厚硬火成巖下回采工作面的沖擊礦壓防治研究

錢 坤

(中國有色金屬建設股份有限公司，北京市朝陽區(qū)，100029)

?

厚硬火成巖下回采工作面的沖擊礦壓防治研究

錢 坤

(中國有色金屬建設股份有限公司，北京市朝陽區(qū)，100029)

針對楊柳礦10#煤層10416工作面在回采過程中發(fā)生沖擊礦壓、支架大面積損壞的工程現(xiàn)象，結合實際地質(zhì)資料，通過建立力學模型，對工作面上方厚硬火成巖破斷運移規(guī)律及能量釋放量進行預測，并運用FLAC3D進行模擬驗證，最終得出火成巖斷裂時工作面的推進距離及沖擊礦壓發(fā)生時的能量臨界值。分析結果表明，在工作面回采過程中，火成巖的破斷所釋放出的巨大能量造成沖擊礦壓的發(fā)生。當工作面推進至250～260 m時，104采區(qū)發(fā)生沖擊礦壓的可能性較大；當工作面及兩巷位置附近的能量值達到8.28 kJ時，應加強監(jiān)測，同時采取有效防治措施，并根據(jù)礦井的具體情況提出了鉆孔卸壓、煤層注水及卸壓爆破三種治理沖擊礦壓的措施。

厚硬火成巖 沖擊礦壓 數(shù)值模擬 回采工作面

由于沖擊礦壓發(fā)生機理的復雜性，其預防和控制工作一直是研究難點。而隨著煤礦開采深度越來越大，開采范圍日益擴大，沖擊礦壓防治工作變得更加困難。在煤礦生產(chǎn)過程中，有諸多因素可以導致沖擊礦壓的產(chǎn)生，尤其是當有厚硬的火成巖上覆于采煤工作面上方，在開采過程中容易產(chǎn)生沖擊礦壓。楊柳礦回采104采區(qū)時，就面臨著上覆厚硬火成巖下煤層的安全開采問題，但對于火成巖運移規(guī)律及破斷能量的轉(zhuǎn)化還沒有準確的解釋，沒有及時做好防治措施，導致回采過程中發(fā)生了沖擊礦壓等地質(zhì)災害，因此對厚硬火成巖作用下沖擊礦壓發(fā)生機理進行研究顯得十分必要。

1 工程背景

楊柳礦首采區(qū)為104采區(qū)，其中10#煤層為主采煤層，平均傾角為6°，平均厚度為3.4 m，通過現(xiàn)場取樣及實驗室測試評估確定其沖擊傾向性為弱沖擊傾向。當10416工作面推進220 m時，工作面出現(xiàn)大面積來壓現(xiàn)象，導致工作面大量支架損壞。10416工作面的頂板及上覆巖層情況為：直接頂主要為細砂巖，局部為泥巖，厚度為1.3～3.53 m，基本頂為泥巖，厚度為7.09 m。在工作面頂板上方有兩層火成巖，距離頂板上方116.8 m的位置是第一層火成巖，其厚度為43.6 m；距離頂板上方226 m的位置是第二層火成巖，其厚度為29.6 m。分別對10416工作面的煤體、頂?shù)装寮吧细驳幕鸪蓭r取樣，實驗室?guī)r石力學參數(shù)測試結果見表1。

表1 巖石力學參數(shù)測試結果

2 沖擊礦壓發(fā)生機理

2.1 沖擊礦壓影響因素初步分析

從生產(chǎn)實踐角度來看，煤礦生產(chǎn)的集中化程度越高，沖擊地壓發(fā)生的可能性越大。從技術方面分析發(fā)生沖擊地壓的原因，主要是采動活動導致局部應力相對集中。由于工作面上方有堅硬頂板，在回采過程中，懸頂范圍過大，或者煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)配置不合理，造成應力相對集中，使得沖擊礦壓發(fā)生的概率大大增加。在煤礦的實際生產(chǎn)過程中，礦井的機械和技術裝備與礦井的實際情況不匹配，或沒有配置有效的沖擊礦壓預警和防治系統(tǒng)，也容易發(fā)生沖擊礦壓現(xiàn)象。

