新興煤礦沖擊礦壓影響因素及危險區(qū)域劃分

董長吉,　翟永勝,　蘇廣福,　馮俊杰

(1.黑龍江科技大學, 黑龍江省普通高等學校采礦工程重點實驗室, 哈爾濱 150022;2.北京昊華能源股份有限公司 長溝峪煤礦, 北京 102451;3.黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團有限責任公司 雞西分公司, 黑龍江 雞西 158160;4.黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團有限責任公司 七臺河分公司, 黑龍江 七臺河 154600)

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新興煤礦沖擊礦壓影響因素及危險區(qū)域劃分

董長吉1,翟永勝2,蘇廣福3,馮俊杰4

(1.黑龍江科技大學, 黑龍江省普通高等學校采礦工程重點實驗室, 哈爾濱 150022;2.北京昊華能源股份有限公司 長溝峪煤礦, 北京 102451;3.黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團有限責任公司 雞西分公司, 黑龍江 雞西 158160;4.黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團有限責任公司 七臺河分公司, 黑龍江 七臺河 154600)

針對新興煤礦沖擊礦壓頻發(fā)的情況,結合該礦工作面概況,從地質賦存條件和開采技術入手,分析影響沖擊礦壓的主要因素,并進行危險區(qū)域劃分。結果表明:煤層沖擊傾向性、開采深度、頂底板堅硬程度、多種應力疊加作用、相鄰開采區(qū)、巷旁留垛等為影響新興煤礦沖擊礦壓的主要因素。 41051工作面和41062工作面的沖擊危險區(qū)域為工作面回風巷130～200 m與其上出口40～50 m范圍;特別沖擊危險區(qū)域為工作面上出口附近。該結果為煤礦安全開采提供了保障。

沖擊礦壓; 新興煤礦; 影響因素; 地質賦存; 危險區(qū)域

沖擊礦壓是礦山開采過程中發(fā)生的動力現象,其破壞形式多樣,常伴隨劇烈聲響將煤巖體拋向井巷自由空間,造成支架破損、井巷破壞及人員傷亡,同時也易引發(fā)其他事故,嚴重威脅煤礦生產安全。新興煤礦自2007年開采以來,共發(fā)生沖擊礦壓71次,其中,采煤工作面共發(fā)生42次,占總數的59.2%;回風平巷沖擊礦壓共發(fā)生29次,占總數的40.8%。沖擊礦壓發(fā)生原因復雜,影響因素眾多,涉及礦山巖石力學和礦山壓力等多學科。筆者結合新興煤礦工作面概況,分析影響煤礦沖擊礦壓的主要因素,并進行危險區(qū)域劃分,以期為該礦安全開采提供保障。

1　沖擊礦壓影響因素

1.1地質賦存

1.1.1煤巖層沖擊傾向性

新興煤礦不同開采煤層的煤巖沖擊傾向性指標參數如表1所示。由表1可知,六采區(qū)58#煤層的彈性能與沖擊能較大,動態(tài)破壞時間較短,這表明該煤層具有強沖擊傾向性;煤層頂、底板彎曲能較大,根據參數判定為中沖擊傾向性。與58#煤層相似,同采區(qū)60#煤層的彈性能與沖擊能也較大,也具有強沖擊傾向性;根據指標參數,該煤層頂、底板表現為中沖擊傾向性。

表1　新興煤礦不同開采層煤巖沖擊傾向性指標參數

1.1.2煤巖含水率及浸潤性

煤層的沖擊特性與其含水率密切相關,煤層含水率越高聚集的彈性能則越低,煤層沖擊危險性越小[1]。若在煤層天然含水狀態(tài)下,使其含水率增加1%～2%,煤層的沖擊類型可降低一個等級。煤層的天然含水狀態(tài)一般與其孔隙度無關,而其飽和含水率與孔隙度成正比關系。孔隙度越大,煤體注水技術就越易實施,其技術效果也就越好[2-3]。由現場實際工程實踐得知,新興礦六采區(qū)58#煤層和60#煤層的含水率已達到2%左右,且吸水性一般。

1.1.3開采深度及地應力

沖擊礦壓存在一個臨界深度,即小于此深度開采時,盡管也可能發(fā)生沖擊礦壓,但都是零星的;大于此深度開采時,沖擊礦壓會頻繁發(fā)生[4]。由開采實踐可知,我國煤層開采深度以500 m作為臨界點,當開采深度大于500 m時,隨著開采的不斷進行,發(fā)生沖擊礦壓的次數急劇上升,其破壞性進一步加大[4]。沖擊礦壓礦井數量(n)與開采深度(h)隨時間變化情況見圖1。

圖1　沖擊礦壓礦井數量與采深隨時間變化情況

新興煤礦大部分煤層平均開采深度達到500m,其中,67#煤層開采深度已達557m,可見,開采煤層深度已經超過了臨界點,因此,開采深度較深也是導致沖擊礦壓頻繁發(fā)生的重要因素。

