厚煤层综放工作面外错区冲击危险分析与防治.pdf
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1、书书书第 卷第 期煤炭科技 年 月 收稿日期:;:作者简介:曹海涛(),男,江苏海安人,高级工程师,年毕业于中国矿业大学,主要从事煤矿安全生产技术管理工作。引用格式:曹海涛 厚煤层综放工作面外错区冲击危险分析与防治 煤炭科技,():,():文章编号:()厚煤层综放工作面外错区冲击危险分析与防治曹海涛(陕西郭家河煤业有限责任公司,陕西 宝鸡 )摘要:为保证厚煤层综放工作面切眼外错区域的安全回采,以郭家河 工作面为工程背景,采用数值模拟研究了切眼外错区域工作面前方以及区段宽煤柱中的应力分布规律。研究结果表明,工作面回采至 切眼前后,外错区域及 采空侧的宽煤柱中应力水平较高,煤柱中垂直应力呈“双峰”
2、分布状态,煤柱中存在稳定的弹性区,能够满足护巷与防冲要求。基于冲击危险的应力判别法,对切眼外错区域进行了冲击危险预测,据此提出了大直径卸压钻孔、煤体注水、煤体爆破等卸压防冲措施,为工作面外错区域安全回采提供技术支撑。关键词:厚煤层;综放工作面;冲击地压;宽煤柱;外错中图分类号:文献标志码:(,):,:;:冲击地压是典型的煤岩动力灾害,具有突发性、震动性、破坏性与复杂性的特点,常常造成井巷严重破坏甚至是人身伤亡事故 。深部煤层赋存原岩应力大,厚煤层回采扰动应力及影响范围大,易导致回采期间面临矿压显现强烈与冲击现象的发生 。而不合理的开采布局和地质构造均会造成采场附近静载过高,增大采掘空间的冲击危
3、险性 ,其中区段宽煤柱与切眼外错布置是造成冲击地压显现的重要因素 。郭家河煤矿 工作面与相邻工作面切眼外错布置,并且留设 宽的煤柱,该工作面回采期间切眼外错区及宽煤柱中的垂直应力集中可能会成为主导冲击的载荷源 。因此,需要开 年第 期煤炭科技第 卷展回采期间切眼外错区与宽煤柱中的应力演化规律研究,从而指导冲击危险区域划分和冲击地压防治方案设计。工程背景郭家河煤矿 综放工作面位于盘区西翼,工作面北侧为 综放工作面(区段煤柱宽 ),南侧靠近矿井边界,西侧靠近矿井边界,东侧为未开采区,工作面布置如图 所示。工作面开采深度为 ,平均倾斜长 、走向长 。开采煤层为侏罗系中统延安组 号煤层,煤厚 ,平均煤
4、厚 ,煤层倾角为 ,平均 ,属于较稳定的厚煤层,具有弱冲击倾向性(表 )。图 工作面布置示意 表 煤冲击倾向性综合鉴定结果 弹性能指数单轴抗压强度 冲击能指数动态破坏时间 综合评价 弱冲击倾向性工作面基本顶为细粒砂岩,平均厚度为 ,灰绿色,成分主为石英,次为长石,分选中等,次棱角状,中部夹同色砂质泥岩薄层;直接顶为炭质泥岩,平均岩厚 ,黑色,薄层状,泥质结构,水平层理发育,易风化,易碎,含炭质。直接底为砂质泥岩,平均岩厚 ,灰色深灰色,块状,砂泥质结构,砂质含量较高,易风化,易碎,夹同色泥岩条带;基本底为细粒砂岩,平均岩厚 ,深灰色,灰黑色,砂岩成分以石英、长石为主,次圆状,分选中等,见炭屑,
5、水平层理发育。煤层顶板具有弱冲击倾向性,底板无冲击倾向性(表 )。表 煤顶底板冲击倾向性综合鉴定结果 类型岩层厚度 抗拉强度 弹性模量 单位宽度上覆岩层载荷 弯曲能量指数 鉴定结果类型名称煤顶板 类弱冲击倾向性煤底板 类无冲击倾向性 外错区域应力分布规律 数值模型与方案 采空区与 工作面之间留设 区段煤柱,开切眼外错 开切眼 。以 工作面以及相邻的 采空区为对象,运用 数值模拟软件建立三维计算模型,模拟 工作面推进过 采空区切眼(即外错区域)阶段煤层中应力分布特征。考虑到工作面开挖覆岩影响范围、围岩变形的协调性以及数值模拟计算方便,确定模型尺寸为 。其中,轴为工作面推进方向,轴为工作面倾向方向
6、,轴为垂 直地层方向,模型共划分了 个单元和 个节点;模型四周边界为双约束边界,下部 年第 期曹海涛:厚煤层综放工作面外错区冲击危险分析与防治第 卷边界为全约束边界,即水平和垂直方向均固定,上部边界为自由边界;模型共模拟 层煤岩层。模拟 煤沿 方向布置 个工作面(工作面和 采空区),考虑计算效率同时不改变对研究结果的趋势影响,对工作面尺寸进行简化。工作面模拟倾向长 、走向长 ;采空区尺寸模拟走向长 、倾向长 。模型中两工作面切眼相距 ,工作面和放水巷间距离为 。根据矿井地质资料,地层综合柱状如图 所示,选取的煤岩体力学参数见表 。图 地层综合柱状 三维数值计算采用莫尔库仑()屈服准则描述煤岩体
7、的破坏行为:槡()式中,为屈服函数;、分别为最大和最小主应力;、分别为黏聚力和内摩擦角。表 煤岩体力学参数 岩性体积模量 剪切模量 黏聚力 内摩擦角()抗拉强度 密度()砂质泥岩 粗砂岩 泥岩 煤 粉砂岩 当 时,材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下,岩体的抗拉强度很低,可根据抗拉强度准则()判断岩体是否产生拉破坏,为抗拉强度。破碎岩体在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的关系采用库仑准则表示,即:()式中,、分别为剪切面上的剪应力和正应力。应力演化特征 工作面推进至 时,超前支承压力分布如图 所示。图 工作面推进至 超前支承压力分布 年第 期煤炭科技第 卷由图 可以看出,工作面超前支
8、承压力峰值 ,支承压力峰值距煤壁约 ,应力集中系数 ,支承压力影响范围为超前工作面 。工作面与 采空区之间的区段煤柱上最大垂直应力约 ,应力集中系数 ,峰值位于煤柱中部。工作面推进至与 开切眼齐平位置时,超前支承压力分布曲线如图 所示。由图 可见,工作面与 采空区形成的直角区域,区段煤柱中应力较高;受 采空区影响,工作面超前支承压力峰值达到 ,支承压力峰值距煤壁约 ,应力集中系数 ,应力集中范围约 。此时,工作面与 采空区间的区段煤柱上最大垂直应力达到 ,应力增高系数 ,峰值位于煤柱中部。图 工作面推进至 切眼时超前支承压力分布 不同阶段 工作面前方与后方区段煤柱应力范围见表 。从表 可以看出
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