双低位亚关键层破断能量聚散及控制研究.pdf

89COALENGINEERINGVol.55,No.7第55卷第7 期程炭煤doi:10.11799/ce202307015双低位亚关键层破断能量聚散及控制研究巴玉龙，曹民远，刘明，徐源山（国家能源集团新疆能源有限责任公司，新疆乌鲁木齐830014)摘要：为研究综放工作面巷道围岩变形和能量聚散的关系，以屯宝煤矿WII02040501综放工作面为工程背景，通过理论分析、现场监测和工程验证相结合的方法，开展了工作面顶板关键层分析，计算了不同层位关键层释放能量传递至工作面特征规律，研究了工作面回采期间微震分布规律，开展了顶板切顶工程实践和效果检验。研究表明：WI102040501综放工作面顶板存在6 个亚关键层和1个主关键层，微震事件主要分布于煤层上覆10 0 m范围，10 J能级及以上微震事件分布在上覆50 m范围，计算得到2 个亚关键层破断传递至工作面的弹性能分别为7.8 0 10 J和3.1310J，综合判识距离工作面近的2 个亚关键层为诱冲关键层，设计工作面切顶爆破方案并开展工程实践，微震事件分析及周期来压步距分析表明围岩应力降低、来压步距有效降低，巷道变形量得到有效控制，实现了工作面安全生产关键词：缓倾斜煤层；砌体梁理论；冲击地压；岩层控制；关键层理论；切顶卸压；临界能量中图分类号：TD325文献标识码：A文章编号：16 7 1-0 9 59(2 0 2 3)0 7-0 0 8 9-0 5Energy accumulatioonanion of double low level inferior key strataBA Yulong,CAO Minyuan,LIU Ming,XU Yuanshan(Xinjiang Energy Co.,Ltd.,CHN Energy Group,Urumqi 830014,China)Abstract:In order to study the relationship between the phenomenon of roadway floor heaving,rib heaving deformation and theenergy accumulation and dispersion caused by roof breaking in longwall top-coal caving face of Tunbao Coal Mine,theWI102040501 working face was taken as the engineering background,and theoretical analysis,field monitoring and engineeringverification were carried out to analyze the key strata,calculate the energy in the working faces released from key strata indifferent horizons,study the distribution law of microseism in the working face during mining.The roof cutting project wasimplemented and the effect was tested.The research showed that,there were 6 inferior key strata and 1 main key strata in theroof.The microseismic events mainly distributed within 100 m above the coal seam,and 10*J energy level and above werewithin 50 m above the coal seam.It was calculated that the elastic energy transferred from the breaking of two inferior key stratato the working faces is 7.80 x10 J and 3.13x105 J,respectively;it was comprehensively identified that,the two inferior keystrata close to the working faces