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基于覆岩结构理论的冲击煤层孤岛工作面宽度研究
2016-04-14
针对冲击煤层孤岛工作面上覆岩结构复杂、开采极易诱发冲击地压等灾害问题,提出了采前孤岛工作 面宽度设计的留设方法。以山东某矿为工程背景,首先根据孤岛工作面周边采动情况及覆岩运动规律,确定关键层 是否破断,进而得到了孤岛工作面“Γ”型覆岩结构分布;其次采用矿压理论分析不同覆岩结构分布对工作面应力传递 规律,估算了孤岛工作面静态支承压力;最后根据孤岛工作面应力分布特点,理论分析了工作面整体支承强度,并结 合工作面回采冲击失稳发生机理,确定了工作面宽度合理范围。通过工程类比与理论计算,得到了该矿3上1105 孤岛 工作面宽度大于170 m 的结论,为工作面宽度设计提供理论依据。
Series No. 478ꢀ Aprilꢀ 2016 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 478期 METAL MINE 2016 年第 4 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 基于覆岩结构理论的冲击煤层孤岛工作面宽度研究 1 ,2 1,2 1,2 3 3 3 张ꢀ 明 ꢀ 李克庆 ꢀ 姜福兴 ꢀ 杨根地 ꢀ 徐守金 ꢀ 陈ꢀ 峰 1. 北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083;2. 金属矿山高效开采与安全教育部重点 实验室,北京 100083;3. 枣庄矿业集团高庄煤业有限公司,山东 济宁 277605) ( 摘ꢀ 要ꢀ 针对冲击煤层孤岛工作面上覆岩结构复杂、开采极易诱发冲击地压等灾害问题,提出了采前孤岛工作 面宽度设计的留设方法。 以山东某矿为工程背景,首先根据孤岛工作面周边采动情况及覆岩运动规律,确定关键层 是否破断,进而得到了孤岛工作面“Γ”型覆岩结构分布;其次采用矿压理论分析不同覆岩结构分布对工作面应力传递 规律,估算了孤岛工作面静态支承压力;最后根据孤岛工作面应力分布特点,理论分析了工作面整体支承强度,并结 合工作面回采冲击失稳发生机理,确定了工作面宽度合理范围。 通过工程类比与理论计算,得到了该矿 3上 1105 孤岛 工作面宽度大于 170 m 的结论,为工作面宽度设计提供理论依据。 关键词ꢀ 采矿工程ꢀ 覆岩空间结构ꢀ 孤岛工作面ꢀ 支承应力ꢀ 冲击地压ꢀ 宽度设计 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD823ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2016)-04-062-05 Study on the Width of Isolated Coal Face with Rock-burst Hazards Based on the Theory of Overburden Structure 1 ,2 1,2 1,2 3 3 3 Zhang Ming ꢀ Li Keqing ꢀ Jiang Fuxing ꢀ Yang Gendi ꢀ Xu Shoujin ꢀ Chen Feng ( 1. School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China; . State Key Laboratory of High-efficient Mining and Safety of Metal Mines,Ministry of Education,Beijing 100083,China; . Gaozhuang Coal Industry Co. ,Ltd. ,Zaozhuang Mining Group,Jining 277605,China) 2 3 Abstractꢀ According to the problems of complex structure overlying strata in the coal seam isolated coal face which is easy to cause rock burst during mining,a method of designing the width of the face before isolated face working was presented. Taking a mine in Shandong as the engineering background,firstly,according to the working conditions of the isolated island working face and the law of overlying