具體來說，發(fā)生沖擊礦壓最主要的原因就是工作面上方堅硬頂板的存在。據(jù)統(tǒng)計，厚度大、堅硬的老頂是產(chǎn)生沖擊危險的主要因素。根據(jù)巖體力學理論可知，老頂懸露長度達到極限跨距時積聚的能量U與老頂?shù)膯屋S抗壓強度Rc及老頂?shù)暮穸菻成正比。而此時煤體積聚能量U1也與老頂厚度H及老頂?shù)膯屋S抗壓強度Rc成正比。

因此，隨著老頂厚度和抗壓強度的增大，頂板聚集的能量變大，煤體聚集的能量增加，頂板失穩(wěn)時釋放出的能量就越大，發(fā)生沖擊礦壓的可能性會加大；在回采過程中，煤層先逐漸壓縮，厚硬頂板也發(fā)生相應的緩慢下沉，隨著采煤工作的進行，頂板可能會突然集中下沉，這使得煤層和頂板所承受的載荷在很短的時間內(nèi)達到一個極大值。此外，如果頂板是快速下沉狀態(tài)，就會使得頂板具有較大動能，且煤體在動載荷作用下強度會大幅提高，破壞時積聚的能量增加，當頂板破壞失穩(wěn)時，這些能量在極短的時間內(nèi)被釋放出來。

由以上分析可知，頂板快速下沉所釋放的能量比頂板緩慢下沉要大很多，從而沖擊危險加大。此外，當工作面厚硬頂板懸露面積達到某一臨界值時，頂板會發(fā)生破斷，而頂板在破斷前已經(jīng)積聚了大量的彈性能，當頂板破斷時這些能量得到釋放，以應力波的形式作用于煤體，引起煤體振動，當煤體積聚能量增加、穩(wěn)定性逐漸降低時，發(fā)生沖擊礦壓的機率也會加大。

104采區(qū)頂板上方存在兩層厚硬的火成巖，所以沖擊情況十分復雜，工作面上覆火成巖的破斷運移規(guī)律，以及火成巖破斷后的能量釋放情況也需要進一步探究。

2.2 火成巖破斷的力學分析

首先建立沿工作面傾向、走向方向的力學模型分別如圖1和圖2所示。

隨著回采工作的進行，火成巖發(fā)生破斷、垮落，工作面的極限跨距L可由下式求出：

(1)

式中：L——火成巖破斷時工作面的極限跨距，m；

H1——火成巖厚度，m；

RT——單向抗拉強度，MPa；

q——火成巖上的單位載荷，MPa；

∑H——煤層與火成巖之間的距離，m；

β——巖層移動角，(°)。

上覆火成巖可以看作矩形薄板加以研究，則對于矩形薄板的小撓度問題，納維葉解法是比較有效的求解途徑，計算公式為：

(2)

式中：αmax——最大撓度，m；

E——彈性模量，GPa；

h——火成巖厚度，m；

D——彎曲剛度，kN·m2；

μ——泊松比；

a——火成巖的垮落步距，m；

b——開采寬度，m。

圖1 工作面傾向方向力學模型

圖2 工作面走向方向力學模型

隨著回采工作的進行，火成巖發(fā)生破斷、垮落，工作面的推進長度與跨距的關系為：

(3)

式中：Lt——火成巖破斷時工作面推進長度，m；

l——火成巖的垮落步距，m。

對于第一層火成巖，由10416工作面的實測資料可知，距離10號煤層116.8 m處的第一層火成巖厚度為43.6 m。由實驗室測試所取樣品的結果可知，巖層移動角為70°，火成巖的單向抗拉強度為9.82 MPa。由式(1)計算可得火成巖破斷時工作面的極限跨距為258 m。采空區(qū)的寬度在10416工作面回采后將達到360 m，大于火成巖破斷時回采工作面的極限跨距，因此火成巖在工作面回采期間將會發(fā)生破斷。

