深部不规则煤柱影响下旋采工作面冲击危险区的划分

郭晓胜，张明斌，任文涛，李百伦

(1.山东能源淄矿集团唐口煤业，山东 济宁 272055；2.山东科技大学，山东 青岛 266000；3.山东煤矿安全监察局 鲁西分局，山东 济宁 272055)

深部不规则煤柱影响下旋采工作面冲击危险区的划分

郭晓胜1，张明斌2，3，任文涛1，李百伦1

(1.山东能源淄矿集团唐口煤业，山东 济宁 272055；2.山东科技大学，山东 青岛 266000；3.山东煤矿安全监察局 鲁西分局，山东 济宁 272055)

[摘要]在分析唐口煤矿3303旋转工作面特殊开采情况的基础上，提出采用数值模拟技术预先圈定了3303工作面在初采期间的2个冲击危险区，然后对这2个危险区利用CT探测技术又进一步确定了重点危险区，这对后续开采阶段的冲击地压防治工作具有重要的指导和借鉴意义。

[关键词]不规则煤柱；旋采；CT探测；冲击地压

1工程概况

3303工作面走向可采长度1255m，平均埋深880m，地应力大，地质构造复杂，煤层具有强冲击倾向性，工作面位置见图1。该面为一旋采[1-5]工作面，胶带巷侧区段煤柱极不规则，煤柱宽度变化大，最窄处仅5m，工作面开采期间煤柱受力极不稳定。旋采区段内有多条巷道交差，将工作面煤体切割成多个三角煤柱，多方向支承压力叠加引起煤体应力高度集中，工作面推进时，与超前支承压力共同叠加，围岩应力场将更为复杂，煤柱稳定性问题将尤为突出。

图1　3303工作面位置

为保障3303工作面的顺利开采，需对其进行冲击地压防治研究，深入分析开采过程中工作面及煤柱应力场演化规律，厘清导致冲击地压发生的主要因素，对可能发生冲击的区域与时段进行预测，并提出解危措施。

2基于数值模拟技术的冲击危险区划分

利用数值模拟方法[6]对3303工作面初采期间以及旋采期间煤体进行了模拟。

2.1异形煤柱区域

工作面过异形煤柱区域时，危险区域主要集中在异形煤柱位置的两个三角煤柱，见图2，随着工作面推进，煤柱周围临空面积不断扩大，异形煤柱将承受来自3302工作面采空区、3303工作面回采巷道及3303工作面采空区的综合影响，受力情况比较复杂。

图2　异形煤柱位置示意

图3为工作面推进过程中O点(煤柱宽度最窄处)垂直应力的变化曲线。工作面推进30m之前，异形煤柱主要受3302采空区影响。随着3303工作面推进，悬露顶板的压力逐渐向周边煤体转移，应力值将继续增大。工作面推进至40m附近时，异形煤柱逐渐处于两侧采空状态，其应力集中程度明显升高，如图3中A点所示。当工作面到达O点附近，采空区侧煤柱宽度仅有5m，煤体垂直应力达到50MPa，O点处周围煤体均处于塑性区，内部已没有弹性核的存在，煤柱或以渐进破坏的形式失稳，短期内胶带巷端头表面变形量将急剧增加。

图3　O点垂直应力曲线

2.2工作面旋采期间应力分析

3303工作面旋采使工作面成功旋转了37°，从而使0.1Mt边角煤顺利开采。旋采期间工作面推进度极不均衡，且开始接近三角煤柱区，危险性很大。

由图4可知，旋采期间胶带巷上下帮以及轨道巷下帮的垂直应力都出现了大幅升高，其中胶带巷最为明显。旋采期间，胶带巷端头区域的应力集中程度高，顶板悬露面积大，应大力加强支护和重点区域应力监测。

图4　巷道端头区域两帮峰值应力随推进距离变化曲线

2.3三角煤柱群稳定性分析

由图5、图6可知，由于2条措施巷的开掘，在水平段开采期间将先后形成4个冲击危险区域，先后分别为：D，B，A，C。在工作面推进这4个危险区域之前，煤体应力均已呈现应力集中状态，且不同位置的应力集中程度有所不同。