1.1.4頂板堅硬程度

新興煤礦主采煤層分別為48#、49#和65#煤層,三煤層基本符合“三硬”條件,其上覆老頂較厚,且堅硬,具備沖擊礦壓發(fā)生條件。由于采用下行開采順序,采煤工作面上部煤層采空,加之煤層傾角較大,采用沿空留巷方式,巖層受重力作用傾向于工作面運輸平巷方向垮落。多種因素影響下,工作面回風平巷長期受上區(qū)段頂板的壓力作用,工作面上隅角壓力較大,造成應力集中,為沖擊礦壓發(fā)生進一步創(chuàng)造了條件。

1.1.5斷層構造

大量的開采實踐證明,當采掘工作迫近斷層構造時,很容易發(fā)生沖擊礦壓事故[5];當采掘工作面推進至斷層附近時,通常會引起斷層本身突然錯動,進一步增加沖擊礦壓發(fā)生的幾率。新興煤礦48#煤層的41081采煤工作面,在回采過程中,發(fā)生了兩次沖擊礦壓,除受煤巖體自身力學參數和采動影響等多種因素作用外,工作面迫近斷層也是導致發(fā)生沖擊礦壓的重要原因。

1.1.6多種應力疊加作用

新興礦前石門最大主應力為22.6～23.3MPa;最大主應力方向變化范圍為176.8°～177.2°,其主應力與水平夾角為6.9°～7.1°,實際測量得出的最大主應力為理論計算的6倍之多,這主要是由于構造應力、地應力,瓦斯壓力,采動應力的疊加作用導致的。

1.2開采技術

1.2.1相鄰采空區(qū)

由于新興煤礦采用下行開采順序,開采過程中運輸平巷采用沿空留巷的作業(yè)方式,兩道石墻的寬度分別為1.8和2.0m,間距為2.0m。受重力作用及煤層傾角影響,工作面上區(qū)段冒落煤巖體作用力傾向于工作面運輸平巷方向,導致回采工作面回風平巷承受上區(qū)段頂板的懸臂壓力,回風平巷煤體形成壓力增高區(qū),最高壓力為上部實體煤的兩倍以上;采空區(qū)另一側成為減壓區(qū)。受其影響,工作面回風平巷轉變?yōu)閼ν蛔儏^(qū),高應力范圍達到70m以上;回采工作面近上、下巷區(qū)域內部應力集中程度相關較大,而隨著回采的不斷進行,應力集中程度逐步增強。根據以往發(fā)生的沖擊情況分析,該應力集中是導致工作面發(fā)生沖擊礦壓的重要原因。

1.2.2沿空留巷巷旁留垛

新興礦65#煤層41051工作面前期回采時,因工作面直接頂為破碎頁巖,頂板難以維護,故工作面自切眼開始,每推進4m留出13m左右的煤垛。推進一定距離后,工作面直接頂巖性好轉,變?yōu)榧毶皫r,頂板變得堅硬,但回采留煤垛的方式仍然保留。煤垛的存在,使得堅硬頂板難以自然跨落,頂板懸臂長度過大,積蓄的頂板彎曲能大。當頂板懸臂難以支撐頂板自重發(fā)生跨落時,頂板積蓄的大量能量得以釋放,導致工作面前方發(fā)生頂板型的沖擊礦壓[5-6]。

選取距切眼120m左右的煤垛,應用FLAC3D軟件進行模擬分析,結果如圖2所示。

圖2　沿回采工作面走向方向的垂直應力分布

從圖2可以看出,在工作面推進過程中,煤垛的存在對65#煤層的應力分布產生重要的影響。當工作面推進到120m左右時,形成了大面積采空區(qū),沿工作面走向方向,煤垛的支撐作用,阻止了上部頂板的垮落,導致懸露的頂板面積增大,因而煤垛承載了較大的應力。由圖2還可看出,煤垛內部為應力集中區(qū),煤垛發(fā)生破壞,將造成頂板垮落而極易發(fā)生事故。

圖3為沿走向方向的工作面支承壓力分布情況，其中l(wèi)為距上巷的距離。分析圖2、圖3可知,煤垛內的支承壓力分布與工作面不同,峰值位于工作面后方,并且在后方很大范圍內都處于高應力狀態(tài)。工作面其他位置應力峰值集中在工作面前方2～3m處,應力集中程度最高為工作面上部,應力集中系數達到2.4倍。煤層塑性破壞區(qū)較小,內部超前支承壓力峰值靠近煤壁,很容易誘發(fā)煤的突出。

圖3　回采工作面超前支護區(qū)域支承壓力分布曲線

圖4、5給出了工作面沿傾向方向的支承壓力分布情況，其中l(wèi)′為工作面前方距離。在回采期間,受煤層傾角影響,上區(qū)段采空區(qū)下部被冒落的矸石充填并壓實,起到了支撐頂板的作用,削弱了側向應力對下區(qū)段煤體的影響。

