深部不規(guī)則煤柱影響下旋采工作面沖擊危險區(qū)的劃分

郭曉勝，張明斌，任文濤，李百倫

(1.山東能源淄礦集團唐口煤業(yè)，山東 濟寧 272055；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266000；3.山東煤礦安全監(jiān)察局 魯西分局，山東 濟寧 272055)

深部不規(guī)則煤柱影響下旋采工作面沖擊危險區(qū)的劃分

郭曉勝1，張明斌2，3，任文濤1，李百倫1

(1.山東能源淄礦集團唐口煤業(yè)，山東 濟寧 272055；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266000；3.山東煤礦安全監(jiān)察局 魯西分局，山東 濟寧 272055)

[摘要]在分析唐口煤礦3303旋轉(zhuǎn)工作面特殊開采情況的基礎(chǔ)上，提出采用數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)先圈定了3303工作面在初采期間的2個沖擊危險區(qū)，然后對這2個危險區(qū)利用CT探測技術(shù)又進一步確定了重點危險區(qū)，這對后續(xù)開采階段的沖擊地壓防治工作具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

[關(guān)鍵詞]不規(guī)則煤柱；旋采；CT探測；沖擊地壓

1工程概況

3303工作面走向可采長度1255m，平均埋深880m，地應(yīng)力大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層具有強沖擊傾向性，工作面位置見圖1。該面為一旋采[1-5]工作面，膠帶巷側(cè)區(qū)段煤柱極不規(guī)則，煤柱寬度變化大，最窄處僅5m，工作面開采期間煤柱受力極不穩(wěn)定。旋采區(qū)段內(nèi)有多條巷道交差，將工作面煤體切割成多個三角煤柱，多方向支承壓力疊加引起煤體應(yīng)力高度集中，工作面推進時，與超前支承壓力共同疊加，圍巖應(yīng)力場將更為復(fù)雜，煤柱穩(wěn)定性問題將尤為突出。

圖1　3303工作面位置

為保障3303工作面的順利開采，需對其進行沖擊地壓防治研究，深入分析開采過程中工作面及煤柱應(yīng)力場演化規(guī)律，厘清導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生的主要因素，對可能發(fā)生沖擊的區(qū)域與時段進行預(yù)測，并提出解危措施。

2基于數(shù)值模擬技術(shù)的沖擊危險區(qū)劃分

利用數(shù)值模擬方法[6]對3303工作面初采期間以及旋采期間煤體進行了模擬。

2.1異形煤柱區(qū)域

工作面過異形煤柱區(qū)域時，危險區(qū)域主要集中在異形煤柱位置的兩個三角煤柱，見圖2，隨著工作面推進，煤柱周圍臨空面積不斷擴大，異形煤柱將承受來自3302工作面采空區(qū)、3303工作面回采巷道及3303工作面采空區(qū)的綜合影響，受力情況比較復(fù)雜。

圖2　異形煤柱位置示意

圖3為工作面推進過程中O點(煤柱寬度最窄處)垂直應(yīng)力的變化曲線。工作面推進30m之前，異形煤柱主要受3302采空區(qū)影響。隨著3303工作面推進，懸露頂板的壓力逐漸向周邊煤體轉(zhuǎn)移，應(yīng)力值將繼續(xù)增大。工作面推進至40m附近時，異形煤柱逐漸處于兩側(cè)采空狀態(tài)，其應(yīng)力集中程度明顯升高，如圖3中A點所示。當(dāng)工作面到達O點附近，采空區(qū)側(cè)煤柱寬度僅有5m，煤體垂直應(yīng)力達到50MPa，O點處周圍煤體均處于塑性區(qū)，內(nèi)部已沒有彈性核的存在，煤柱或以漸進破壞的形式失穩(wěn)，短期內(nèi)膠帶巷端頭表面變形量將急劇增加。

圖3　O點垂直應(yīng)力曲線

2.2工作面旋采期間應(yīng)力分析

3303工作面旋采使工作面成功旋轉(zhuǎn)了37°，從而使0.1Mt邊角煤順利開采。旋采期間工作面推進度極不均衡，且開始接近三角煤柱區(qū)，危險性很大。

由圖4可知，旋采期間膠帶巷上下幫以及軌道巷下幫的垂直應(yīng)力都出現(xiàn)了大幅升高，其中膠帶巷最為明顯。旋采期間，膠帶巷端頭區(qū)域的應(yīng)力集中程度高，頂板懸露面積大，應(yīng)大力加強支護和重點區(qū)域應(yīng)力監(jiān)測。

圖4　巷道端頭區(qū)域兩幫峰值應(yīng)力隨推進距離變化曲線

2.3三角煤柱群穩(wěn)定性分析

由圖5、圖6可知，由于2條措施巷的開掘，在水平段開采期間將先后形成4個沖擊危險區(qū)域，先后分別為：D，B，A，C。在工作面推進這4個危險區(qū)域之前，煤體應(yīng)力均已呈現(xiàn)應(yīng)力集中狀態(tài)，且不同位置的應(yīng)力集中程度有所不同。

圖5　三角煤柱群位置示意

圖6　巷道交叉危險區(qū)域單元體垂直應(yīng)力曲線

2.4工作面沖擊危險性時空劃分

由于3302采空區(qū)的存在和3303工作面旋轉(zhuǎn)開采的綜合作用使得3303工作面應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)異常規(guī)律。為方便指導(dǎo)后期的沖擊地壓監(jiān)測及防治工作，將初采400m范圍內(nèi)的工作面沖擊危險性依據(jù)時間先后順序進行時空劃分，共劃分了6個危險區(qū)，其中第1沖擊危險區(qū)和第3沖擊危險區(qū)為強沖擊危險區(qū)，其余為一般沖擊危險區(qū)，如圖7所示。