were the key strata inducing rock burst.The blasting scheme of roof cutting was designed andimplemented,and according to the analysis of microseismic events and periodic weighting interval,the surrounding rock stressdeclined and weighting interval was significantly reduced,bringing down the roadway deformation,thus the safe production ofworking faces was realized.Keywords:gently inclined coal seam;masonry beam theory;rock burst;key strata theory;roof cutting pressure relieving;critical energy通过对2 0 0 8 一2 0 2 0 年煤矿事故进行统计分析，顶板事故占比最大，表明顶板管理仍然为煤矿安全管理的重点。针对顶板灾害防治，康红普院士从煤矿井下地质与生产条件、煤炭开采与支护技术及装备、顶板安全管理三方面分析了顶板事故产生原因，提出了采掘区域围岩地质力学测试与评估、收稿日期：2 0 2 2-11-12基金项目：新疆维吾尔自治区自然科学基金项目（2 0 2 0 D01C039）作者简介：巴玉龙（19 8 8），男，河南西平人，工程师，现在主要从事安全管理及灾害防治工作，E-mail：48 7 58 。引用格式：巴玉龙，曹民远，刘明，等又双低位亚关键层破断能量聚散及控制研究J1煤炭工程，2 0 2 3，55（7）：8 9-9 3.902023年第7 期生产技术程炭煤巷道与工作面围岩控制技术相结合的顶板防治技术体系2-4；李桂臣5、杨双锁6 、侯朝炯7 等人开展了不同情况下的围岩变形规律研究，相继提出了优化巷道布置、改善巷道围岩应力环境、改善围岩物理力学性质、强化围岩承载结构性能、巷道围岩协同控制技术等方面的巷道强化措施。钱鸣高院士8.9 提出了关键层理论，为顶板治理提供了具体方法。蒋金泉10 推导出硬厚岩层破断能量释放公式，揭示了硬厚岩层的变形破断规律；左建平1、汪锋12 分别提出了“类双曲线”模型和“关键层-松散层拱”力学模型，进一步丰富了关键层理论；朱卫兵13 认为远场关键层“三角板”结构失稳是引发采场出现大周期强矿压显现的主要原因，原富珍14采用RFPA-Strata软件研究了多关键层结构下不同采厚关键层破断特征及不同关键层破断前后支承应力响应特征。石增柱15 利用微震监测、煤层钻孔卸压等监测手段，分析其在矿震事件分布及应力演化规律和影响范围。刘旭东等16 综合利用地应力测试、煤岩物理力学实验等研究方法确定了近直立煤层冲击地压致灾因素，建立了上分层煤层开采期间的不同微震等级与冲击危险区域的内在联系。张金魁等17 通过动静载组合控制煤岩动态破坏的普适性理论方法进行探究，揭示了高家堡煤矿煤层大巷冲击地压致灾机理，明确了动静载复合应力场动力灾害防控途径。屯宝煤矿有两个生产水平（+8 50 m水平和+600m水平），自上而下回采4个组合煤层，平均每个组合煤层厚度为8 11m。目前回采工作面为+600m水平首个综放工作面，考虑以往开采过程中底鼓、帮鼓变形的问题，给工作面安全生产带来不利影响，结合该煤层初次评价为冲击地压煤层，基于此有必要开展综放工作面顶板破断能量聚散特征与防治技术研究。1工程背景屯宝煤矿位于准南煤田硫磺沟矿区西部，矿井目前正在开采+8 50 m水平，井田内自上而下共有4个复合煤层，分别为M4-5、M 9-10、M 14、M i s 煤层，煤层倾角10 2 0，采用综合机械化放顶煤开采方式。矿井属于冲击地压及高瓦斯矿井，水文地质类型中等，所采煤层均属易自燃煤层WI102040501综放工作面位于+6 0 0 m水平M4-s组合煤层，工作面斜长2 0 3m，走向长度110 3m，采高3.2 m，放煤厚度为6.3m，工作面倾角为18。如图1所示，工作面布置2 条巷道：上部为轨道辅助运输巷，兼具回风功能；下部为主运输巷，兼具进风功能。沿开切巷倾斜方向，上部为已回采的1141（2）综放工作面，下部为WI102040502备采工作面，中间均由预留煤柱隔开；沿着煤层分布垂直方向，上部为顶板岩石，下方的M。