不规则孤岛工作面冲击危险评价的应力分析法研究

于华兵 王思栋 冯福东

(枣庄矿业(集团)有限公司滨湖煤矿,山东省滕州市,277515)

不规则孤岛工作面冲击危险评价的应力分析法研究

于华兵 王思栋 冯福东

(枣庄矿业(集团)有限公司滨湖煤矿,山东省滕州市,277515)

针对滨湖煤矿上覆遗留煤柱下方复杂不规则孤岛工作面冲击危险性提出了基于应力分析的冲击危险评价方法,根据煤岩冲击倾向性与破裂模式,制定了评价冲击危险的应力判别等级与指标,确定了滨湖煤矿冲击临界应力为70 MPa。将冲击危险性分为4级,小于50 MPa为无冲击危险,50～70 MPa为弱冲击危险,70～105 MPa为中等冲击危险,大于105 MPa为强冲击危险。模拟了孤岛工作面原岩应力与支承压力分布规律,对孤岛工作面冲击危险进行了评价与分区。工作面回采过程中,利用钻孔应力计与钻屑法进行监测,结果表明,利用应力分析法确定的冲击危险区域与危险等级精确度高。

孤岛工作面 冲击矿压 危险评价 应力分析法

研究表明,冲击矿压的发生地点与高应力区域密切相关,静载(原岩应力采动支承压力)在冲击矿压的发生中占有极其重要甚至是主导作用。采前利用地应力测试、数值模拟与矿压理论分析确定高应力区,对于提高冲击矿压危险性评价精度具有重要作用,同时可以根据应力分析的结果,确定临界指标,制定评级冲击危险的等级与判据,从而有针对性地进行卸压处理与解危,能够极大提高治理效率,达到事倍功半的效果。

孤岛工作面采场矿压显现规律和上覆岩层运动规律与非孤岛工作面开采条件下的差别非常大,孤岛工作面的应力集中程度非常高,其覆岩活动非常剧烈,易导致冲击矿压的发生,其危险程度远远高于非孤岛工作面。以往对孤岛工作面冲击矿压的研究主要集中在孤岛工作面冲击矿压机理、覆岩运动规律;孤岛工作面冲击危险的评价与预测主要采用常规方法如综合指数法等进行。本文主要研究上覆遗留煤柱下方不规则孤岛工作面,采用应力分区评价冲击危险并划定冲击危险等级,从而为孤岛工作面冲击危险评价与防治提供一定依据。

1 工程概况

滨湖煤矿16105孤岛工作面位于16107工作面东侧,16103工作面西侧,F25－10断层北侧, 161集中运输巷南侧,开采16＃煤层。上覆12＃煤层采空区,12＃煤层平均厚1.2 m,距离16＃煤层约50 m。16105工作面巷道布置见图1,虚线为12＃煤层工作面,实线为16＃煤层工作面。16105工作面对应地面标高为＋34.01～35.03 m,工作面标高为－560.8～－506.7 m。工作面走向长度914 m,工作面长30～254 m。煤层结构简单,未发现夹矸,含有一层不连续黄铁矿,煤层倾角3°～10°,平均5°。基本顶为泥岩,平均厚度7.3 m,普氏硬度系数f为4～6;直接顶为灰岩,平均厚度4.9 m,普氏硬度系数f为6～8。

图1 16105孤岛工作面巷道布置示意图

2 冲击应力临界值确定

研究表明,煤体冲击临界应力主要与煤体力学性质有关。

(1)煤的单向抗压强度RC＞20 MPa,煤体发生冲击矿压破坏的最小应力为50 MPa;

(2)煤的单向抗压强度RC＜16 MPa,煤体发生冲击矿压破坏的最小应力为70 MPa;

(3)煤的单向抗压强度RC＝16～20 MPa时,煤体发生冲击矿压破坏的最小应力为50～70 MPa。

从滨湖煤矿16＃煤层的抗压强度测试结果可知,16＃煤层单轴抗压强度为6.25 MPa,煤体强度较低,且煤样节理裂隙发育,受载过程中易发生崩解式破碎,因此,对于16＃煤层而言要发生冲击,就需要大于70 MPa的压应力,所以确定70 MPa为发生冲击的临界压力,考虑到16＃煤层较薄,因此,利用煤体中应力(采动后为支承压力)作为冲击危险主要指标,从安全角度出发,将50 MPa、70 MPa、105 MPa(1.5倍的临界压力)作为冲击危险等级划分的阈值,因此可分为4个等级,小于50 MPa为无冲击危险,50～70 MPa为弱冲击危险,70～105 MPa为中等冲击危险,大于105 MPa为强冲击危险。

3 16105孤岛工作面的应力分析

3.1 应力分析数值模型建立

采用FLAC2D数值模拟软件,模拟分析12＃煤层、16107工作面、16103工作面采空的情况下, 16105工作面掘进与回采过程中应力变化,并确定高应力区域。数值模型以16105工作面的综合地质柱状图及工作面布置平面图为基础,并对条件进行适当简化,数值模型尺寸为700 m×154 m(宽×高),共设置28000个单元、28431个节点,煤层部分进行细化。模型上边界施加的载荷按采深450 m计算,底部边界垂直方向固定,左右边界水平方向固定。由于16105孤岛工作面在推进方向宽度不断变小,因此,选择工作面宽度为200 m处与100 m处两个剖面进行模拟。

