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深井大采高综采工作面侧向采动应力场特征研究

2020-12-31李正杰

矿业安全与环保 2020年6期
关键词:次方微震采动

李正杰

(1.中煤科工集团开采研究院有限公司,北京 100013; 2.煤炭科学研究总院,北京 100013)

近年来,我国西部鄂尔多斯深部矿区大采高综采技术的应用逐渐增多[1-6],如新街、呼吉尔特、纳林希里、纳林河、上海庙等矿区,以及红庆河、石拉乌素、营盘壕、门克庆、葫芦素、巴彦高勒、母杜柴登、蒙大和纳林河二号井等矿井,这些矿井主采煤层埋深一般为600~700 m,开采高度多数在4.5~6.0 m内。大采高综采技术在西部深井中已成为实现高产高效的主要开采方式,但由于煤层埋深较大,一次开采厚度大,且上覆多为弱胶结巨厚岩层,加之深部开采典型的高地压、高岩溶水、高地温等开采环境[7-12],在实际回采过程中,大采高综采工作面普遍表现出了强矿压、巷道大变形,甚至一些矿井大采高工作面频发冲击地压灾害[13-15]等现象,严重制约了矿井的安全生产。以新街矿区某矿为例,在 6 m 大采高工作面区段煤柱留设30 m时,沿空巷道发生了严重的冲击地压灾害;将区段煤柱加大至65 m(含 1条中间巷道宽度5 m)后,沿空巷道冲击地压仍频繁发生,其中,3次发生在沿空巷道超前300 m范围以内,1次发生在超前540 m以远。造成冲击灾害的原因是该工作面开采扰动和相邻采空区上位顶板活动叠加引起的集中应力突然释放,深井大采高工作面顶板活动在侧向方向上影响距离大,与普通埋深和浅埋深大采高采场具有显著差异性[16-20]。上述灾害现象在该地区具有普遍性和代表性,其中科学的解决方法是加大煤柱尺寸或小煤柱沿空掘巷,而实施的前提条件是必须掌握侧向应力场特征。笔者以西部红庆河煤矿为研究背景,实测分析深井大采高综采工作面侧向采动应力场特征,为西部深井大采高采场安全回采提供指导与实践参考。

1 工作面开采条件

红庆河煤矿隶属于鄂尔多斯新街矿区,开采侏罗系中下统延安组3-1煤层,煤层埋深583.6~861.9 m,平均埋深718.6 m,煤层可采厚度平均6.14 m,煤层倾角1°~3°。3-1煤层瓦斯含量低,自燃倾向性为Ⅰ级,煤尘具有爆炸危险性。3-1煤层单轴抗压强度23.9~29.3 MPa,平均26.7 MPa;直接顶砂质泥岩单轴抗压强度平均24.7 MPa,基本顶中粒砂岩单轴抗压强度平均21.9 MPa。

3-1402大采高综采工作面为北翼第2个回采工作面,工作面宽度241 m,煤层平均厚度6.3 m,工作面煤岩层综合柱状图如图1所示。采用“两进一回”巷道布置方式,共3条巷道,分别为3-1402回风巷、3-1402胶运巷和3-1403辅运巷,3-1403工作面为其接续工作面,区段煤柱净宽40 m。中部支架为ZY15000/33/67D型两柱掩护式液压支架,支护强度为1.56 MPa,支架中心距为1.75 m;胶运巷选用 2组 ZT16000/29/50型液压支架进行超前支护,支护长度约20 m;乳化液泵选用BRW400-37.5(40)B型,共4台,额定压力37.5 MPa。

2 大采高工作面侧向采动应力场特征实测

2.1 设备布置方案

利用402胶运巷与403辅运巷之间里程1 728 m的联络巷及403工作面斜巷,通过布置20组钻孔应力计,实现对402大采高综采工作面侧向采动应力场的监测。监测仪器布置方案如图2所示,在里程1 728 m联络巷内布置9组,距离402综采工作面分别为5、7、9、11、16、21、26、31、36 m;在403工作面斜巷内布置11组,距离402综采工作面分别为60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、115 m,钻孔均垂直于煤壁布置,孔深14 m。