-1o 组合煤层未开采。WI102040501主运巷WI102040501综放工作面回采方向WI102040501预留煤柱综采工作面WI102040501轨道巷西预留煤柱东WI102040502WI102040501WI102040502主运巷备采工作面轨道巷WI102040501主运巷WI102040502备采工作面回采方向WI102040502轨道巷W1102040502轨道巷WI102040502主运巷图1回采工作面周边位置关系2诱冲岩层确定及能量聚散特征研究2.1顶板关键层确定采动覆岩空间结构具有代表性的是钱鸣高院士提出的“砌体梁”和“关键层”理论18 ，所谓关键层即在采场上覆岩层中对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层，其中将可以控制该岩层上位部分岩层运动的称为亚关键层；将可以控制该岩层上位岩层全局运动的称为主关键层19 O根据关键层理论8 ，关键层判定必须满足强度和刚度两个条件，当工作面顶板共有层岩石，当煤层第i层为关键层时，其刚度条件和强度条件应满足以下条件19 n+1nnn+1E.hZh:(1)i=1i=1i=1i=1li+1l;(2)2Rm(3)q式中，E,为第i层(i=1，2，.n；n m)岩层的弹性模，MPa；h,为第i层（i=1，2，.n；n m)岩层的高度，m；为第i层（i=1，2，.n;nm）岩层的容重，kN/m；l；为第i层（i=1，2,n；n m）岩层的破断距，m；R为第i层(i=1,2，.n；n m）岩层的抗拉强度，MPa；q;为第i层(i=l，2，n；n m)岩层承受的载荷，MPa。在满足式(1)和式(2)前提下，当n=m时，则判定岩层i为主关键层；当nm时，则判定岩层i912023年第7 期程炭煤生产技术为亚关键层，仅控制n层岩层活动。通过计算，得出了屯宝煤矿M4-5组合煤层上覆岩层的主关键层为距离地面9 0.58 m的厚度为38.42 m的细砂岩，亚关键层6 层，关键层分布如图2 所示。层号岩层名称层厚/m累厚/m1黄土12.212粉砂岩4.0216.23+3细砂岩13.6429.876粉砂岩4.5052.16细砂岩38.4290.58D7主关键层8粗砂岩10.49101.079粉砂岩34.76135.83亚关键层六10泥岩2.00137.8312粗砂岩8.60149.7913粉砂岩29.20178.99亚关键层五14粗砂岩3.20182.1924粗砂岩9.61296.1925粉砂岩45.36341.55亚关键层四26砾砂岩1.95343.5029粗砂岩21.87396.9430粉砂岩39.47436.41亚关键层三31粗砂岩37.18473.5932粉砂岩10.20483.79亚关键层二35泥岩6.89493.2936粉砂岩8.04501.33亚关键层一374-5煤9.48510.81图2关键层分布2.2诱冲关键层判识及能量释放分析2.2.1理论基础研究结果表明2 0 顶板岩层结构，特别是煤层上部关键岩层一般具有较厚及单轴抗压强度较高等特殊属性易积聚大量弹性能，当关键层破断及滑移过程中会伴随大量能量释放，是矿井冲击地压产生的主要原因。而不同的关键层产生的冲击能量不同，对工作面冲击危害程度也不同，将破断产生能量大于煤岩体冲击地压发生临界能量的关键层称为诱冲关键层。2.2.2诱冲关键层判定WI102040501综放工作面位于M4-s组合煤层中，煤层顶板由粉砂岩、细砂岩构成，局部见少量中砂岩、泥岩，平均单轴抗压强度为43.4MPa，根据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范，煤层顶板裂隙带计算公式为：100ZMMH=8.9,H,=30/Z M+101.2 Z M+2.0(4)式中，H,为顶板裂隙带高度，m；ZM 为累计采厚，取10.3m（含夹研0.8 m）。为避免遗漏按最大值计算出工作面上部裂隙带高度10 6.2 m。则WI102040501综放工作面回采期间顶板裂隙层带分布关键层3个，分别为亚关键层一、亚关键层二和亚关键层三。煤岩体内的弹性能由体变弹性能U，、形变弹性能U,和顶板弯曲弹性能U组成，则周期来压期间关键层破断及失稳过程中释放的弹性能U。为：U。=U,+U,+U(6)U,=(1-2u)(1-2)/6EH?(7)式中，入为平均水平主应力与垂直应力比值，实测值为1.8 7；为上覆岩层的容重，取25000N/m；H 为上覆岩层厚度，m。U.