深部小煤柱沿空布置工作面高强度开采下的防冲管控

2023-11-14高全武

陕西煤炭 2023年6期

高全武

(中煤西北能源有限公司,内蒙古鄂尔多斯 017200)

0 引言

纳林河二号煤矿位于鄂尔多斯市东胜煤田纳林河矿区南端,井田构造形态为单斜构造,地层倾角小于3°,主采3-1煤层,平均埋深550～650 m,矿井冲击危险等级为中等,首采盘区布置300 m超长大采高综采工作面[1]。目前纳林河二号矿井已形成微震[2]、应力、钻屑监测为主,并结合支架压力监测、巷道围岩收敛变形、顶板离层仪等技术手段为一体的综合监测预警体系[3]。但是深部开采引起的岩移规律一直是采矿领域难解的“黑箱”问题,研究揭示其内部作用机制与演变过程是一项很大的工程技术难题[4]。因此,纳林河二号矿井31120工作面小煤柱沿空回采期间仍面临深部开采[5]、超长大采高工作面大尺度覆岩剧烈运移[6]、垮落和相邻采空区“双面见方”贯通[7]等多种不确定因素的影响,在采场相邻空间形成高静载、强动载的冲击隐患,极易造成沿空回采期间发生冲击地压、矿震事故的风险,且灾害发生的风险存在一定程度的复杂性和不确定性,严重制约安全生产和优质产能的释放。针对此类问题,通过对首采盘区31120工作面“双面见方”区域回采期间小煤柱上方地表沉降观测结果进行统计分析,以验证10刀/d高强度开采的安全性和可行性,分析地表分阶段沉降及安全沉降速率范围,并将最大下沉值的移动速度VΔH-max和最大下沉速率的移动速度VV-max作为2个关键指标,以期为今后类似矿井深部小煤柱沿空布置工作面高强度开采下的防冲管控技术探索一条新路径。

1 工程概况

1.1 双面见方区域矿震、冲击风险

1.1.1 相邻采空区地表沉降情况

31120工作面开采高度6.0 m,采用沿空6.6 m小煤柱布置,埋深580～600 m,具有中等冲击风险等级,如图1所示。

图1 31120-31121工作面布置剖面

31121工作面回采结束后地表最大下沉量仅为369 mm,因此31121工作面回采期间面临的矿震风险极高[8]。

1.1.2 关键层基本分布状况

根据关键层理论[9]和载荷三带理论[10]对煤层上覆岩层关键层进行划分,3-1煤层上覆岩层结构见表1,此煤层上方存在7组关键层分别编号1～7,其中1～6为亚关键层、7为主关键层。相关研究结果显示,“即时加载带”内1～2亚关键层控制为控制临空顺槽冲击的近距离诱冲关键层[11],“静载带”内7亚关键层控制为控制地表沉降的主关键层。因此将地表沉降指标作为主关键层是否破断的重要信号,据此来防范采空区矿震是一条可行的技术途径。

表1 关键层基本分布状况

1.1.3 近距离诱冲关键层分布

31120工作面上覆100 m范围岩层厚度特征Lst分布情况如图2所示。存在两层近距离关键层,分别为亚关键层1和亚关键层2,分别为粗粒砂岩和中粒砂岩,在回采期间上覆岩层近距离的亚关键层极易发生复合剪切破断[12],诱发临空顺槽的冲击风险,亚关键层1和亚关键层2两个关键层对采场临空侧顺槽的冲击起着关键作用。

图2 31120工作面100 m范围Lst特征分布情况

1.2 双面见方区域冲击危险性问题

根据31120工作面冲击危险性评价结果[13],将“双面见方”影响区域评价为强冲击等级,对应于超前切眼向外500～700 m。根据国内主流冲击地压研究成果冲击矿压动静载叠加原理[14],静载是冲击矿压发生的应力基础,动载是冲击破坏的诱因。因此有必要对“双面见方”期间采场的高静载和强动载问题进行分析。

1.2.1 见方区域的采场高静载应力场分析

31120工作面回采“见方”期间采场力学模型如图3所示。

图3 “见方”期间力学模型

横轴2a为工作面推进距离,纵轴2b为工作面长度,W0为煤层厚度。力学模型[15]为

(1)

式中,τxz,τyz分别为平面内x方向、y方向的水平力,MPa;w0为顶板下沉最大挠度量,m。

将31120-31121工作面采场岩体视为横观各向同性岩体,建立弹性模型来深入研究2个工作面采场的三维位移状态,利用基本的调和函数φ(x,y,z)。最终求出z=0时的应力分量σz见式(2)

(2)

