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千米深井解放层开采卸压机理及效果分析——以华丰煤矿为例.pdf
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1、千米深井解放层开采卸压机理及效果分析以华丰煤矿为例高亚楠1,2,3,4,张垚2,3,4,张德飞2,3,5,张玉栋3,赵卫东5,蔚立元2,3(1.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,陕西 西安 710077;2.中国矿业大学 深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室,江苏 徐州 221116;3.中国矿业大学 力学与土木工程学院,江苏 徐州 221116;4.上海市中侨职业技术大学 建筑工程学院,上海 201500;5.新汶矿业集团有限责任公司华丰煤矿,山东 泰安 271413)摘要:解放层开采是煤与瓦斯突出、冲击地压等煤矿动力灾害防治的重要措施,以山东泰安千米深井华丰煤矿 2613、2412 工
2、作面为背景,采用物理模拟与数值模拟相结合的方法,围绕解放层开采卸压机理、卸压效果评价等工程科学问题开展研究,明晰解放层开采后上覆岩层运动规律及矿压变化特征,厘清被解放层采动过程中采场应力与岩层位移演化规律,进而对解放层开采卸压效果和被解放层开采可行性进行指标化评价。结果表明:(1)解放层开采过程中,上覆岩层逐渐垮落形成漏斗状、非对称的多固支梁状结构,解放层开采结束后,采场左右两端分别形成对被解放层起永久性卸压保护的类悬臂梁结构,左右保护角分别为 54、60。(2)解放层上覆岩层划分为“永久性卸压保护区”和“采空触矸压实区”,两种应力分布区对应解放层顶板应力最大值约 20、36 MPa,对应被解
3、放层内最大应力值约 29、24 MPa,被解放层受两种应力区的叠加影响。(3)解放层开采结束后,工作面两端出现应力积聚,其他区域上覆岩层整体处于卸压状态,“采空触矸压实区”的持续发育已影响到被解放层,被解放层 50100 m 区域沉降量约等于采高。(4)被解放开采过程中,覆岩板裂指数 f 为0.5,小于临界值 0.7,不具有发生强矿压动力灾害的倾向,上覆岩层扰动范围较开采前变化极小,同时结合覆岩破坏形态,可知,被解放层开采始终处于解放层卸压范围内,解放层卸压充分,被解放层开采具有可行性。关键词:千米深井;解放层开采;卸压机理;卸压效果;开采可行性中图分类号:TU45 文献标志码:A 文章编号:
4、1001-1986(2023)08-0116-11Pressurereliefmechanismsandeffectsofliberationseamminingin1 000-m-deepcoalmines:AcasestudyoftheHuafengcoalmineinTaian,ChinaGAO Yanan1,2,3,4,ZHANG Yao2,3,4,ZHANG Defei2,3,5,ZHANG Yudong3,ZHAO Weidong5,YU Liyuan2,3(1.Shaanxi Key Laboratory Prevention and Control Technology for
5、 Coal Mine Water Hazard,Xian 710077,China;2.State KeyLaboratory of Intelligent Construction and Healthy Operation and Maintenance of Deep Underground Engineering,China Universityof Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;3.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining andTec
6、hnology,Xuzhou 221116,China;4.School of Architectural Engineering,Shanghai Zhongqiao Vocational and Technical University,Shanghai 201500,China;5.Huafeng Coal Mine of Xinwen Mining Group Co.,Ltd.,Taian 271413,China)Abstract:Liberation seam mining serves as an important approach to the prevention of d
7、eep dynamic disasters such as 收稿日期:2022-12-01;修回日期:2023-05-16基金项目:陕西省煤矿水害防治技术重点实验室开放基金项目(2021SKMS02);中央高校基本科研业务费专项资金项目(2023KYJD1006)第一作者:高亚楠,1985 年生,男,江苏徐州人,博士,教授,从事矿山岩石力学与开采理论方向研究.E-mail:通信作者:张垚,1992 年生,男,山西朔州人,博士研究生,从事矿山岩石力学与开采理论方向研究.E-mail: 第 51 卷 第 8 期煤田地质与勘探Vol.51 No.82023 年 8 月COAL GEOLOGY&EXP
8、LORATIONAug.2023高亚楠,张垚,张德飞,等.千米深井解放层开采卸压机理及效果分析以华丰煤矿为例J.煤田地质与勘探,2023,51(8):116126.doi:10.12363/issn.1001-1986.22.12.0915GAO Yanan,ZHANG Yao,ZHANG Defei,et al.Pressure relief mechanisms and effects of liberation seam mining in 1 000-m-deep coal mines:A case study of the Huafeng coal mine in Taian,Chi
