急傾斜堅(jiān)硬頂板相鄰采空區(qū)懸頂誘沖原因分析及治理研究

周脈來(lái)

摘要：針對(duì)急傾斜堅(jiān)硬頂板煤層開(kāi)采后采空區(qū)垮落不充分，造成懸頂和相鄰工作面開(kāi)采引起采動(dòng)應(yīng)力疊加，引發(fā)區(qū)段煤巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，大量彈性能惡性釋放導(dǎo)致沖擊地壓事故的問(wèn)題，結(jié)合雙礦集團(tuán)東保衛(wèi)煤礦7.22沖擊地壓事故現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)力學(xué)條件，采用數(shù)值模擬方法對(duì)36煤層工作面懸頂對(duì)區(qū)段煤柱應(yīng)力的影響進(jìn)行分析研究，驗(yàn)證沖擊地壓事故的直接原因。為下一步采取針對(duì)性治理措施提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：堅(jiān)硬頂板；急傾斜；沖擊地壓；數(shù)值模擬

Analysis of the Induced Overlap Stress of Adjacent Coal Faces Adjacent to Steeply Inclined Hard Roof

Zhou Mai-lai 1 Li Zhi-min 2 Fan Cong-cong 3

（1. Longyao Group Shuangyashan Coal Industry Corporation，Heilongjiang Shuangyashan 155100 2.，Coal Group Shuangyashan Coal Mining Company Dongbao Mine Heilongjiang Shuangyashan 1551002 3，Graduate School of Liaoning Technical University Liaoning Fuxin 123000）

Abstract：Due to the insufficient collapse of the goaf after mining for steeply inclined and hard roof coal seams，the mining stress caused by the mining of the suspended ceiling and the adjacent working face is superimposed，causing instability of the coal and rock structure in the section，and a large number of elastic energy malignant release leading to the impact pressure accident. The problem，combined with the geomechanical conditions of the accident site of 7.22 rockburst in the Dongbaowei coal mine of the Shuangling Group，adopted the numerical simulation method to analyze the influence of the roof-to-section coal pillar stress of the 36 coal seam face to verify the direct impact of the rockburst accident. the reason. For the next step to take targeted governance measures to provide a theoretical basis.

Key：Hard roof；steeply inclined；rockburst；numerical simulation

引言

龍煤雙鴨山礦業(yè)有限責(zé)任公司東保衛(wèi)礦，礦井煤層埋藏深（現(xiàn)開(kāi)采深為700m），地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層傾角大，頂板堅(jiān)硬，屬于典型的急傾斜堅(jiān)硬頂板煤層，隨著開(kāi)采深度的不斷增加，地壓逐漸增大，礦壓顯現(xiàn)更加明顯，給安全生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。

東保衛(wèi)煤礦36煤層，是全礦的主力開(kāi)采煤層，2016年7月22日，三采區(qū)36層-570左面發(fā)生沖擊地壓，給生產(chǎn)造成了巨大的損失。經(jīng)專(zhuān)家推斷，事故直接原因?yàn)樯弦还ぷ髅婊夭珊蟛煽諈^(qū)頂板垮落不及時(shí)，受-570左工作面采動(dòng)影響，懸頂垮落對(duì)區(qū)段煤柱進(jìn)行破壞引起沖擊地壓事故。為驗(yàn)證推斷，現(xiàn)利用flac3d進(jìn)行分析驗(yàn)證。

1 工程概況

東保衛(wèi)礦于1983年12月開(kāi)工興建，1986年6月投產(chǎn)。原設(shè)計(jì)能力為60萬(wàn)t/a，2011年核定生產(chǎn)能力為105萬(wàn)t/a。

36、41層煤為全礦井大部分可采的較穩(wěn)定煤層，其它煤層為局部可采的不穩(wěn)定煤層。礦井開(kāi)采方式為雙斜井雙水平上下山開(kāi)拓。36煤層為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層，煤種牌號(hào)為氣煤，條帶狀結(jié)構(gòu)明顯，內(nèi)生裂隙發(fā)育，常具階梯狀斷口，玻璃光澤、條痕為黑褐色14°～43°，平均角度27°。煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度：1.75～2.15m，偽頂為灰黑色細(xì)砂巖，巖石層理較發(fā)育，厚度0.4m；無(wú)直接頂；基本頂為粉砂巖，灰黑色、有條帶狀結(jié)構(gòu)、較破碎的粉砂巖，層理不發(fā)育，厚度7m；無(wú)偽底；直接頂為中砂巖，基本底為中砂巖，巖石層理比較發(fā)育，厚度3.6m。（附圖 1煤層柱狀圖）

2. 東保衛(wèi)7.22事故簡(jiǎn)介

東保衛(wèi)煤礦三采區(qū)36煤層-570左翼，為綜合機(jī)械化采煤工作面。該工作面位于二水平三采區(qū)-500下山區(qū)左部，北鄰-480采空區(qū)、空區(qū)無(wú)積水，南至-570未采區(qū)，西臨-570右準(zhǔn)備面。地表標(biāo)高為+135.5～+158.2m，井下標(biāo)高為-550.3～-407.4m。上部為30煤層未采動(dòng)，距36煤層層間距30m，下部為41煤層，未采動(dòng)，與36煤層層間距55m。工作面走向長(zhǎng)度805m，傾斜長(zhǎng)度為165m，平均煤厚為1.72m，傾角23°～45°，由于受煤層坡度變化影響，上區(qū)段的-500工作面為梯形的不規(guī)則工作面，兩工作面之間的區(qū)段煤柱寬度為 25米