取開采寬度b為360 m，由式(2)計算得αmax約為189 m。再根據(jù)式(3)計算可得，火成巖破斷時工作面的推進長度Lt為252～298 m。則當10416工作面回采的推進長度為252～298 m時，此時火成巖的垮落步距為189 m，火成巖將會發(fā)生破斷、垮落。

距離10#煤層226 m處的第二層火成巖厚度為29.6 m。由實驗室測試所取樣品的結果可知，巖層移動角為70°，火成巖的單向抗拉強度為8.23 MPa。由式(1)計算可得火成巖破斷時工作面的極限跨距為222 m。因此在回采過程中，第二層火成巖也會發(fā)生破斷。

3 數(shù)值模擬

對于開采上覆厚硬火成巖下的煤層的情況，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行模擬和分析，F(xiàn)LAC3D模型如圖3所示，根據(jù)礦井煤層的實際情況，以及煤層上覆巖層的分布情況，建立數(shù)值計算模型。模型分為x、y、z三個方向，分別代表工作面的推進方向、工作面的傾斜方向以及豎直方向，設計尺寸分別為700 m、565 m和212 m。

圖3 數(shù)值模型圖

本模擬屬于地下開挖問題，而且要考慮回采過程中塊體產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍，因此，可選用摩爾-庫侖彈塑性模型，數(shù)值模型的巖石力學參數(shù)見表2。

通過數(shù)值模擬對工作面上覆火成巖破斷運移的塑性區(qū)進行分析，模擬結果如圖4所示。

由圖4可以看出，工作面回采過程中，塑性區(qū)的范圍呈總體變大的趨勢，當工作面推進距離為200 m時，火成巖的下方出現(xiàn)小范圍的塑性拉伸區(qū)，并且塑性拉伸區(qū)的范圍隨著回采工作的進行不斷增大，說明火成巖在逐漸發(fā)生破壞、斷裂。上文理論計算結果表明，當工作面回采至252～298 m處時，上覆火成巖會發(fā)生破斷、垮落，數(shù)值模擬結果與理論計算結果比較吻合，因此，綜合以上分析可以得出，當工作面推進距離為250～260 m時，火成巖將會發(fā)生破斷。

表2 巖體物理力學參數(shù)

圖4 10416工作面開采中火成巖塑性區(qū)的變化

4 火成巖破斷后能量預測

頂板彎曲彈性能的計算示意圖如圖5所示。

圖5 頂板彎曲彈性能計算示意圖

火成巖破斷的能量釋放計算公式如下。

(4)

式中：Uw——頂板彎曲彈性能，J；

LR——巖層的懸伸長度，m；

J——巖層斷面慣矩，m4。

由上文的計算和分析可知，第一層火成巖的厚度為43.6 m，彈性模量為14.58 GPa，工作面推進至252～298 m時第一層火成巖發(fā)生破斷。則根據(jù)式(4)計算出火成巖發(fā)生破斷產(chǎn)生的震動能量約為6.5×103kJ。

火成巖發(fā)生破斷后會釋放的大量彈性能，這部分彈性能在巖層傳播過程中會發(fā)生損耗，當其到達工作面時能量較原來會減少，具體能量的數(shù)值可以根據(jù)如下公式進行計算：

(5)

式中：U——到達工作面時的能量，J；

lR——能量在巖層中的傳播距離，m；

η——能量衰減指數(shù)。

假設能量在兩工作面中間，即在10416風巷正上方的位置釋放，則能量在巖層中的傳播距離為116.8 m，取能量衰減指數(shù)為1.4，可得到達工作面的能量為8.28 kJ。

因此在工作面推進到200 m左右時，應密切關注工作面及兩巷附近的能量值，當其大于8.28 kJ時，應當加強監(jiān)測，并及時采取有效措施，以避免發(fā)生火成巖破斷而引起沖擊礦壓現(xiàn)象。

