoring technique.The results verify that the presence of cutting roof roadway with the distance of less than 10 m triggers an interaction between adjacent cutting roof roadway stress,contributing to stress concentration unfavorable to prevent and control rock bursts;and the reasonable distance of 15～30 m is recommended for use in the cutting roof roadway in 93#coal seam of Taoshan mine;and cutting roof roadway in mining thin coal seam provides the remarkable prevention of rock burst,as is evidenced by a lower energy level at which mine earthquake happens,the occurrence of roof fracture and consequent energy release during passing cutting roof roadway.

rock burst;thin coal seam;cutting roof roadway;roof weakening;numerical simulation

2015-03-03

國家自然科學基金項目(51474099)

張文勝(1967-),男,黑龍江省七臺河人,高級工程師,博士研究生,研究方向:圍巖壓力控制,E-mail:3080489388@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.002

TD324.2

2095-7262(2015)02-0124-05

A