strata movement to judge whether key layer breaking,the isolated working face of " Γ" type spatial structure of overlying strata was obtained;Secondly,the stress transfer law of the working face was analyzed by u- sing the theory of mine pressure to estimate the static bearing pressure of isolated working surface;Finally,the overall support strength of the working surface was analyzed according to the stress distribution characteristics of the isolated working face. Combined with the instability mechanism of mining impact in working face,the proper range of the working face width was de- termined. By engineering analogy and theoretical calculation,the conclusion is that the width of the 3上 1105 isolated face work- ing face was more than170 m,which provides a theoretical basis for the design of the working face width. Keywordsꢀ Mining engineering,Spatial structure of overlying strata,Isolated coal face,Bearing stress,Rock burst,Width design ꢀ ꢀ 冲击地(矿)压是指采掘空间周边的煤岩发生破 应力集中程度较高,在工作面回采过程中极易诱发冲 [2] 坏、冒落或者抛出,并伴随有声响、震动以及气浪等的 击地压 。 [ 1] 动力现象 。 多数冲击地压的发生与采场上覆关键 层破断或者其控制的覆岩结构失稳运动密切相关。 由于孤岛工作面两侧甚至多侧采空,覆岩运动剧烈再 加上工作面地质结构复杂,工作面及其周围巷道附近 目前,国内学者在工作面的覆岩结构、采场应力 分布及其与冲击地压发生关系方面开展了研究,钱鸣 [ 1] 高等 首次提出了“砌体梁” 与“关键层” 理论,为研 究采场覆岩结构的形成和失稳提供了理论基础;姜福 收稿日期ꢀ 2015-12-22 基金项目ꢀ 国家自然科学基金项目(编号:51274022,51174016)。 作者简介ꢀ 张ꢀ 明(1987—),男,博士研究生。 · 62· ꢀ ꢀ ꢀ 张ꢀ 明等:基于覆岩结构理论的冲击煤层孤岛工作面宽度研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 4 期 [ 3] 兴等 根据采场的不同边界条件,提出了 O、S、C 和 采场覆岩结构分布的主关键层。 2ꢀ 工作面采前覆岩空间结构形态分析及静态 应力估算 θ 型 4 类覆岩空间结构,拓展了传统矿压研究范围的 [ 4] 限制;窦林名等 根据现场微震监测研究结果,提出 了覆岩空间结构的 OXꢁFꢁT 演化模型,为空间结构 失稳型冲击矿压机制与预防研究提供了依据。 国内 学者研究主要集中在开采对覆岩结构形成及破坏的 影响,但针对孤岛工作面的覆岩结构分布特征及其工 作面宽度设计研究相对较少。 笔者所在课题组通过 2. 1ꢀ 采前竖向剖面“Γ”型覆岩结构特征 [3] 关键层理论 研究表明,上覆岩层以岩层组为 单位,每组岩层中的厚硬岩层为最关键层,控制着该 组岩层的运动状态,其中主关键层对工作面覆岩运动 和地表移动的动态过程起控制作用。 关键层的状态 对覆岩结构特征和应力传递影响较大,如图 2 所示, 现场微地震监测结果:3上 1107 工作面煤层采出后, 工作面顶板的破裂高度距离煤层约 80 m,紧接相邻 的 3上 1109 工作面开采后,覆岩的破裂高度进一步增 加,最大高度达到 120 m 左右,由于主关键层(砾岩) 距离煤层高度约 230 m,所以砾岩未发生断裂运动, 此时 3上 1107 与 3上 1109 采空区低位岩层垮落形成 破裂拱,破裂拱与砾岩之间的岩层在重力的作用下弯 曲下沉,砾岩处于相对稳定的悬顶状态。 [ 5] 对国内典型“ 孤岛冲击地压” 事故 的调查研究发 现,这类冲击事故的发生与孤岛工作面留设宽度留设 不科学有一定的关系。 