9、naJ.Coal Geology&Exploration,2023,51(8):116126.doi:10.12363/issn.1001-1986.22.12.0915coal and gas outbursts,as well as rock bursts.Based on the Nos.2613 and 2412 mining faces of a 1 000-m-depth coalmine in the Huafeng Coal Mine in Taian,Shandong,this study investigated the engineering scientific iss
10、ues such as thepressure relief mechanisms and effect evaluation of liberation seam mining through physical and numerical simulations.As a result,it determined the movement law of overburden strata and the characteristics of underground pressure afterthe mining of the liberation seam and ascertained
11、the evolutionary laws of the stope stress and stratum displacement dur-ing the mining of the liberated seam.Accordingly,it evaluated the pressure relief effect of the liberation seam miningand the feasibility of the liberation seam mining based on various indices.The results are as follows:(1)During
12、 the min-ing of the liberation seam,the overburden strata gradually collapsed,forming a funnel-shaped,asymmetric multi-endfixed beam structure.After the liberation seam mining,quasi-cantilever beam structures,which provided permanentpressure relief protection for the liberated seam,were formed at th
13、e left and right ends of the stope,with left and rightprotection angles of 54 and 66,respectively;(2)The overburden strata of the liberation seam can be divided into theprotection zone of permanent pressure relief and the compaction zone of gangue in the goaf.Corresponding to the pro-tection zone an
14、d the compaction zone,the maximum stress on the roof the of liberated seam was about 20 MPa and 36MPa,respectively,and the maximum stress within the liberated seam was approximately 29 MPa and 24 MPa,respect-ively.The liberated seam was subjected to the combined effects of the two stress zones;(3)Af
15、ter the mining of the liber-ation seam,stress accumulated at both ends of its mining face,and the overburden strata in other zones were in the pres-sure relief state.The continuous propagation of the compaction zone affected the liberated seam,whose subsidence atdistances of 50-100 m from the libera
16、tion seam roughly equaled the mining height;(4)During the mining of the liber-ated seam,the overburden rock showed a palling index(f)of 0.5,which was less than the critical value 0.7,indicatingthat the dynamic disaster of high underground pressure was unlikely to happen in the liberated seam.Moreove
17、r,theoverburden stratas disturbance range varied slightly compared to that before mining.In combination with the failuremorphology of the overburden strata,it can be concluded that the liberated seam was always within the pressure reliefrange during its mining.Therefore,due to the sufficient pressur