=qL/8EI(8)q=(1+a)H(9)式中，为周期来压阶段的应力集中系数，取1.2；E为顶板岩层的弹性模量，GPa；I 为顶板岩层断面的惯性矩，=bH/12，其中，H为顶板岩层覆岩厚度，m，b 为宽度，m；L为顶板岩层的破断长度,m。忽略顶板运动加速度影响，可计算出回采工作面顶板裂隙带自下而上关键层的弹性能分别为7.80107，3.0 6 10 7，7.50 10 J。覆岩关键层断裂以后，能量以震动波形式传递到采掘工作面过程中会发生耗散，到达工作面的能量为U,=U。I-，其中，1为震源至工作面的距离，入为能量衰减系数2 1】，根据矿井煤岩特性，工作面上部顶板岩性以砂岩为主，岩体较为完整，本研究能量衰减系数选择1.6。经计算可知三个关键层破断及位移产生的弹性能到达WII02040501综放工作面衰减后的能量分别为U,=7.8010J，U,=3.1310 5J，U,=3.6 8 10*J。冲击地压发生的临界能量指标Ukmmn=1/2po2，其中。为10 m/s，p 为煤体密度，计算出Umin=6.65104J。因亚关键层一和亚关键层二破断过程中产生的能量已达到发生冲击地压的最小能量，因此认定亚关键层一和亚关键层二为WII02040501综放工作面诱冲关键层2.3微震监测确定诱冲岩层以WII02040501综放工作面回采期间的微震监测数据为研究对象，选取2 0 2 1年1月17 日至2 0 2 2年5月2 3日回采期间共9 47 7 个微震数据进行剖面定位，WII02040501综放工作面回采期间微震主要分布于煤层上覆10 0 m范围，破断高度基本与计算922023年第7 期生产技术程炭煤的裂隙高度相符。WII02040501综放工作面诱冲关键层为亚关键层一和亚关键层二，分别位于距工作面底板9.5 17.5m、2 7.0 37.2 m 范围的粉砂岩和粗砂岩中，关键层破断会产生较大的能量，而工作面微震事件剖面图中10 4J及以上的能级事件大部分分布上覆50 m范围，判断该处大能量事件富集的主要原因为两个关键层破断运动造成的，因此需要针对性的对该层位岩层进行断顶或预卸压3顶板能量聚散控制实践3.1工程实践方案为消除顶板破断及位移产生能量对回采工作面的冲击影响，彻底消除顶板的支撑作用，采用两巷切顶爆破以及轨道巷煤柱体爆破预裂相结合的措施。切顶孔参数为：钻孔均垂直于巷帮向煤柱侧施工，钻孔孔径为7 5mm，间距为10 m，其中轨道巷布置钻孔2 个/组，孔长分别为42.5，37.5m；胶带巷布置钻孔1个/组，孔长45m。煤体爆破孔参数为：在轨道巷垂直于巷帮向煤柱体施工，孔径为7 5m m，间距为10 m，每组施工钻孔2 个，仰角分别为36 和2 6，孔长为2 6.5m和2 3.5m。爆破采用矿用三级乳化基质炸药，黄土封堵。根据工作面围岩应力计实测结果，回采期间WII02040501综放工作面工作面超前应力峰值约2 0 m，超前采动影响范围约40 m，主运输巷围岩应力曲线如图3所示。为提高爆破卸压效果，超前工作面10 0 m范围进行预爆破。经计算，现有的爆破钻孔参数能覆盖两个诱冲关键层，回采工作面切顶预卸压工程布置方案如图4所示6.4一里程57 2 m应力计6.26.05.85.65.45.25.0020406080100 120140160工作面超前距离/m图3主运输巷围岩应力曲线3.2工程效果检验为验证切顶工程实施效果，特采取钻孔窥视及平均周期来压距离判定的方法，选择的时间段内回采工作面不存在断层且两巷卸压工程均按设计要求超前施工，排除地质等因素的影响。爆破范围爆破范围亚关键层煤柱亚关键层爆破范围WI102040501综放工作面辅助运输巷M，煤层顶板煤柱主运输巷/M，煤层底板图4回采工作面切顶预卸压工程布置方案为验证切顶效果，特选择切顶前后进行对比分析，为减少干扰因素，选择的两段工作面长度均为60m，回采时间基本上为1月左右。切顶卸压后，10J及以上能级微震频次由6 34次减少至530 次，降低了19.6%；其中10 3J及以上能级事件降低最为明显，由44次减少至18 次，降低达144.4%，表明切顶卸压后工作面围岩冲击风险明显降低；同时切顶工程破坏了工作面前方围岩结构，诱导工作面顶板向采空区侧转移，造成工作面前方的微震事件大大减少，且分布较为均匀，如图5、图6 所示7011400060一频次12000能量50100004080006000304000202000100050100150 200250300距离/m图5切顶前工作面微震事件分布曲线600035一频次一能量5000302540002030001520001010005050100150200250 300距离/m图6切顶后工作面微震事件分布曲线WII02040501综放工作面每隔10 副支架安装1组支架传感器，累计安装12 台。