5 沖擊礦壓治理措施

判斷礦井沖擊危險性有多種方法，目前運用最廣泛的是綜合指數(shù)法。綜合指數(shù)法是分析各種采礦地質(zhì)因素對沖擊礦壓災害發(fā)生的影響，得出各因素對沖擊礦壓的影響權重，然后對各項評價指數(shù)進行加權，得出綜合評價值，從而達到預測預報沖擊礦壓的目的。根據(jù)地質(zhì)因素的分析，回采工作面的沖擊礦壓危險指數(shù)Wt為0.42，具有弱沖擊危險性。

對10416工作面沖擊危險區(qū)域進行劃分，沖擊危險區(qū)域有：中等危險區(qū)域1個、一般危險區(qū)域4個、弱危險區(qū)域11個。因此需要針對以上危險情況制定防治體系以避免沖擊礦壓的產(chǎn)生，具體防治措施如圖6所示。預防與治理結合，多種方法并行，在防治的同時檢驗治理的效果，可以采用鉆屑法、電磁輻射法和微震法等，達到全方位、立體化防治沖擊礦壓的目的。

圖6 工作面沖擊礦壓防治體系

對沖擊礦壓的形成機理、影響因素、治理措施進行分析和研究，是為了更好地防止沖擊礦壓的發(fā)生。為了有效防止沖擊礦壓的發(fā)生，要事先控制煤巖體中高應力的產(chǎn)生，從而使得煤巖體不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。根據(jù)采場的實際情況，104采區(qū)可采取如下的沖擊礦壓防治措施：

(1)煤體大直徑鉆孔卸壓。在回采過程中，煤巖體中聚集了大量的彈性能，產(chǎn)生一些高應力區(qū)，可以采用煤體鉆孔卸壓措施予以釋放和消除，具體實施參數(shù)如圖7所示。

(2)煤層注水。通過煤層注水，可以有效減小沖擊礦壓發(fā)生的概率，通過長鉆孔對煤層進行高壓注水，并保證注水范圍覆蓋整個工作面，注水鉆孔之間的距離為15 m，孔深為25 m。具體的煤層注水孔布置圖如圖8所示。

圖7 煤體大直徑鉆孔卸壓示意圖

圖8 煤層注水孔布置

(3)卸壓爆破。煤幫附近容易形成較高應力，通過卸壓爆破措施，可以使得煤體中的彈性能最大程度的釋放，應力升高區(qū)移向煤體的深部；通過實施合理振動爆破工作，炸藥爆炸與開采的雙重作用，在巖體和煤體中形成卸壓區(qū)和松動帶，并促進落煤，具體的煤體卸壓爆破示意圖如圖9所示。

圖9 煤體卸壓爆破示意圖

在實施沖擊礦壓治理措施之后，通過鉆屑法對沖擊礦壓的防治效果進行檢驗，在煤體中打鉆孔，鉆孔的直徑為42～50 mm，根據(jù)實施鉆孔措施后排出的煤粉量，以及煤粉量的變化規(guī)律和相關的動力效應，探測并解除沖擊礦壓危險的方法。當煤體的應力狀態(tài)不同時，通過鉆屑法排出的煤粉量也不同，因此，根據(jù)排出的煤粉量可以推知應力狀態(tài)。當單位長度鉆孔的排粉率增大或排粉率超過某個標定值時，表明沖擊危險性提高，應繼續(xù)采取措施來解除危險，然后再檢驗治理效果，直至危險解除。

6 結論

結合楊柳礦104采區(qū)10416工作面的地質(zhì)條件，對上覆火成巖的運移和破斷規(guī)律進行力學分析和數(shù)值模擬，并對火成巖破斷后能量釋放及傳遞進行計算和預測，得出如下結論：

(1)力學分析及數(shù)值模擬結果表明，由于10416工作面上覆兩層厚硬火成巖，使得其回采工作具有特殊性，當工作面回采至250～260 m時，火成巖會發(fā)生破斷，進而造成沖擊礦壓。

