急倾斜水平分段综放面强矿压致灾机理及其防治

杨文化 来兴平 王宁波 艾小斐

摘 要：急傾斜特厚煤层水平分段综放开采条件下的强矿压致灾日益突出，严重制约矿井的安全生产。以乌东煤矿北采区45#特厚煤层为研究背景，构建物理相似模型，揭示了采场覆岩垮冒结构特征，理论分析综放面覆岩应力传递特征;通过FLAC3D软件建立三维数值计算模型，分析了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采后覆岩的应力场及塑性区的变化特征。结果表明：急斜煤层赋存环境复杂，顶板不易垮落，易在采空区形成悬空顶板;+600水平分段煤层开采后，覆岩应力重新分布，在+575水平工作面沿煤层倾向距顶板巷6～45 m的采场煤岩体内，形成轮廓为“三角形”的应力集中区;随开采水平不断向深部延伸，

应力集中程度不断增加，矿压显现也随之增剧。针对覆岩垮冒结构及应力特征，进行超前预裂爆破弱化技术，综放工作面支架压力和电磁辐射监测表明：支架压力下降了5～10 MPa，

煤岩体平均电磁辐射强度由35.5 mV下降为14.4 mV，明显减缓了工作面强矿压显现，实现了安全生产。这对类似矿井安全开采提供了值得借鉴依据。

关健词：

矿业工程;急倾斜;强矿压;致灾机理;超前预裂爆破

中图分类号：TD 323

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）02-0221-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0205开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Disaster mechanism and prevention of strong rock pressure in steeply

inclined horizontal sublevel fully-mechanizedcaving face

YANG Wen-hua1，2，LAI Xing-ping1，2，3，WANG Ning-bo4，AI Xiao-fei3

（1.College of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.Xian University of Science and Technology-Yulin Research Institute，Yulin 719000，China;

4.National Energy Group Xinjiang Energy Company，Urumchi 830027，China）

Abstract：The disaster caused by strong pressure

in fully-mechanized horizontal sublevel caving mining in steeply inclined and extra-thick coal seam，

is increasingly prominent，which seriously restricts the safety of the mine production.Taking 45# Extra-thick Coal Seam in northern mining area of Wudong Coal Mine as the research background，the physical model is constructed，the structural characteristics of overburden caving are revealed，and the stress-transfer characteristics of fully-mechanized top-coal caving face are theoretically analyzed.A three-dimensional numerical model is established using FLAC3D，and the stress field and variation characteristics of the plastic zone of the overburden rock after the caving of the horizontal sublevel are examined.The results show that the existing environment of steep seam is very complicated，and it is not easy for the roof to collapse.Therefore，it is likely to form a hanging roof in the goaf.After the excavation of the seam in 600 m level，the overburden stress redistributed，along the inclination of 575 m level face from the roof roadway 6 m to 45 m of the slope coal and rock mass，forming a “triangular” stress concentration area;as the mining level continues to extend to the depth，the concentration area continues to increase，and the rock pressure also increases.Based on the structure and stress characteristics of overburden，the advanced pre-splitting blasting technology is utilized.The support pressure and electromagnetic radiation monitoring result indicate that the support pressure decreased by 5～10 MPa，and the average electromagnetic radiation intensity of the coal and rock decreases from 35.5 to 14.4 mV，an alleviation of the rock pressure in the working face and an indication of safe production there.This provides a reference for

the safe mining of others.

Key words：mining engineering;steeply inclined coal seam;strong pressure;disaster-causing mechanism;pre-blasting