图1 煤岩层综合柱状图

图2 设备布置方案示意图

2.2 侧向采动应力特征

工作面推过各测点的全过程中,不同侧向距离的应力计变化曲线如图3所示。侧向应力与工作面相对位置关系表现出了显著的规律性,即:侧向距离小时,钻孔应力经历“初始应力区—应力增高区—应力降低区”的“三区”演化特征;侧向距离加大,钻孔应力过渡为“初始应力区—应力增高区”的“两区”演化特征,无应力降低区;侧向距离足够大时,钻孔应力呈现为“初始应力区”的“一区”演化特征,既缺少明显的应力增高区,又缺少应力降低区。针对红庆河煤矿 6 m 大采高综采工作面,此3种情形对应的侧向距离范围分别为0~16 m、16~95 m和95 m以远。

(a)工作面向外5~36 m

侧向采动应力集中系数与侧向距离的对应关系如图4所示,不同侧向距离对应的试验数据拟合参数见表1。侧向距离0~16 m范围应力集中系数大,最大达6.15,峰后应力普遍突降至0.5~2.2 MPa,该范围煤体发生塑性破坏,属于塑性区范畴;侧向距离16~95 m范围应力集中系数较大,一般为1.07~2.69,峰后无应力降低,该范围煤体非塑性破坏,属于弹性区范畴;侧向距离大于95 m范围应力集中系数小,在1.00上下小幅波动,该区域同样属于弹性区。

图4 侧向采动应力集中系数与侧向距离的对应关系

表1 试验数据拟合参数

3 侧向采动应力场验证

通过红庆河煤矿井下微震监测系统及地面ARP联合监测,揭示微震事件的分布及分区特征,从而间接验证侧向采动应力场的准确性。将402综采工作面8个月回采期内3次方级以上微震事件投影在采区采掘工程平面图上,如图5所示。

图5 402综采工作面3次方级以上微震事件平面投影图

由图5可以看出,在402综采工作面回采过程中,402~403区段煤柱及403综采工作面内发生5次方级以上的微震事件(图5中红色圆点)共4次,最大侧向影响范围约90 m,主要集中在50 m以内;发生 4次方级以上的微震事件(图5中蓝色圆点)共 16次,最大侧向影响范围约130 m,主要集中在90 m以内;发生3次方级以上的微震事件(图5中黄色圆点)较多,侧向影响范围主要集中在130 m以内。

沿倾向将401采空区、402综采工作面和403综采工作面进行分区,共划分了12个区域(区间宽度不全相等),如图6所示,其中,区域10为402、403综采工作面区段煤柱区域,区域11、区域12为403综采工作面区域,区间宽度40 m。

图6 倾向分区划分

不同区域微震事件能量和频次变化特征如图7所示,402综采工作面回采对403综采工作面影响范围主要集中在区域10和区域11(侧向80 m范围),区域12(侧向80~120 m范围)微震事件能量及频次显著降低,表明80 m以远围岩活动严重衰减。

图7 倾向分区微震事件变化特征

从4次方级以上大能量微震事件发生的平面位置及微震事件分区特征分析,与上述钻孔应力计测试的分区结果基本吻合,证明了所得到的结论可信。

4 结论

1)红庆河煤矿6 m大采高综采工作面侧向方向上,从采动应力与工作面相对位置关系依次呈现出“三区”“两区”“一区”演化特征,临界侧向距离分别为16 m和95 m,16 m以内为塑性区,16 m以外属于弹性区。

2)402综采工作面4次方级以上大能量微震事件发生平面位置主要集中在侧向距离90 m以内,侧向距离80~120 m范围微震事件能量及频次显著降低,与实测的侧向应力场特征基本吻合。

3)根据实测数据分析,西部深井大采高工作面需要采用宽度至少90~95 m的超大区段煤柱,以实现相邻工作面的有效防冲,但煤炭资源损失较大,因此,从经济性和安全性方面考虑,宜采用小煤柱沿空掘巷。

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