(2)通過分析回采過程中工作面上覆火成巖的運移和破斷規(guī)律可知，火成巖破斷后釋放出積聚在其中的巨大能量是導致沖擊礦壓發(fā)生的主要原因，釋放出的能量在巖層中傳遞會產(chǎn)生損耗和衰減，最終到達工作面的能量大小約為8.28 kJ。

(3)針對10416工作面沖擊危險情況，制定出相應的沖擊礦壓防治體系，防治與檢驗并重，從而保證礦井的安全生產(chǎn)。10416工作面掘進期間主要采用大直徑鉆孔卸壓的措施，根據(jù)需要采取鉆孔卸壓爆破的解危措施；在工作面回采期間主要采用煤層注水和大直徑鉆孔卸壓等措施，根據(jù)需要采取煤體卸壓爆破的解危措施。

[1] 徐學鋒,竇林名,曹安業(yè)等. 覆巖結構對沖擊礦壓的影響及其微震監(jiān)測[J]. 采礦與安全工程學報,2011(1)

[2] 詹振江,陸菜平. 火成巖下工作面開采的沖擊危險性評價與監(jiān)測技術[J]. 煤礦開采,2012(3)

[3] 齊慶新,李宏艷,潘俊鋒等. 沖擊礦壓防治的應力控制理論與實踐[J]. 煤礦開采,2011(3)

[4] 翟所業(yè),張開智. 用彈性板理論分析采場覆巖中的關鍵層[J]. 巖石力學與工程學報,2004(11)

[5] 潘俊鋒,藍航,毛德兵等. 沖擊地壓危險源層次化辨識理論研究[J]. 巖石力學與工程學報,2011(S1)

[6] 竇林名,何學秋. 煤礦沖擊礦壓的分級預測研究[J]. 中國礦業(yè)大學學報,2007(6)

[7] 何學秋,竇林名,牟宗龍等. 煤巖沖擊動力災害連續(xù)監(jiān)測預警理論與技術[J]. 煤炭學報,2014(8)

[8] 杜學領，王寧，李楊等. 火成巖侵入?yún)^(qū)巷道支護技術研究[J]. 中國煤炭，2014(6)

[9] 李興國，文廣超. 巨厚礫巖層對地表沉降及沖擊地壓的影響分析[J]. 中國煤炭，2015(6)

[10] 曲效成,姜福興,于正興等. 基于當量鉆屑法的沖擊地壓監(jiān)測預警技術研究及應用[J]. 巖石力學與工程學報,2011(11)

(責任編輯 陶 賽)

Research on prevention and control for rock burst of mining work face under thick hard igneous rock

Qian Kun

(China Nonferrous Metal Industry's Foreign Engineering and Construction Co., Ltd.,Chaoyang, Beijing 100083, China)

Aiming at engineering phenomena that rock burst took place when mining 10416 work face in No.10 coal seam and support damaged extensively, based on actual geological data of Yangliu Mine, this paper predicted the breaking migration rules and energy release amount of the thick hard igneous rock above the work face by building up mechanical model, and used FLAC3D software to simulate and validate to figure out work face advance distance when the igneous rock cracked and the energy threshold when rock burst occurred. Analysis results showed that the fractures of igneous rock release energy resulted in rock burst during the process of work face advancing. When work face advanced 250～260 m, rock burst occurred in 104 mining area most probably. When the energy value of work face and both sides of roadways reached 8.28 kJ, monitoring should be strengthened, and according to the specific situation of the mine this paper put forward three kinds of treatment measures, drilling pressure relief, coal seam water injection and blasting pressure relief.

thick hard igneous rock, rock burst, numerical simulation, mining work face

錢坤 .厚硬火成巖下回采工作面的沖擊礦壓防治研究 [J] . 中國煤炭，2017,43(5)：60-65. Qian Kun . Research on prevention and control for rock burst of mining work face under thick hard igneous rock [J] . China Coal，2017,43(5)：60-65.

TD323

A

錢坤(1987-)，男，黑龍江雙鴨山人，博士研究生。主要研究方向為礦山設計、巖石力學與礦山壓力以及礦業(yè)工程合同管理與建設成本控制研究。