0 引 言

隨着工业的发展，煤炭资源开采深度和强大的不断增大，矿压显现越来越强烈，尤其是乌鲁木齐矿区赋存的急倾斜特厚煤层开采，强矿压问题已严重制约了矿井的安全生产[1-3]。目前关于煤层开采后覆岩垮冒结构特征、监测与防治措施进行了大量研究。邵小平等通过理论与现场监测分析，得出了基本顶破断的判别准则，指出顶板中存在卸载拱结构，且该结构是一种“平衡-失稳-再平衡-再失稳”动态扩展结构[4]。王家臣等建立了急倾斜煤层水平分段综放顶板破断岩块倾倒力学模型，提出了顶板上分段为“倾倒式”破坏模式，下分段为“滑塌式”破坏模式，并提出了顶板岩快“破坏形态转变点”的判别准则[5] 。鞠文君等构建了急倾斜覆岩断裂力学模型，得出覆岩悬臂能量展布特征，并提出预裂爆破断顶卸压防治技术[6]。崔峰等针对水平分段开采造成的持续性扰动作用运用数值模拟方法进行了分析，揭示本分段开采后和下分层开采后模型整体的塑性区、应力场和位移场分布特征，并提出煤岩体爆破与注水耦合致裂技术[7-8] 。齐庆新等根据数值模拟及现场实践结果得出，深孔断顶爆破能够从根本上改变应力分布，降低一定范围内的应力水平，以达到防治冲击地压的目的[9]。窦林名等基于煤岩破坏特征与现场多源信息的响应关系，建立了冲击矿压多指标预警技术，在时间与空间上定量描述冲击矿压的危险区域、状态及等级[10]。何学秋等依据煤岩体力电耦合模型和大量现场测试数据，从理论上得出了煤岩体动力灾害预警临界值系数与动态变化趋势系数[11]。曹建涛等通过现场监测煤岩体声-光-电-变形等多元监测信息，综合分析了复杂煤岩体动力失稳过程，并提出相应的预测方法[12-13]。单鹏飞等对急倾斜煤岩体进行了连续加卸载和断续加卸载力学特性实验，通过声发射、热红外、DR扫描等方法，综合分析了急倾斜煤岩体强度劣化特征[14-16]。上述研究对于急倾斜特厚煤层安全高效开采提出了一些有益结论，但是关于急倾斜特厚煤层水平分段综放开采强矿压致灾机理研究相对较少。

针对复杂环境下综放工作面强矿压致灾机理研究，以乌东煤矿北采区+575水平45#特厚煤层为工程背景，开展了物理相似模拟实验、理论分析、FLAC3D数值模拟研究等方法，综合分析研究急倾斜特厚煤层综放面强矿压致灾机理;并提出超前预裂爆破弱化顶板防控措施，减缓综放工作面矿压显现，实现安全开采。

1 工程背景

新疆乌东煤矿北采区位于八道湾向斜北翼，属博格达北麓的山前丘陵带，地势南高北低，地面标高+739.2～+934.0 m.含煤地层是中侏罗统的西山窑组，西山窑组地层呈北东～南西向带状展布，蕴藏着多组不同间距、不同厚度的急倾斜煤层，煤层倾角东缓西陡，平均45°，是一个典型的急倾斜煤层开采矿井。目前该矿正在回采+575水平45#特厚煤层，煤层厚度33 m，覆岩及底板均为泥钙质胶结的粉砂岩。由于其特殊的赋存环境，水平分段放顶煤开采作为急倾斜特厚煤层开采的一种科学方法已成为矿区目前唯一采用的开采方式（图1），工作面呈水平布置，工作面长度为煤层的水平厚度，回采巷道布置于顶底板两侧，工作面上方为为顶煤与上分段开采后残留的煤矸。+575水平45#特厚煤层工作面分段高度25 m，机采3 m，放顶煤高度22 m，采放比为1∶7.33，上分段（+600水平）工作面分段高度20 m，采放比为1∶5.67.近年来，随着急倾斜煤层开采深度和强度的不断增加，乌东煤矿北采区综放工作面及巷道系统稳定性控制问题日益突出。图2为综放工作面发生的强矿压破坏现象，影响范围超前工作面200 m，巷道最大帮鼓量达到50 cm，瞬间发生底鼓30 cm，顶板下沉量10～35 cm，“U”型钢棚收缩，收缩量20 cm，支柱弯曲变形。与此同时，覆岩大面积垮落充填采空区，致使采空区内有毒有害气体涌出至工作面和回采巷道，严重制约矿井的安全生产。矿压灾害对急倾斜煤层的安全开采提出了新的要求，因此研究急倾斜综放面强矿压致灾机理与控制，具有必要性和现实性。

2 综放开采覆岩垮冒及应力特征

急倾斜特厚煤层综放开采强矿压致灾是一个复杂的物理力学过程。物理相似模拟实验是基于事物与现象之间的相似特征，在相似模型上探讨和认识地层移动规律的一种科学实验，广泛应用于采矿工程领域[17-20]。以典型复杂难采特厚煤层乌东煤矿+575水平45#特厚煤层为工程背景，揭示急倾斜特厚煤层水平分段综放开采覆岩垮冒特征及其演化规律。实验得出，当+600水平煤层开采后，覆岩依次发生弯曲-离层-断裂等实验现象。由于岩层倾角45°，上覆岩层沿煤层法线方向作用于基本顶的应力仅为垂直应力的0.71，且顶板岩层为坚硬的粉砂岩（f=3.5～4.0），因此顶板岩层很难在自重条件下及时发生充分断裂垮落，形成上部悬空的类“倾斜平顶拱”临时结构如图3（a）所示。随工作面的推进及开采水平向深部的延伸，该临时结构不断被新的平衡体系取代并向上位岩层移动，“倾斜平顶拱”内岩体蜕变应力向采空区卸载并通过上方岩层传递演化致灾，这是一个典型的弹性拱在周期荷载作用下的共振弯曲和支座坍塌引起的非线性动力学问题。

