回采工作面冲击矿压重点防范区域确定

孙成坤, 毛卫民, 曲宏伟

(1.中国矿业大学 资源与安全工程学院,北京 100083;

2.黑龙江龙煤矿业集团股份有限公司 七台河分公司,七台河 154600)

回采工作面冲击矿压重点防范区域确定

孙成坤1,2, 毛卫民2, 曲宏伟2

(1.中国矿业大学 资源与安全工程学院,北京 100083;

2.黑龙江龙煤矿业集团股份有限公司 七台河分公司,七台河 154600)

为防止回采工作面冲击矿压对人员造成伤害,根据采空区顶板覆岩同心传播转移规律、近心多载规律及采空区周围煤岩体上的应力分布规律,确定了回采工作面冲击矿压的重点防范区域。实例证明:对于接续回采工作面,冲击矿压的重点防范区域位于工作面距离上出口 20～30 m内和距离工作面 20～30 m的上巷内。实例证明与理论分析结果吻合,该研究可为有效防治冲击矿压灾害提供参考。

回采工作面;冲击矿压;防范区域

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

近年来,随着矿井开采深度的增加,冲击矿压发生的几率不断增多,对矿井安全生产所造成的威胁越来越大。准确预测冲击矿压灾害发生的时间和地点,是避免出现人员伤亡的关键。目前,在时间预测方面,针对冲击矿压预防而采取的定向区域监测[1-4]手段,如 K BD5便携式电磁辐射仪和 K BD7在线非接触式电磁辐射仪等,尚未达到准确预测的效果;在地点预测方面,国内一些学者提出了冲击矿压发生临界深度的概念,即当矿井开采深度达到一定值时,便具备了冲击矿压发生的自然条件[5],但从不完全统计结果来看,许多矿井即使未达到该深度,仍然会发生冲击矿压。基于此,笔者从采后顶板载荷转移规律出发,探讨了回采工作面冲击矿压易发位置,以期为冲击矿压重点防范区域的确定提供参考。

1 采空区顶板覆岩压力传播转移规律

煤体采出后,采空区顶板覆岩的原始压力会因下方失去承载介质而向四周承载点 (周围煤体)转移,使四周承载点处的压力增高,从而形成支承压力区。工作面推进距离不同,其上覆岩层的结构状态及采空区周围矿山压力分布的特征也不同。依据采空区顶板覆岩压力的同心传播规律和近心多载规律[6],采空区顶板压力中未被采空区冒落矸石分担的部分,在向采空区周围的煤岩体转移传播过程中呈现以下特点:

(1)采空区顶板覆岩压力总体可视为以采空区形心为圆心、以同心圆的形式向四周传播转移。在同一圆与周边各交点位置处,覆岩所转移来的压力相等,这遵循了“同心传播转移”规律。

(2)采空区顶板覆岩压力的新的承载点 (采空区周围煤体)距离顶板覆岩合力作用点 (采空区形心)越近,其上所转移过来的载荷越大,这遵循了“近心多载”规律。

据此,可获得首采工作面采空区周围煤岩体的应力分布情况,如图 1所示。

图 1 采空区顶板覆岩压力传播转移与应力分布Fig.1 Characteristcs of roof pressure propagation metastasis and stress distributing of goaf

2 冲击矿压重点防范区域确定

对于接续工作面即非首采工作面,回采过程中形成的采空区将与邻近采空区之间连通,如图 2所示。根据形心计算公式[7],连通后的采空区的形心坐标为:

式中:x、y——分别为采空区形心的横、纵坐标;

a——工作面长度;

b——工作面开切眼与停采线的距离;

l——工作面自开切眼开始推进的距离。

工作面由开切眼推进至停采线,其形心将沿曲线 ABO移动 (图 2)。由此可见,对于 CD工作面,无论开采到任何位置,在以曲线 ABO为形心轨迹运行的条件下,其上部均距离载荷形心点最近,根据“近心多载”规律,该部分所转移过来的载荷最大。因此,该工作面位置最易发生冲击矿压,尤其当工作面推进距离与工作面长度基本相等后,该处的载荷与最大集中应力相差最小,工作面上部逐步进入冲击矿压多发时间段。