3.2 数值模拟结果分析

对12109、12107、12105工作面进行开挖,在12＃煤层与16＃煤层中均形成了应力降低区与集中区。16＃煤层的原岩应力为14 MPa,在12＃煤层的应力集中区下方,应力峰值最大达到19.3 MPa,应力集中系数为1.4。12109、12107、12105工作面上的地表位移最大为1.25 m,可以看出当12＃煤层回采后,地表下沉已达到充分采动,垮落的岩石已将采空填满压实,采空区上方顶板不存在悬空状态。这与地表监测的结果相吻合。然后对16107、16103工作面进行开挖,16107工作面回采后,受工作面自重应力场与采动支承压力的叠加影响,形成了应力集中区,并与12109工作面的应力集中区叠加,应力峰值达到60 MPa,应力集中系数达到4.0。由于煤层厚度较小,应力峰值靠近16107材料巷,距离约3 m。16103工作面回采后,应力分布状态与16107类似。由于靠近16103运输巷一侧的12＃煤层中留设的煤柱宽度小于16107材料巷一侧,因此应力峰值小于16107材料道一侧,应力最大为50 MPa,应力集中系数3.3。沿16107、16103采空区留设8 m煤柱掘进16105工作面运输巷、材料巷后,运输巷由于处于12＃煤层煤柱下方,应力集中程度较高,最大值达到63 MPa,应力集中系数为4.2,距离运输巷约5 m。而材料巷由于布置在12105运输巷的下方,应力集中程度相对较弱,应力峰值为45 MPa,应力集中系数为3,距离材料巷约3 m。由此可见,受12＃煤层煤柱的影响,16105工作面两巷均有较大的应力集中,其中运输巷应力集中程度高于材料巷,但是均小于冲击矿压发生的最小应力,从应力分布的角度看,在掘进过程中,16105工作面两巷冲击危险性属于弱冲击性危险。

对16105工作面进行回采,在12＃煤层遗留煤柱、两侧采空区与超前支承压力的作用下,工作面开采后,16105运输巷一侧煤柱中应力集中程度较高。最大支承压力值为78.4 MPa。因此在回采过程、处于12＃煤层煤柱下方的运输巷属于中等冲击危险。随着工作面宽度的减小,工作面两侧支承压力逐渐增大,因此,工作面向前推进过程中,冲击危险性会逐渐增加。

4 孤岛工作面冲击危险评价与区域划分

经过分析16105孤岛工作面冲击危险影响因素主要有两侧采空区形成的侧向支承压力、上覆12＃煤层遗留煤柱造成的应力集中、本工作面采掘超前支承压力的影响、巷道转折、交叉点等区域应力叠加影响,将以上因素转化为应力集中系数,对不同区域计算应力水平,确定16105孤岛工作面冲击危险等级为中等冲击危险,采取一定的监测与防治方法可以保证工作面的安全回采。冲击危险区域划分如图2所示。

图2 基于应力分析的孤岛工作面冲击危险区域划分

根据危险区域划分的结果,有针对性进行监测与治理。在中等冲击危险区,采用钻屑法进行监测,出现钻屑超标及孔内动力显现时,进行钻孔卸压,同时,控制推进速度不超过4 m/d(生产过程中3.6 m/d);强冲击危险区,超前工作面200 m,进行钻孔卸压。中等以上冲击危险区超前支护距离不小于100 m。工作面回采时,正常周期来压步距为9～12 m,采空区顶板岩石随采随落,未出现大面积悬顶现象。通过钻屑法进行检测,打钻过程中钻屑量未超过临界指标,无卡钻、顶钻等动力现象。回采过程中出现了煤炮现象,在划定的强冲击危险区较为密集,由于提前采取了钻孔卸压,未出现巷道变形破坏等现象。通过应力分析,确定冲击危险区,提高了冲击危险监测与治理的针对性与效果,保证了孤岛工作面的安全生产。

5 结论

(1)提出了基于应力分析的冲击危险评价技术,根据煤体单轴抗压强度,确定了滨湖煤矿冲击临界应力为70 MPa。

(2)基于应力分析,给出了冲击危险等级评价与划分标准,将冲击危险性分为4级,小于50 MPa为无冲击危险,50～70 MPa为弱冲击危险, 70～105 MPa为中等冲击危险,大于105 MPa为强冲击危险。

(3)采用数值模拟结合矿压理论分析,对孤岛工作面不同区域进行了应力分析,在此基础上对16105孤岛工作面冲击危险进行了评价与分区,根据分区结果制定了具有针对性的分区监测治理方案,现场矿压监测结果表明,应力分析划分冲击危险区域精度高,能够准确判断冲击危险等级,保证工作面安全回采。

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(责任编辑 张毅玲)

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

于华兵(1962－),男,江苏丰县人,天津大学EMBA硕士,高级工程师,现任枣庄矿业(集团)滨湖煤矿矿长、党委书记。