+600水平开采前，+575水平工作面覆岩初始应力特征如图3（b）所示。图中在不考虑水平应力作用下，上覆岩层垂直向下的作用力为σ1，随着深度的增加σ1越来越大，σ1呈梯形分布;由于急倾斜煤层覆存特征，以及顶板沿法向垮落方式的特殊性，因此主要考虑σ1沿顶板的法向分力σ2.+600水平工作面开采之后，由于形成类“倾斜平顶拱”临时结构，覆岩应力重新分布，该结构下拱脚应力向深部转移，在+575顶板内产生应力集中区，覆岩应力重新分布如图3（c）所示。在应力集中区内，煤岩体受高应力的作用，产生拉断破坏与剪切破坏，局部形成塑性区。这时巷道围岩的变形特征以塑性破坏与流变为主，同时集中应力向围岩四周传递，使塑性区范围不断扩大，最终该塑性区与巷道松动圈导通。由于塑性区内煤岩体承载能力下降同时受回采工作面采动影响，使采场支护系统所受应力增大，当采场支护体系不足以支撑该应力时，将在工作面两侧巷道内发生底鼓、帮鼓等强矿压显现现象;随着开采水平不断向深部延伸，覆岩悬顶范围不断增大，同时应力集中程度不断升高，矿压显现也随之增剧;应力集中程度达到覆岩承载极限强度时，将瞬间发生大面积顶板垮冒，对工作面煤体及围岩内产生巨大冲击力，工作面及巷道内发生支架立柱压死、“U”型钢棚变形等强矿压破坏;同时垮冒覆岩充填采空区，致使采空区内有毒有害气体涌出至工作面，严重威胁矿井的安全生产。

3 综放面顶板应力分布特征数值模拟分析

随着计算机的发展和数值模拟软件日渐臻熟，数值模拟分析方法已成为解决采矿工程问题的主要研究手段之一[21-25]。其中FLAC3D适用于模拟煤岩体结构力学特征，并对工程煤岩体结构失稳致灾进行预测。

3.1 数值计算模型及参数

依据+575水平45#煤层工作面的地质资料与开采方法，构建三维数值计算模型（图4）。模型主要研究+600水平开采后+575水平覆岩应力变化特征，因此设计模型尺寸水平长度133 m，垂直高度100 m，工作面推进长度60 m.模型中煤岩体采用brick单元，共生成94 517个单元，62 474个节点。网格体中所有区域为Mohr-Coulomb plasticity model本构模型，上边界面为自由边界面，底面约束垂直位移，四周约束水平移动。同时为了实现原型中实际的应力赋存条件，在模型上边界面添加2.65 MPa垂直应力。在+575水平综放工作面顶板沿倾向布置应力监测点，分析研究+600水平开采后对+575水平分段顶板应力变化特征。依据现场布局和采掘关系，首先对+600水平（段高20 m）进行开挖，模型达到初始平衡后，再掘出+575水平工作面回采巷道。

煤巖层受节理、裂隙、地下水以及断层等构造的影响，一般室内岩石力学实验测得的参数是相应工程岩体的3～5倍。依据乌东煤矿煤岩力学实验测试结果，对其参数进行适当调整后，运用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则进行模拟计算。模型赋参见表1.

3.2 数值模拟计算结果与分析

煤层开采后导致围岩应力重新分布，图5揭示了+575水平分段工作面开采前煤岩体垂直应力分布特征。从图5（a）可以看出，+575水平工作面顶板岩体内应力明显高于其他位置煤岩体内应力，应力集中区出现在沿煤层倾向距顶板巷6～45 m的范围内，呈“三角形”轮廓，其应力值处于8.0～9.4 MPa之间，应力集中系数K=2.5～3.0，应力峰值出现在+575水平沿煤层倾向距顶板巷27 m位置。受顶板岩层内高应力影响，工作面煤体靠顶板一侧应力较高，处于4.0～7.0 MPa范围内，而靠近底板侧煤体内应力受上分段开采，处于3.0 MPa以内。采空区上方顶板岩层与松散体为低应力区域内，大部分区域处于原岩应力状态（原岩应力值为2.6～3.0 MPa），局部由于失去支撑呈拉应力状态。