图 2 相邻采空区连通后的形心变化Fig.2 Change of centroid after adjacent goaf connected

根据采空区周围煤体上的应力分布规律[8],当煤体一侧被采空后,其上方的覆岩载荷将向四周实体煤转移,转移后的实体煤上的应力分布如图 3所示。

图 3 采空区周围应力分布Fig.3 Stress distribution surround ing area of goaf

由图 3可见,采空区周围应力分为减压、增压、原岩应力三个区域。对于减压区,由于煤壁附近的煤体处于双向应力状态,其抗外力破坏能力小于三向应力状态下的抗破坏能力,故在采空区覆岩压力向煤体围岩转移的过程中会因超过其抗压强度而发生破坏,从而减弱了对顶板覆岩的承载能力,此时该区域煤体上方所承担的载荷急剧减小,且小于原岩应力。减压区的横向覆盖范围与煤体和顶底板岩层的相对刚度有关,在顶底板刚度一定的条件下,煤体刚度越大,该范围越小,反之则越大。一般情况下其横向的覆盖范围为 4～6 m。

增压区煤体处于三向应力状态,故其抵抗外力的破坏能力要强于减压区内的煤体,根据“硬点多载”规律[9],其上承担的采空区顶板覆岩所转移过来的载荷较多。与减压区类似,增压区的横向覆盖范围也与煤体和顶底板岩层的相对刚度有关。在顶底板刚度一定的条件下,煤体刚度越大,该范围越小,反之则越大。一般情况下,增压区的横向覆盖范围为 40～60 m,应力峰值距离采空区边界 15～20 m。

增压区以外区域为原岩应力区,因采空区覆岩所转移过来的应力均小于原岩应力的 5%,故认为该区域内的煤体上方应力对煤体没有影响。

一般来说,冲击矿压发生需具备两个条件:一是超过煤岩体自身强度的较高的外载荷,即较高的集中应力;二是煤岩体自身具有硬脆的力学属性。在两个条件同时存在,又有外界扰动诱导条件时,便会发生冲击矿压。根据冲击矿压发生的条件,对于接续工作面,在沿工作面推进方向上距离工作面前方20～30 m以内的上巷内,以及沿工作面布置方向上距离工作面上出口 20～30 m以内,均属于高应力区的峰值位置,也是最容易满足冲击矿压发生的载荷条件的位置。

3 实 例

黑龙江龙煤矿业控股集团有限责任公司七台河分公司桃山煤矿,2005—2008年共发生冲击矿压 20次[10],具体情况见表 1。

表 1 2005—2008年桃山矿冲击矿压发生情况统计Table 1 Statistic of rockburst about Taoshan coalm ine during 2005—2008

从表中可以看出,回采工作面冲击矿压的发生主要集中在工作面距离上出口 30 m内和距离工作面前方 20 m内的上巷内。发生在回采巷道中的冲击矿压次数较少,约占 20%。究其原因主要是巷道自身开挖泄压以及工作面超前加强支护的影响。发生在工作面上的冲击矿压次数相对较多,占 80%左右。从现场统计分析来看,冲击矿压发生的时间均在工作面推进距离与工作面长度相当的位置之后。

据此,桃山煤矿在生产过程中,除在工作面上部距离上出口 30 m内和在工作面前方距离工作面30 m以内的上巷内进行加强支护之外,还沿煤层和倾斜向煤层顶板进行了深孔松动泄压,同时采用KBD5和 KBD7监控系统进行监测,以此防范回采工作面冲击矿压。截至目前,桃山煤矿工作面冲击矿压发生次数明显减少,冲击矿压的强度明显降低,尚未发生一起因冲击矿压而导致人员伤亡的事故。

4 结 论

(1)根据采空区顶板覆岩压力的同心传播转移规律和近心多载规律,接续工作面冲击矿压易发生在煤体两侧临空的区域,即工作面上出口附近。

(2)根据采空区周围应力分布规律,工作面前方 20～30 m的上巷内和距离上出口 20～30 m的工作面内,均属于冲击矿压重点防范区域。

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(编辑 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

孙成坤 (1971-),男,黑龙江省七台河人,高级工程师,博士研究生,研究方向:矿山安全与管理,E-mail:sck1971@sina.com。