因此本研究以山东某矿孤岛 工作面为例,基于覆岩结构理论,提出了冲击煤层孤 岛工作面宽度设计方法,对冲击地压防治具有重要的 意义。 1 ꢀ 工程条件概况 山东某煤矿主采西十一区东翼平均开采深度 4 4 50 ~ 550 m,采区总体上呈一单斜构造,岩层走向 0°左右,倾向 330°左右,倾角 10° ~ 16°,一般 11°左 右,产状比较稳定。 主采的下二叠统山西组和上石炭 统太原群中部 3上 煤层沉积稳定,煤层的最大厚度为 6 . 71 m,最小厚度为 1. 14 m,采区内平均 60% 的钻孔 见煤厚度 5. 4 m 左右,煤层结构简单,仅在极少数钻 孔见有夹矸 1 层,厚度一般小于 0. 4 m,其岩性以黏 土岩为主。 西十一采区东翼位置如图 1 所示,北部为 未开拓区域,东侧为采区边界,南侧为充分采动区 图 2ꢀ 工作面微震观测结果 Fig. 2ꢀ Micro-seismic monitoring results in working face 因此,根据监测分析认为在覆岩竖向剖面上,大 ( 包括 3上 1101 采空区),东侧为下山保护煤柱,3上 107 和 3上 1109 采空区宽度达到 350 m,留下的大 孤岛”(3上 1103 和 3上 1105 工作面)宽度为 350 m, “ 孤岛”一侧为充分采动(覆岩完全垮落)、一侧非充 1 分采动,形成非对称的“Γ” 型覆岩结构,工作面回采 前覆岩结构示意图如图 3 所示,图中 α 和 β 分别为岩 层最终覆岩移动角和触矸角。 “ 接续顺序为 3上 1103→3上 1105,最后 3上 1105“孤岛” 工作面成为诱发冲击(矿震)的“关键”工作面。 图 3ꢀ 不对称“Γ”型覆岩空间结构 Fig. 3ꢀ Asymmetric Γ-shaped strata spatial structure 2. 2ꢀ 采前工作面静态支承压力估算 孤岛工作面静态应力来源于上覆岩层的重力和 图 1ꢀ 采区东翼平面图 Fig. 1ꢀ Plane of east wing in mining area 根据该矿采区东翼内综合钻孔柱状图,距 3上 煤 转移应力的叠加,根据文献[6] 研究结果,不同区域 覆岩分布状态特征决定了应力传递规律和作用方式 不同。 触矸线到和移动线之间的破断岩块相互“ 咬 合”形成铰接岩梁结构,这部分岩层重力一半作用在 采空区,另一半重力通过铰接结构传递给孤岛工作 顶板约 230 m 处存在巨厚砾岩赋存,砾岩沿走向覆盖 整个采区,厚度分布差异较大,平均厚 125 m,砾岩具 有厚度大、完整性好、强度高等物理力学特征,是控制 · 63· 总第 478 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 4 期 面,形成覆岩传递应力;非充分采动区上方岩层受煤 体直接“支撑” 作用,以及采空区一侧上覆岩层悬顶 作用,煤体承受其上覆岩层重量以及一侧采上方悬顶 的岩层重量的一半。 据此获得了“Γ” 型不对称孤岛 工作面平均静态支承压力分析估算模型,具体如图 4 所示。 破碎状态,巷道的煤体处于单向或者二向受力状态, 该区域的煤体极不稳定。 工作面深部煤体处于弹性 区且相对完整,由于受到两侧周围煤体“夹持” 作用 以及顶底板岩层的约束,该区域煤体处于三向应力状 态,强度较高,是工作面的主要承载体,介于弹性区与 破碎区之间的煤体处于塑性状态,也是支承压力峰值 分布区域。 根据极限平衡理论可得近水平煤层屈服 区宽度 ρ 近似为 æPK + c0 ö tanφ0 Mξ ρ = 2tanφ0 ln c0 , (5) + PZ ètanφ0 ξ ø 式中, M 为煤层采放厚度,m;ξ 为侧压系数,ξ = μ/ (1 图 4ꢀ 孤岛工作面平均静态支承压力估算模型 Fig. 4ꢀ Model to estimate the static average stress of isolated island working face ꢀ μ),μ 为煤体泊松比;c0 为煤层黏聚力,MPa;φ0 为 煤层内摩擦角, (°);PZ 为采空区对煤层水平阻力, MPa;PK 为工作面集中应力,MPa。 图中反斜实线围成区域的面积为 S1 ,正斜实线 [ 1] 一般情况下,屈服区宽度 ρ 为 5 ~ 12 m 。 围成区域的面积为 S2 ,根据不同垮落的上覆岩层对 孤岛工作面的重力作用效果分析,作用在孤岛工作面 上的有效(岩层质量)面积 S 为 考虑冲击煤层工作面采前卸压,根据大直径钻孔 卸压机理与实际效果,有效卸压范围内的煤体处于塑 性状态,煤体支承应力向深部转移,即卸压后煤体的 有效支撑宽度发生变化。 因此,卸压后巷道周边塑性 S = S + S2 . (1) 1 2 [ 8] [7] ꢀ 采用姜福兴等 研究结果,非充分采动区覆岩 范围为 t (t 为有效卸压深度),如图 5。 