图5（b）反映了煤岩体内水平应力分布特征，总体看水平应力应力集中程度较小，仅在采空区下方顶板岩层内形成小范围的应力集中，集中区应力值处于5.0～7.0 MPa范围内（原水平应力值为2.0～3.0 MPa），大部分区域煤岩体内应力小于4.0 MPa.采空区下方煤体与底板岩层内水平应力低于0.5 MPa.采空区上方煤岩体内水平应力值相对较高，处于3.0～6.0 MPa范围内。

在上分层+600工作面回采影响下，+575水平工作面煤岩体应力场发生改变。图5（c）反映了+575水平分段工作面开采前煤体及围岩塑性区分布特征。从图5（c）可知，塑性区主要分布在工作面煤体及松散体内，破坏形式以拉剪破坏为主。其中，松散体塑性区范围最大，且大部分区域处于已剪切破坏状态;煤体塑性区主要分布在待开采分层，大部分区域处于正剪切破坏状态;顶板塑性区范围相对较小，处于受拉破坏状态，在采空区上方局部范围内出现塑性区。由此可以推断，+600水平分段煤层开采后，采空区顶板主要发生拉裂破坏，+575水平工作面煤体受屈服程度高，主要受剪切破坏状态。

综上所述，综放面强矿压致灾机理为：在急倾斜煤层复杂的地质赋存条件下，煤层开采后，顶板岩层很难在自重条件下及时垮落，而形成悬空顶板，覆岩应力重新分布，导致下分段工作面采场煤体及围岩内产生应力集中现象（应力集中系数SFC=2.5～3.0）。

在巷道开挖和工作面回采扰动影响下，使得巷道支护系统所受应力骤增，而引发底鼓、帮鼓等矿压显现现象;随开采水平不断向深部延伸，应力集中程度不断增大，矿压显现也随之增剧，集中应力达到顶板岩层的极限承载强度时，顶板产生大面积的垮落，形成强矿压事件。

4 工程现场应用

4.1 强矿压防治方案

针对乌东煤矿复杂的地质条件，通过工程实践在+575水平45#煤层西翼工作面顶板巷实施超前预裂爆破，每排施工3个孔径108 mm的爆破孔，呈扇形布置，排距为12 m，超前预裂爆破36 m.考虑端头支架和开采扰动会对巷道顶部形成破碎区域，同时便于顶板管理和确保安全开采，超前预裂爆破孔封孔长度为20 m，装药长度20 m.1#，2#炮孔目的为破碎顶板，降低覆岩应力集中区，同时剥离岩石充填采空区，3#炮孔目的为增加或增大顶板岩体裂隙，促进顶板断裂垮落。超前预裂爆破方案如图6所示。

超前预裂爆破采用涂胶基质炸药一次起爆，黄土和马丽散对其孔口进行封堵。爆破孔参数见表2.

4.2 现场实施效果评价

通过对+575水平综放工作面超前预裂爆破方案实施前后支架压力和煤岩体内电磁辐射强度进行记录，分析矿压控制效果。支架压力和煤岩体电磁辐射强度监测数据绘制如图7所示，从图7可知，超前预裂爆破方案实施前，工作面支架压力大部分在35 MPa以上，部分超过40 MPa;煤岩体电磁辐射强度4次超过预警值57 mV，最高监测数据63 mV，平均电磁辐射强度35.5 mV.超前预裂爆破方案实施后，大部分支架压力在30～35 MPa以内，平均下降5～10 MPa;煤岩体电磁辐射强度最高监测数据为25 mV，平均电磁辐射强度14.4 mV，较方案实施前下降21.1 mV.工作面支架压力和电磁辐射强度统计结果表明，+575水平45#特厚煤层工作面实施顶板超前预裂爆破弱化技术后，明显缓减了工作面煤岩体内的应力集中程度，有效的控制了工作面强矿压问题，保证了工作面的安全生产。

5 结 论

1）急倾斜特厚煤层水平分段综放开采，顶板岩层很难在自重条件下及时垮落，形成悬顶现象，覆岩应力重新分布，导致下分段工作面采场煤岩体内产生应力集中。随着开采深度的增加和采掘扰动影响，集中应力达到顶板岩层的极限承载强度时，顶板发生大面积的垮落，形成强矿压事件。

2）数值模拟研究表明，受+600水平开采影响，在+575水平工作面沿煤层倾向距顶板巷6～45 m的采场煤岩体内，形成轮廓为“三角形”的应力集中区，应力集中系数K=2.5～3.0，应力峰值出现在沿煤层倾向距顶板巷27 m的位置。

3）采用超前顶板预裂爆破弱化技术后，综放工作面支架压力下降了5～10 MPa，煤岩体平均电磁辐射强度由35.5 mV降至14.4 mV，明显减缓了工作面煤岩体应力集中程度，保障了工作面的安全生产。

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