式中,C44为拉梅常数;q1,q2分别为采场来压,MPa;前后的支撑压力,α1和α2是采场来压前后的沉降量修正系数。

对于矩形采场,当a=b时,即当工作面见方时σz有最大值。当31120工作面推进至“双面见方”区域时,采场的垂直支承压力达到最大,采场来压强烈。图4为31120-31121工作面“双面见方”时支承压力分布特征。从图中可以看出,工作面见方时,采场来压造成的高静载应力分布出现集中,且临空侧回风顺槽超前30～100 m段附近出现较大的应力集中,从而证明“双面见方”期间存在静载高应力冲击隐患,应该引起高度重视。

图4 “双面见方”期间采场高静载应力场分布特征模拟

1.2.2 见方区域的采场强动载问题分析

图5为“双面见方”期间强动载冲击示意。31120工作面回采过“双面见方”强冲击影响区域期间,上覆岩层容易出现剧烈破断、运移现象,同时地表快速下沉,极易产生1×105J及以上的大能量事件。在已形成的采场高静载应力场基础之上,产生动静载叠加效应[16],出现冲击显现事件。甚至因为开采空间上覆岩层沉积的不均匀性,造成沉降不均衡,采空区上覆岩层不能及时垮落,出现大面积悬顶,诱发矿震事件的发生。因此,有必要从地表沉降的角度,选取地表沉降、运移方面的关键指标来对31120-31121工作面上覆采空区覆岩破断问题进行深入分析。

图5 双面见方期间强动载冲击示意

2 地表沉降观测站布置情况

根据已有的地表沉降观测结果显示[17],地表下沉最大值点位于采空区几何中部,因此在区段小煤柱上方、沿走向方向设置地表沉降观测站,总计22个,间距约50 m左右,如图6所示。

图6 31120-31121工作面小煤柱上方观测站布置示意

3 地表沉降观测结果

为了防范2个工作面采空区贯通期间出现矿震事件。需采用地表沉降观测手段针对控制地表沉降的7#主关键层破断信号进行监测,根据观测结果对开采强度进行优化调控[18],保障安全生产。5次观测结果见表2。

表2 5次地表沉降观测结果

3.1 双面见方区域回采期间沉降观测结果

2020年11月9日,31120工作面累计推进678 m。由图7(a)可知,下沉速率最大值观测点超前下沉速率最大值观测点179.2 m;由图7(b)可知,最大下沉速率达到50 mm/d时,地表开始快速下沉。

图7 第3次地表沉降观测结果

3.2 双面见方期间地表下沉关系

在5次观测期间(2020年10月17日—12月2日),小煤柱上方观测站点ΔHmax滞后工作面的距离介于250～300 m,Vmax滞后工作面的距离介于170～200 m,同时Vmax测点超前ΔHmax测点保持在80～100 m,两者最大距离出现在2020年11月9日为197.2 m,此时工作面累计回采678 m,该位置为采空区“双面见方”覆岩破断、运移剧烈区域,采空区上覆岩层下沉给工作面造成持续加载、并极易形成动载荷扰动问题。

地表沉降观测指标ΔHmax、Vmax与滞后工作面距离的关系如图8所示,31120采空区上覆岩层地表快速下沉区域滞后工作面230～330 m为地表快速下沉区域,最大沉降经加速下沉、快速下沉和稳定下沉阶段,直至逐步压实达到最大值。

图8 ΔHmax、Vmax与滞后工作面距离的关系

3.3 地表下沉阶段划分

将31120工作面“双面见方”影响区域对应回采期间的地表下沉过程划分为初始加速下沉阶段、快速下沉阶段和稳定下沉阶段3个阶段,见表3。在此期间31120工作面按10刀/d组织匀速回采,微震呈“高频-低能”[19]的现象,说明顶板岩层能量[20]处于均衡平稳释放的状态。

表3 小煤柱上方地表下沉阶段划分结果

4 最优回采速度分析

4.1 沉降关键指标与回采速度的关联性

5次观测期间(2020年10月17日—12月2日,历时46 d),地表下沉最大量观测站和地表最大下沉速率值观测站随工作面相同速度移动,三者移动速度均为7.7 m/d。证实控制地表沉降的主关键层正常破断状态,未在“双面见方”影响区域出现矿震灾害。

2020年10月17日至2020年12月2日期间,31120作面生产任务按10刀/d进行组织生产,在一个10～15 d的观测分析周期内,考虑到设备、系统等制约因素,工作面回采9.2刀/d,按循环截割进度0.85 m/刀计算,平均日推进速度V回采为7.82 m/d,31120工作面推进与地表沉降关系如图9所示,直至回采结束未发生矿震等冲击事件。