通过对爆破前后12个支架传感器平均工作阻力统计分析，如图7 所示，93苏（责任编辑越）2023年第7 期程炭煤生产技术卸压爆破工程开展后，工作面平均周期来压步距由24.3m降低至9.7 m，来压时液压支架平均工作阻力由8 9 7 3kN降低至7 458 kN，工作面来压时平均工作阻力波动相对平稳，呈现出明显的效果10000F9000卸压后卸压前800070001N600050001360374391408102610531080工作面位置/m图7回采工作面支架平均工作阻力曲线4结论1）理论分析得到WII02040501综放工作面覆岩赋存6 个亚关键层和1个主关键层，计算出WII02040501综放工作面顶板裂隙带3个亚关键层破断、位移产生的弹性能，结果表明亚关键层一和亚关键层二是诱冲关键层，且因亚关键层一因传导到工作面能量较大，尤其需要重点防治。2）通过对不同能级微震事件的空间位置分布研究，微震事件集中分布在距底板10 0 m以下，10 4J能级及以上微震事件集中分布在距工作面底板50 m以下范围，表明该层位顶板破断产生能量相对集中，验证了诱冲关键层计算结果。3）通过对比分析爆破前后工作面微震事件及支架压力变化来验证采取的切顶工程有效性，结果表明，采取切顶工程后两个诱冲关键层基本实现了与回采同步破断，消除了工作面应力显现安全隐患，现有措施能够满足工作面顶板防治需要参考文献：张培森，李复兴，朱慧聪，等。2 0 0 8 一2 0 2 0 年煤矿事故统计分析及防范对策J矿业安全与环保，2 0 2 2，49(1)：12 9-134.2康红普我国煤矿巷道围岩控制技术发展7 0 年及展望J.岩石力学与工程学报，2 0 2 1，40（1）：1-30.3康红普，张镇，黄志增。我国煤矿顶板灾害的特点及防控技术J煤矿安全，2 0 2 0，51(10：2 4-38.4康红普深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术J.煤炭科学技术，2 0 13，41(9）：12-17.5李桂臣，杨森，孙元田，等复杂条件下巷道围岩控制技术研究进展J煤炭科学技术，2 0 2 2，50（6）：2 9-45.6杨双锁煤矿回采巷道围岩控制理论探讨【J。煤炭学报，35(11):1842-1853.7侯朝炯，王襄禹，柏建彪，等深部巷道围岩稳定性控制的基本理论与技术研究J中国矿业大学学报，2 0 2 1，50(1):1-12.8钱鸣高，许家林，缪协兴岩层控制的关键层理论及其应用J煤炭学报，19 9 6，2 1(3)：2 2 5-2 30.9许家林，钱鸣高岩层控制关键层理论的应用研究与实践J中国矿业，2 0 0 1，10(6)：54-56.10蒋金泉，张培鹏，秦广鹏，等一侧采空高位硬厚关键层破断规律与微震能量分布J采矿与安全工程学报，2 0 15，32(4):523-529.11左建平，孙运江，文金浩，等岩层移动理论与力学模型及其展望J煤炭科学技术，2 0 18，46(1)：1：11.12汪锋。采动覆岩结构的“关键层-松散层拱”理论及其应用研究【D徐州：中国矿业大学，2 0 16：1-133.13朱卫兵，于斌大空间采场远场关键层破断形式及其对矿压显现的影响J煤炭科学技术，2 0 18，46(1)：9 9-10 4.14原富珍，马克，唐春安，等多关键层结构下不同采厚覆岩移动及围岩响应特征J煤炭科学技术，2 0 2 2，50(2):211-218.15石增柱。近距离下保护层开采冲击地压防治技术应用J.煤炭工程，2 0 2 2，54（8）：37-41.16刘旭东，张玉良，田向辉。基于微震监测的近直立特厚煤层冲击危险区域划分J煤炭工程，2 0 2 0，52(1)：7 0-7 4.17张金魁，侯涛，李民，等动力扰动诱发煤层大巷冲击地压机理及其防控技术J煤炭工程，2 0 2 2，54(2)：6 2-6 6.18钱鸣高2 0 年来采场围岩控制理论与实践的回顾J中国矿业大学学报，2 0 0 0，2 9（1）：1-4.19许家林，钱鸣高，朱卫兵覆岩主关键层对地表下沉动态的影响研究J岩石力学与工程学报，2 0 0 5，2 4（5）：7 8 7-7 9 1.20窦林名，刘贞堂，曹胜根，等坚硬顶板对冲击矿压危险的影响分析J煤矿开采，2 0 0 3，2 8(2)：58-6 6.21贺虎，窦林名，巩思园，等。覆岩关键层运动诱发冲击的规律研究J岩体工程学报，2 0 10，32（8）：12 6 0-12 6 5.