18、e relief of the liberation seam,the mining of the liberatedseam is feasible.Keywords:1 000-m-deep mine;liberation seam mining;pressure relief mechanism;pressure relief effect;feasibility ofmining 长期大规模开采导致浅部煤炭资源逐渐枯竭,深部开采已然成为我国煤炭资源开发的现状和未来趋势1-3,其所面临的煤与瓦斯突出、冲击地压等诱发的复合动力灾害更加严重与复杂,我国山西、陕西、河南、山东等先进煤炭产能基地
19、现均已出现了此类困扰4-6。目前,针对深部矿井复合动力灾害的防治思路及措施有 2 种,一种是以卸压爆破法7-8、煤层注水法9-10、大直径钻孔卸压法11-12、顶板定向水力致裂法13-14、高压水射流煤层割缝法15-16、液态 CO2致裂防治法17-18等为代表的主动解危防治措施,由于只能对采场空间进行局部改造,强矿压问题的解决在时间空间上具有局限性19。另一种是以解放层开采为代表的源头防治措施,可实现采场强矿压的大范围卸压,具有区域性、超前性和主动性的优点20-21,已在深部矿井强矿压治理中得到了广泛应用22。为实现对深部矿井强矿压的科学防控,前人对解放层开采的卸压机理和效果进行了一系列研究
20、,如,解放层开采影响因素23、有效卸压范围的界定24-27、被解放层内应力与变形的分布规律28-32等,这为强矿压煤层的安全开采提供了有效的技术指导。事实上,解放层的提前开采,可释放高位岩层弹性能,改善被解放层开采中能量积聚与释放的空间分布状况33。因此,有学者提出在无合适解放层可选取时,可将软岩作为解放层开采的强矿压治理方案34。然而在实际工程中,解放层开采后上覆岩层并非完全处于卸压状态,根据采场应力变形分布特征科学合理布置被解放层工作面,对被解放层的全卸压开采至关重要。为此,部分学者基于解放层开采机理,对被解放层内的应力分区26-27,35-36、变形分区37等进行了具体研究,准确划定了被
21、解放层内的卸压区、应力集中区及原岩应力区等区域的分布范围。以此为基础,结合现场实测得到的卸压区域范围,进一步对工作面长度和推进速度等进行优化设计,实现被解放煤层的全卸压开采38。以上问题的研究已经非常丰富,但千米采深煤岩层倾斜赋存条件下的解放层开采卸压机理却鲜有提及。笔者以千米深井华丰煤矿 2613 工作面(解放层)、2412 工作面(被解放层)为研究对象,采用物理模拟与数值模拟相结合的方法,先后探索了解放层开采卸压机理、被解放层应力场分布演化特征,进而对被解放层的开采可行性进行了定量分析与评价。研究成果可为类似条件矿井的安全高效开采提供科学指导。第 8 期高亚楠等:千米深井解放层开采卸压机理
22、及效果分析以华丰煤矿为例 117 1工程概况华丰煤矿主采的 4 号、6 号煤层,埋深超 1 100 m,平均厚度分别为 6.4、1.5 m,两煤层平均法向距离 40 m,相对层间距达 26.67 m;煤岩层为单一倾伏向斜构造,倾角 3238,采用上行开采。受强矿压影响,该矿自建井生产,巷道累计破坏超过 2 km,断面收缩率达到了 75%,累计工作面破坏长度约 400 m,单体液压支柱共破坏超过 500 根,铰接顶梁 600 余根。由于 4 号煤层鉴定具有弱冲击倾向性,冲击危险性等级为中等;6 号煤层鉴定具有弱冲击倾向性,冲击危险性等级为弱级;6 号煤层顶板属于无冲击倾向岩层。为有效防治强矿压,
23、同时提高煤炭资源采出率,该矿自 2001 年起应用“采六保四”的解放层开采技术。随着煤层工作面不断向深部延伸,强矿压显现也越来越突出,为更加科学合理地防治矿井强矿压,有必要对解放层开采时上覆煤岩层的结构及矿压演化规律进行深入分析研究。本文研究对象2613、2412 工作面位于矿井1 100 m水平二采下山区,其中 2613 工作面走向长度 1 740 m,倾斜长度 150 m,倾角 3336(平均 34);2412 工作面走向长度 1 800 m,倾斜长度 160 m,倾角 3034(平均 32)。两煤层间存在多层坚硬砂岩,工作面综合柱状图如图 1 所示。2613 运输巷2613 轨道巷(26
24、12 运输巷)1100 岩石斜巷2612 轨道巷1010 岩石斜巷2412 运输巷2412 轨道巷2613 工作面2612 工作面2412 工作面石门石门粉砂岩粉砂岩中砂岩粉砂岩中砂岩粉砂岩4 号煤粉砂岩细砂岩9.502.506.002.0022.013.001.501.901.1517.006 号煤岩性柱状厚度/mN050100 m中砂岩煤层粉砂岩细砂岩(a)工作面分布(b)综合柱状图图 1 工作面概况Fig.1 Overview of mining faces 2解放层开采覆岩运动规律物理模拟2.1试验方法为揭示解放层开采扰动下上覆岩层的运动规律及裂隙发育特征,首先开展物理模拟试验。试验采
25、用KD-01 平面应变模拟实验台,该实验台可在外部施加垂直方向载荷。模型尺寸长宽高为 2.50 m0.30 m1.86 m,共由 16 个煤岩层组成(表 1),模型几何比为1001,应力比为 1701,模型上部施加的载荷约0.145 MPa,相似材料由砂子、碳酸钙、石膏按一定比例配比制作39。岩层力学参数及模拟参数见表 1,试验模型如图 2a、图 2b 所示。物理模拟试验模型 6 号煤层的开挖高度为 1.5 m,试验开采速度为 20 cm/h,即每 15 min 开挖 1 次,开挖长度 5 cm。6 号煤层两边各留 25 cm 的保护煤柱,从模型左侧开始对 6 号煤层模拟开挖 200 m。为准
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