圖7　沖擊危險區(qū)域劃分示意

在接近這6個危險時段之前要充分利用巖石力學(xué)及地球物理手段密切跟蹤頂板運動和煤體應(yīng)力演化情況，準(zhǔn)確把握其變化規(guī)律與發(fā)展趨勢，及時對沖擊危險進行預(yù)警。

3基于CT探測技術(shù)的重點危險區(qū)確定

PASAT-M便攜式微震探測系統(tǒng)可對指定重點區(qū)域進行地震波參數(shù)層析成像[7-8]，本次探測將選取2個典型區(qū)域進行研究。共設(shè)計2個測區(qū)，一測區(qū)為工作面前方70m范圍；二測區(qū)為巷道交叉區(qū)域，具體為第4危險區(qū)和第5危險區(qū)所處范圍。兩測區(qū)具體位置如圖8所示。

圖8　PASAT探測區(qū)域位置示意

3.1一測區(qū)探測結(jié)果解釋

圖9為一測區(qū)地震縱波波速異常系數(shù)分布圖，探測區(qū)域內(nèi)波速正異常系數(shù)最大為0.55，波速負(fù)異常系數(shù)最小為-0.55。由圖9可知，靠近交叉口位置約20m范圍內(nèi)，異常系數(shù)基本都小于0.25，表明該處應(yīng)力水平偏低，該區(qū)域煤體已進入塑性破壞狀態(tài)，煤體完整性和承載能力均大大降低，應(yīng)力集中等級為“無”或“弱”。

圖9　縱波波速異常系數(shù)分布

同時發(fā)現(xiàn)，一條負(fù)異常帶由軌道巷側(cè)向探測區(qū)域內(nèi)部延展，其波速異常值均小于-0.20，推斷該區(qū)域為原生破碎帶或煤層增厚帶，工作面推進至此位置時，應(yīng)及時移架護頂，防止架前冒頂。

如圖10所示，提取了波速異常系數(shù)大于0.14的區(qū)域，即存在應(yīng)力集中現(xiàn)象的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)波速最大異常系數(shù)達到0.55。另外，異常值大于0.4狀況(中等應(yīng)力集中)在兩側(cè)巷道附近均有出現(xiàn)，由于幫部煤體處于單向或兩向受力狀態(tài)，強度相對較低，相同條件下將比處于深處煤體更容易破壞。

圖10　縱波波速正異常區(qū)域提取

根據(jù)以上分析，得出一測區(qū)內(nèi)危險區(qū)有3個，如圖11所示。

圖11　一測區(qū)沖擊危險區(qū)域劃分

3.2二測區(qū)探測結(jié)果解釋

圖12為二測區(qū)地震波縱波速度異常系數(shù)分布圖，探測區(qū)域內(nèi)波速正異常系數(shù)最大為0.5，波速負(fù)異常系數(shù)最小為-0.5。不同區(qū)域煤體的波速異常系數(shù)差異性反應(yīng)了其物理力學(xué)特性及應(yīng)力狀態(tài)的差異性。

圖12　縱波波速異常系數(shù)分布

如圖13所示，提取了存在應(yīng)力集中現(xiàn)象的區(qū)域(波速異常系數(shù)大于0.125)，區(qū)域內(nèi)波速最大異常系數(shù)達到0.5，即處于強應(yīng)力集中狀態(tài)。但由于兩區(qū)域與工作面及巷道的相對位置差異較大，其沖擊危險性也將表現(xiàn)出一定差異。

圖13　縱波波速正異常區(qū)域提取

根據(jù)以上分析，得出二測區(qū)內(nèi)危險區(qū)有2個，如圖14所示。

圖14　二測區(qū)沖擊危險區(qū)域劃分

4結(jié)論

(1)3303工作面傾斜段開采過程中，異形煤

柱應(yīng)力水平將持續(xù)升高，O點處煤柱或?qū)l(fā)生漸進式失穩(wěn)破壞。該時段內(nèi)膠帶巷兩幫煤體應(yīng)力集中程度和沖擊危險程度明顯大于軌道巷兩幫，而膠帶巷下幫則明顯大于上幫。

(2)受交叉措施巷及工作面旋采共同影響，旋采階段內(nèi)工作面前方煤體應(yīng)力分布規(guī)律變得異常復(fù)雜，尖角煤柱應(yīng)力集中水平極高，成為誘發(fā)煤柱型沖擊地壓的主要危險源。

(3)針對3303工作面初采400m期間，劃定了6個沖擊危險區(qū)域，分析了危險源形成條件，并指明了沖擊危險時段。

(4)根據(jù)成像結(jié)果，一測區(qū)內(nèi)劃定3個沖擊危險區(qū)域的具體位置和范圍，其中2個具有較強沖擊危險性。二測區(qū)劃定了2個沖擊危險區(qū)域的具體位置和范圍，其中一個具有較強沖擊危險性。

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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

Division of Rock Burst Hazard Zone of Rotary Mining Face under Influence of Irregular Coal Pillar in Deep

[收稿日期]2015-07-15[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.028

[作者簡介]郭曉勝(1981-)，男，山東濟南人，工程師，唐口煤業(yè)公司防沖副總工程師，從事沖擊地壓災(zāi)害治理工作。

[中圖分類號]TD324

[文獻標(biāo)識碼]B

[文章編號]1006-6225(2016)03-0106-03

[引用格式]郭曉勝，張明斌，任文濤，等.深部不規(guī)則煤柱影響下旋采工作面沖擊危險區(qū)的劃分[J].煤礦開采，2016，21(3)：106-108，146.