ꢀ 最大破裂高度约等于采空区短边距离的一半,即近似 满足 h =l/ 2,将非充分采动区上覆垮落岩层视为半圆 形分布,所以区域面积 S1 为 2 S1 = (2d + l ꢀ Hcotα) ꢀ πl H 2 , 16 (2) 图 5ꢀ 不同位置煤体受力状态 Fig. 5ꢀ Stress state of coal body in different working location 区域面积 S2 为 2 S2 = H2 (cotβ + cotα). (3) 综合支承压力和煤体卸压结果得到工作面塑性 宽度 ꢀ ꢀ 单位面积上的垂直应力即为工作面采前平均静 态支承压力 P0 ,则 P0 表示为 χ = max{ρ,t}. (6) 2 γS = H γ ꢀ ꢀ 煤体综合抗压系数与煤体受到围压作用有关,根 P = d 4d (cotβ + cotα) + 0 [9] 据 Wilson A. H. 煤柱两区约束理论 ,煤体的三向抗 压强度约为单向抗压强度的 3 ~ 5 倍,即最大值 λmax 2 Hγ( πl γ. 2d + l ꢀ Hcotα) ꢀ (4) 2 d 16d = (3 ~ 5) (三轴应力状态条件),在煤柱塑性区或者 式中,H 为工作面平均开采埋深,m;d 为孤岛工作面 留设宽度,m;l 为一侧非充分采动区宽度,m;h 表示 非充分采动区上覆岩层最大破裂高度,m;β 为上覆岩 层最终触矸角,(°);α 为上覆岩层移动角,(°);γ 为 采掘空间边界煤(岩) 体视为单向受力状态,取最小 值 λmin =1。 假设煤柱由弹性区和塑性区(或者破碎 区)组成,设工作面布置巷道宽度为 r,巷道周边塑性 圈半径为 χ,则工作面平均综合抗压系数 λ■表示为 3 上覆岩层的平均容重,kN/ m 。 λ■= 2dχλmin + d ꢀ 2χ ꢀ 2rλmax. (7) 3 ꢀ 工作面整体冲击失稳分析与工作面宽度确 d 定 ꢀ ꢀ 因此,工作面煤体整体支承强度 R = λ■σC , 3 . 1ꢀ 工作面煤体整体支承强度估算 巷道成型后距离巷道边缘一定范围的围岩处于 (8) 式中,R 为工作面煤体整体支承强度(能力),MPa;σC · 64· ꢀ ꢀ ꢀ 张ꢀ 明等:基于覆岩结构理论的冲击煤层孤岛工作面宽度研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 4 期 为煤体平均单轴抗压强度,MPa。 类比,获得未知参数 d 取值范围,并结合矿井生产能 力、运输等因素,综合确定合理工作面宽度。 3 . 2ꢀ 工作面整体冲击失稳分析 冲击地压发生机理表明,采掘空间周围“煤ꢁ岩” 4ꢀ 工程应用 系统的压力达到或者超过煤体冲击地压发生的临界 综合该煤矿的地质资料,工作面可采深度取 H = 压力水平时,“煤ꢁ岩” 就可能发生冲击破坏,根据压 500 m,砾岩底部距 3上 煤距离 hZ = 230 m,工作面上 覆岩层移动角 α 和触矸石角 β 分别为 76°、65°,非充 分采动区一侧采空区宽度 l=350 m,大“孤岛”宽度 d 力条件,冲击地压的机理可描述为 ∗ σ ≥ σ , (9) ∗ 3 式中,σ 为“煤ꢁ岩”系统发生冲击的临界压力。 =350 m,同时取上覆岩层的平均容重 γ = 25 kN/ m 。 一般岩石强度大于煤体强度,“煤ꢁ岩”系统强度 主要由煤体决定,根据采掘空间周围煤体距离采掘边 界不同,煤体从单向受力状态逐渐过渡到三向受力状 态,根据煤体达到破坏强度之前抗压强度与围压基本 根据煤层倾向性鉴定,3上 煤弹性能指数 WET =6. 6,冲 击能指数 KE = 9. 47,动态破坏时间 DT = 23. 7 ms,煤 层平均单轴抗压强度 σC =18. 5 MPa(煤质较硬、具有 强冲击倾向性)。 [ 10] 成线性关系 ,煤体冲击破坏前能够支承的临界压 考虑孤岛工作面开采情况下空间结构复杂多变、 顶板运动剧烈等因素,并根据该矿井实际情况,取 k = 0. 8,λmax =4、λmin =1,n =1. 2,χ = 20 m(孤岛工作面有 效卸压深度)。 根据式(13) 得到如图 6 所示的工作 面宽度对工作面支承压力及冲击危险性影响。 从图 6 可知当工作面宽度小于 145 m 时,工作面整体具有 弱冲击危险性,当工作面宽度小于 100 m 后冲击危险 进一步增加,达到了中度冲击危险性,理论计算得到 工作面宽度大于 145 m,同时根据相邻相似矿井实际 孤岛工作面开采实践,以及考虑开采过程中地质构 造、顶板异常来压、以及产量保证等因素,为了保证工 作面安全生产,综合确定该矿 3上 1105 工作面宽度大 于 170 m。 力 ∗ σ = ηR, (10) 式中,η 为冲击失稳判别系数。 [ 11-12] 表明:发生 多个冲击地压矿井的开采实践 冲击地压的煤层单轴抗压强度一般为 15 ~ 25 MPa 中—硬煤),通常工作面巷道周边煤体平均支承压 ( 力大于其抗压强度的 η(≥1. 0) 倍,是发生冲击地压 的临界值,并且 η 越大,发生冲击失稳的几率越大。 