2016年7月22日17：09，綜一隊(duì)回采三采區(qū)36層-570左面發(fā)生沖擊地壓，事故發(fā)生地點(diǎn)為回風(fēng)巷N5點(diǎn)前23m至N8點(diǎn)前19m（工作面上端頭）間120m范圍內(nèi)，此段巷道發(fā)生底鼓和局部片幫。底鼓高度0.5～1.8m，局部片幫最大寬度0.8m，煤體有0.5～1.2m位移，巷道剩余最小高度0.8m。此次事故導(dǎo)致2人死亡，1人受輕傷。

經(jīng)事故調(diào)查組專(zhuān)家組現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和查閱資料，通過(guò)在附近的工作面鉆孔資料發(fā)現(xiàn)采空區(qū)懸頂長(zhǎng)度在17米左右。認(rèn)為-570左面的沖擊地壓事故，與該工作面上區(qū)段的-500工作面采空區(qū)的堅(jiān)硬頂板沒(méi)有及時(shí)垮落，懸頂有直接的聯(lián)系。

3 FLAC3D數(shù)值模擬及分析

3.1三維數(shù)值模型的建立

以36煤層工作面為基礎(chǔ)建立flac3d數(shù)值模型。模型尺寸長(zhǎng)、寬、高分別為400、300和400m，共劃分為299000個(gè)單元體，生成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)365167個(gè)，模型側(cè)面限制水平移動(dòng)并施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力，模型的地面限制水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)，模型的上部施加與上覆巖層等效的自重應(yīng)力。研究范圍內(nèi)的巖層采用摩爾庫(kù)倫模型，如圖3所示。

由于事故現(xiàn)場(chǎng)表明，沖擊主要是區(qū)段煤柱煤體沖出造成危害，區(qū)段煤柱的受力狀況和上區(qū)段采空區(qū)懸頂有直接聯(lián)系。因此，通過(guò)數(shù)值模擬分析區(qū)段煤柱斷頂前后受力狀況

3.2 模擬結(jié)果及分析

運(yùn)用flac3d模擬了煤柱寬度為25m時(shí)的煤柱應(yīng)力分布和煤柱兩側(cè)塑性區(qū)分布情況，該模型共分為7個(gè)組，粗砂巖、黏土巖、泥巖、中砂巖、采空區(qū)、巷道和煤柱，并繪制了相關(guān)圖形；應(yīng)力場(chǎng)布置為：

initial sxx -23.68e6 grad 0.0，0.0，51244.4

initial szz -14.17e6 grad 0.0，0.0，30666.7

initial syy -10e6 grad 0.0，0.0，14177.8

apply szz -6.92e6 range z 299.9，300.1

3.2.1 斷頂前后應(yīng)力圖分布情況

由圖4知，36煤工作面開(kāi)采后，直接底板出現(xiàn)拉應(yīng)力，其余區(qū)域均出現(xiàn)壓應(yīng)力，最大豎向拉應(yīng)力值和壓應(yīng)力值分別達(dá)到55.090MP、50.060MP。煤柱所受最大壓應(yīng)力為51.827MP，相應(yīng)煤柱出現(xiàn)明顯變形。

Fig.5 Broken ceiling stress map

在采空區(qū)距離煤柱側(cè)上方實(shí)施打孔斷頂后煤柱所受應(yīng)力分布如圖5所示，煤柱兩側(cè)最大拉壓應(yīng)力分別為15.457MP和49.077MP煤柱受壓應(yīng)力且最大壓應(yīng)力為15.070MP，

所以，通過(guò)圖4和圖5結(jié)果對(duì)比知，上區(qū)段采空區(qū)頂板是否懸頂對(duì)區(qū)段煤柱的受力狀況影響很大，沒(méi)有懸頂比懸頂區(qū)段煤柱的壓應(yīng)力減少了30MP左右。

4.斷頂方案設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采取了針對(duì)性的斷頂施工措施。斷頂示意圖如圖 6所示：

側(cè)向采空區(qū)巷道側(cè)斷頂（走向斷頂）采用雙孔布置方式，超前工作面60m；沿回風(fēng)巷煤柱一側(cè)頂板，采用雙眼單排垂直煤壁上仰一定角度布置。

參數(shù)：布置方式：超前工作面60m；雙眼單排布置；位置：煤柱側(cè)頂板；組間距：6m；

孔1：孔深：21.7m；孔徑：φ75mm；夾角：與煤層傾向斜向上呈19°，孔底接觸頂板。

孔2：孔深：19.7m；孔徑：φ75mm；夾角：與煤層傾向斜向上呈13°，孔底距頂板3m。

同時(shí)配合工作面超前工作面斷頂（走向斷頂），對(duì)回采工作面的采空區(qū)上隅角懸頂提前進(jìn)行處理，杜絕懸頂現(xiàn)象。

5.結(jié)論

經(jīng)過(guò)采用FLAC3D數(shù)值模擬，驗(yàn)證了事故調(diào)查專(zhuān)家組對(duì)事故原因的推斷。指導(dǎo)礦上采取了相應(yīng)的針對(duì)性的措施。東保衛(wèi)礦自2017年以來(lái)，沒(méi)有發(fā)生大的煤柱破壞性沖擊，礦井實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。也為類(lèi)似條件的礦井治理采空區(qū)懸頂誘發(fā)的沖擊提供了參考。

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