图5　三角煤柱群位置示意

图6　巷道交叉危险区域单元体垂直应力曲线

2.4工作面冲击危险性时空划分

由于3302采空区的存在和3303工作面旋转开采的综合作用使得3303工作面应力状态呈现异常规律。为方便指导后期的冲击地压监测及防治工作，将初采400m范围内的工作面冲击危险性依据时间先后顺序进行时空划分，共划分了6个危险区，其中第1冲击危险区和第3冲击危险区为强冲击危险区，其余为一般冲击危险区，如图7所示。

图7　冲击危险区域划分示意

在接近这6个危险时段之前要充分利用岩石力学及地球物理手段密切跟踪顶板运动和煤体应力演化情况，准确把握其变化规律与发展趋势，及时对冲击危险进行预警。

3基于CT探测技术的重点危险区确定

PASAT-M便携式微震探测系统可对指定重点区域进行地震波参数层析成像[7-8]，本次探测将选取2个典型区域进行研究。共设计2个测区，一测区为工作面前方70m范围；二测区为巷道交叉区域，具体为第4危险区和第5危险区所处范围。两测区具体位置如图8所示。

图8　PASAT探测区域位置示意

3.1一测区探测结果解释

图9为一测区地震纵波波速异常系数分布图，探测区域内波速正异常系数最大为0.55，波速负异常系数最小为-0.55。由图9可知，靠近交叉口位置约20m范围内，异常系数基本都小于0.25，表明该处应力水平偏低，该区域煤体已进入塑性破坏状态，煤体完整性和承载能力均大大降低，应力集中等级为“无”或“弱”。

图9　纵波波速异常系数分布

同时发现，一条负异常带由轨道巷侧向探测区域内部延展，其波速异常值均小于-0.20，推断该区域为原生破碎带或煤层增厚带，工作面推进至此位置时，应及时移架护顶，防止架前冒顶。

如图10所示，提取了波速异常系数大于0.14的区域，即存在应力集中现象的区域，该区域内波速最大异常系数达到0.55。另外，异常值大于0.4状况(中等应力集中)在两侧巷道附近均有出现，由于帮部煤体处于单向或两向受力状态，强度相对较低，相同条件下将比处于深处煤体更容易破坏。

图10　纵波波速正异常区域提取

根据以上分析，得出一测区内危险区有3个，如图11所示。

图11　一测区冲击危险区域划分

3.2二测区探测结果解释

图12为二测区地震波纵波速度异常系数分布图，探测区域内波速正异常系数最大为0.5，波速负异常系数最小为-0.5。不同区域煤体的波速异常系数差异性反应了其物理力学特性及应力状态的差异性。

图12　纵波波速异常系数分布

如图13所示，提取了存在应力集中现象的区域(波速异常系数大于0.125)，区域内波速最大异常系数达到0.5，即处于强应力集中状态。但由于两区域与工作面及巷道的相对位置差异较大，其冲击危险性也将表现出一定差异。

图13　纵波波速正异常区域提取

根据以上分析，得出二测区内危险区有2个，如图14所示。

图14　二测区冲击危险区域划分

4结论

(1)3303工作面倾斜段开采过程中，异形煤

柱应力水平将持续升高，O点处煤柱或将发生渐进式失稳破坏。该时段内胶带巷两帮煤体应力集中程度和冲击危险程度明显大于轨道巷两帮，而胶带巷下帮则明显大于上帮。

(2)受交叉措施巷及工作面旋采共同影响，旋采阶段内工作面前方煤体应力分布规律变得异常复杂，尖角煤柱应力集中水平极高，成为诱发煤柱型冲击地压的主要危险源。

(3)针对3303工作面初采400m期间，划定了6个冲击危险区域，分析了危险源形成条件，并指明了冲击危险时段。

(4)根据成像结果，一测区内划定3个冲击危险区域的具体位置和范围，其中2个具有较强冲击危险性。二测区划定了2个冲击危险区域的具体位置和范围，其中一个具有较强冲击危险性。

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[责任编辑：潘俊锋]

Division of Rock Burst Hazard Zone of Rotary Mining Face under Influence of Irregular Coal Pillar in Deep

[收稿日期]2015-07-15[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.028

[作者简介]郭晓胜(1981-)，男，山东济南人，工程师，唐口煤业公司防冲副总工程师，从事冲击地压灾害治理工作。

[中图分类号]TD324

[文献标识码]B

[文章编号]1006-6225(2016)03-0106-03

[引用格式]郭晓胜，张明斌，任文涛，等.深部不规则煤柱影响下旋采工作面冲击危险区的划分[J].煤矿开采，2016，21(3)：106-108，146.