1 1 . 5>η≥1. 0,工作面具有弱冲击危险性;1. 8 >η≥ . 5,工作面具有中度冲击危险性;η≥1. 8,工作面具 有强冲击危险性;工作面可采性最差。 综合以上分 析,工作面整体冲击地压发生应力条件转化为 σ ■ λσ ≥ η. (11) C 3 . 3ꢀ 工作面宽度范围的确定 根据工作面开采矿压理论,由于超前支承压力的 影响,一般工作面回采过程中的煤体支承压力由静态 支承压力和支承压力增量 2 部分组成,假设回采过程 中煤体的支承压力增量大小近似为采前煤体静态支 承压力大小的 k 倍,则回采过程中孤岛工作面煤体的 平均支承压力表示为 图 6ꢀ 工作面宽度对工作面支承压力与冲击危险性影响 Fig. 6ꢀ Bearing pressure and rock burst hazard under the influence of width of working face σ = (1 + k)P0. (12) ꢀ ꢀ 联立式(4)、式(11)、式(12),分析得到极限平衡 5 ꢀ 结ꢀ 论 状态下工作面煤体发生冲击地压条件,并考虑煤体非 均质性强度差异造成的安全性因素,取安全系数 n> ( 1)孤岛工作面两侧甚至多侧采空,覆岩层结构 分布复杂,开采过程顶板运动剧烈极易诱发冲击地 压。 根据上覆关键层破断特征,得到某矿一侧充分采 动、一侧非充分采动条件下的孤岛工作面“Γ”型覆岩 结构特征。 1 ,得到工作面宽度确定公式 ìP0(1 + k) = η é2χλmin + d ꢀ (2χ + 2r)λmax ù σC ë d d û n í . 2 πl γ 16d 2 P0 = γ4Hd (cotβ + cotα) + H2dγ(2d + l ꢀ Hcotα) ꢀ ( 2)根据覆岩结构分布特征和微震监测结果,分 î 析了不同采动区域覆岩重力对孤岛工作面的应力传 (13) 递规律,建立了不对称孤岛工作面煤体平均支承压力 ꢀ ꢀ 工作面采前对各个参数进行监测或者工程经验 · 65· 总第 478 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 4 期 of China Coal Society,2015,40(5):1001-1007. 估算模型。 [ 6]ꢀ 宋振骐,卢国志,夏洪春. 一种计算采场支承压力分布的新算法 J]. 山东科技大学学报,2006,25(3):1-4. ( 3)通过对工作面整体支承强度(能力)估算,分 [ 析了孤岛工作面整体冲击失稳的一般规律,并根据极 限平衡条件得到了孤岛工作面整体冲击失稳临界条 件以及工作面宽度范围的计算方法,最终综合确定了 某矿 3上 1105 孤岛工作面宽度大于 170 m。 Song Zhenqi,Lu Guozhi,Xia Hongchun. A new algorithm for calcu- lating the distribution of face abutment pressure[J]. Journal of Shan- dong University of Science and Technology,2006,25(3):1-4. 7]ꢀ 姜福兴,杨淑华,Luo Xun. 微地震监测揭示的采场围岩空间破裂 形态[J]. 煤炭学报. 2003,28(4):357-360. [ ( 4)本研究的孤岛工作面宽度设计方法在冲击 Jiang Fuxing,Yang Shuhua,Luo Xun. Spatial fracturing progresses of surrounding rock masses in longwall face monitored by microseismic monitoring techniques[ J]. Journal of China Coal Society,2003,28 煤层(中—硬煤)较为适用,对于软煤等特殊条件,具 体的设计(研究)方法需要进一步研究。 ( 4):357-360. 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ 8]ꢀ 于正兴,姜福兴,桂ꢀ 兵,等. 防治冲击地压的应力三向化理论 研究及应用[J]. 煤炭科学技术,2011,39(7):1-4. Yu Zhengxing,Jiang Fuxing,Gui Bing,et al. Study and application of stress three-dimensional theory to prevention and control of mine pressure bumping[J]. Coal Science and Technology,2011,39(7): 1-4. 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