圖4　沿工作面傾向方向的垂直應力分布

圖5　沿工作面?zhèn)认蚍较蛑С袎毫Ψ植记€

圖6是65#煤層垂直應力分布的三維效果圖。在傾斜煤層中,由上階段采空區(qū)造成的穩(wěn)定支承壓力帶,沿煤層傾斜方向分布范圍為10～30m,而沿工作面走向的超前支承壓力峰值分布在工作面前方2～4m處。

圖6　工作面支承壓力分布矢量

2　沖擊礦壓危險區(qū)域劃分

2.141051回采工作面

新興煤礦41051工作面煤層厚度為0.85m,直接頂為35m厚的砂巖,煤層傾角為26°,工作面長度為155m,開采深度約為500m。根據沿空留巷圍巖礦壓顯現規(guī)律與傾斜長壁回采工作面巷道圍巖應力分布特征,進行工作面沖擊礦壓危險區(qū)域劃分。

(1)危險區(qū)域41051工作面回采期間,始終受采空區(qū)與上區(qū)段采空區(qū)頂板懸臂梁的來壓作用,工作面回風平巷150～200m與工作面上出口40m范圍內為危險區(qū)。

(2)特別危險區(qū)域41051工作面回風平巷圍巖完整性較差,在回采過程中,每推進4m留設5.5m×13.2m的煤垛。這些煤垛的存在,致使工作面上出口附近為高危險區(qū)。

2.241062回采工作面

新興煤礦41062工作面煤層厚度為0.85m,工作面走向長1 200m,傾斜平均長140m。開采深度為590～670m。根據傾斜煤層工作面轉角開采特點與圍巖應力分布特征,進行工作面沖擊礦壓危險區(qū)域劃分。

(1)危險區(qū)域由于工作面后方采空區(qū)與上區(qū)段頂板懸臂梁的共同作用,工作面回風平巷近工作面130～180m與上出口50m范圍為一般危險區(qū)域。在工作面轉角處,應力比較集中,為比較危險區(qū)域。

(2)特別危險區(qū)域由于煤層傾角較大,加之回風平巷圍巖穩(wěn)定性較差,41062回采工作面推進過程中,每推進6m留設6.5m×15.0m的煤垛,這些煤垛的存在,致使工作面上出口附近為高危險區(qū)。

3　結　論

(1)新興煤礦沖擊礦壓的主要影響因素包括煤層地質賦存條件與開采技術兩方面,煤層地質賦存條件為煤巖層沖擊傾向性,煤巖含水率、浸潤性,開采深度,地應力,頂板堅硬程度,斷層構造及構造應力等;開采技術因素為相鄰采空區(qū)及沿空留巷巷旁留垛。

(2)該煤礦41051(41062)回采工作面回風平巷150～200m(130～180m)與工作面上出口40m(50m)范圍內為危險區(qū)域;上出口附近為高危險區(qū)域。

(3)沖擊礦壓影響因素分析及危險區(qū)域劃分對新興煤礦調整開采技術具有實際意義,為相似地質條件下的安全生產提供了借鑒。

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(編輯荀海鑫)

Rock burst impact factors and danger zones in Xinxing coal mine

DONGChangji1,ZHAIYongsheng2,SUGuangfu3,FENGJunjie4

(1.Key Laboratory of Mining Engineering of Heilongjiang Province College, Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022, China; 2.Beijing Haohua Energy Resource Co.Ltd., Changgouyu Mine, Beijing 102451, China;3.Jixi Branch, Heilongjiang Longmay Mining Holding Group Co.Ltd., Jixi 158160, China;4.Qitaihe Branch, Heilongjiang Longmay Mining Holding Group Co.Ltd., Qitaihe 154600, China)

Aimed at addressing the frequent occurrence of rock burst in Xinxing coal mine, this paper provides an analysis of the main factors influencing the rock burst and classification of danger zone, combined with the overview of mining work face and starting from the geological occurrence conditions and mining technology. The results show that impact tendency of coal seam， mining depth， the hard degree of roof and floor， a variety of stress superimposition， adjacent mining， woodpile beside roadway constitute the main factors influencing the rock burst in Xinxing coal mine. 41051 work face and 41062 work face are exposed to danger zones lying in return air lanes 130～200 m and up export 40～50 m and to special danger zones near the up export. This study serves to ensure safe mining production.

Rock burst; Xinxing coal mine; influencing factors geological occurrence; danger zone

2013-08-23

黑龍江省教育廳科學技術研究(指導)項目(12533061)

董長吉(1978-)，男，黑龍江省明水人，講師，碩士，研究方向：采煤方法與巷道支護，E-mail:dcjchenxi@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.003

TD324

1671-0118(2013)05-0417-04

A