深井大采高綜采工作面?zhèn)认虿蓜討鎏卣餮芯?/h1>
2020-12-31 04:02:42李正杰
礦業(yè)安全與環(huán)保 2020年6期
李正杰
(1.中煤科工集團開采研究院有限公司，北京 100013； 2.煤炭科學研究總院，北京 100013)
近年來，我國西部鄂爾多斯深部礦區(qū)大采高綜采技術(shù)的應用逐漸增多[1-6]，如新街、呼吉爾特、納林希里、納林河、上海廟等礦區(qū)，以及紅慶河、石拉烏素、營盤壕、門克慶、葫蘆素、巴彥高勒、母杜柴登、蒙大和納林河二號井等礦井，這些礦井主采煤層埋深一般為600～700 m，開采高度多數(shù)在4.5～6.0 m內(nèi)。大采高綜采技術(shù)在西部深井中已成為實現(xiàn)高產(chǎn)高效的主要開采方式，但由于煤層埋深較大，一次開采厚度大，且上覆多為弱膠結(jié)巨厚巖層，加之深部開采典型的高地壓、高巖溶水、高地溫等開采環(huán)境[7-12]，在實際回采過程中，大采高綜采工作面普遍表現(xiàn)出了強礦壓、巷道大變形，甚至一些礦井大采高工作面頻發(fā)沖擊地壓災害[13-15]等現(xiàn)象，嚴重制約了礦井的安全生產(chǎn)。以新街礦區(qū)某礦為例，在 6 m 大采高工作面區(qū)段煤柱留設30 m時，沿空巷道發(fā)生了嚴重的沖擊地壓災害；將區(qū)段煤柱加大至65 m(含 1條中間巷道寬度5 m)后，沿空巷道沖擊地壓仍頻繁發(fā)生，其中，3次發(fā)生在沿空巷道超前300 m范圍以內(nèi)，1次發(fā)生在超前540 m以遠。造成沖擊災害的原因是該工作面開采擾動和相鄰采空區(qū)上位頂板活動疊加引起的集中應力突然釋放，深井大采高工作面頂板活動在側(cè)向方向上影響距離大，與普通埋深和淺埋深大采高采場具有顯著差異性[16-20]。上述災害現(xiàn)象在該地區(qū)具有普遍性和代表性，其中科學的解決方法是加大煤柱尺寸或小煤柱沿空掘巷，而實施的前提條件是必須掌握側(cè)向應力場特征。筆者以西部紅慶河煤礦為研究背景，實測分析深井大采高綜采工作面?zhèn)认虿蓜討鎏卣鳎瑸槲鞑可罹蟛筛卟蓤霭踩夭商峁┲笇c實踐參考。
1 工作面開采條件
紅慶河煤礦隸屬于鄂爾多斯新街礦區(qū)，開采侏羅系中下統(tǒng)延安組3-1煤層，煤層埋深583.6～861.9 m，平均埋深718.6 m，煤層可采厚度平均6.14 m，煤層傾角1°～3°。3-1煤層瓦斯含量低，自燃傾向性為Ⅰ級，煤塵具有爆炸危險性。3-1煤層單軸抗壓強度23.9～29.3 MPa，平均26.7 MPa；直接頂砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強度平均24.7 MPa，基本頂中粒砂巖單軸抗壓強度平均21.9 MPa。
3-1402大采高綜采工作面為北翼第2個回采工作面，工作面寬度241 m，煤層平均厚度6.3 m，工作面煤巖層綜合柱狀圖如圖1所示。采用“兩進一回”巷道布置方式，共3條巷道，分別為3-1402回風巷、3-1402膠運巷和3-1403輔運巷，3-1403工作面為其接續(xù)工作面，區(qū)段煤柱凈寬40 m。中部支架為ZY15000/33/67D型兩柱掩護式液壓支架，支護強度為1.56 MPa，支架中心距為1.75 m；膠運巷選用 2組 ZT16000/29/50型液壓支架進行超前支護，支護長度約20 m；乳化液泵選用BRW400-37.5(40)B型，共4臺，額定壓力37.5 MPa。
2 大采高工作面?zhèn)认虿蓜討鎏卣鲗崪y
2.1 設備布置方案
利用402膠運巷與403輔運巷之間里程1 728 m的聯(lián)絡巷及403工作面斜巷，通過布置20組鉆孔應力計，實現(xiàn)對402大采高綜采工作面?zhèn)认虿蓜討龅谋O(jiān)測。監(jiān)測儀器布置方案如圖2所示，在里程1 728 m聯(lián)絡巷內(nèi)布置9組，距離402綜采工作面分別為5、7、9、11、16、21、26、31、36 m；在403工作面斜巷內(nèi)布置11組，距離402綜采工作面分別為60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、115 m，鉆孔均垂直于煤壁布置，孔深14 m。
圖1 煤巖層綜合柱狀圖
圖2 設備布置方案示意圖
2.2 側(cè)向采動應力特征
工作面推過各測點的全過程中，不同側(cè)向距離的應力計變化曲線如圖3所示。側(cè)向應力與工作面相對位置關(guān)系表現(xiàn)出了顯著的規(guī)律性，即：側(cè)向距離小時，鉆孔應力經(jīng)歷“初始應力區(qū)—應力增高區(qū)—應力降低區(qū)”的“三區(qū)”演化特征；側(cè)向距離加大，鉆孔應力過渡為“初始應力區(qū)—應力增高區(qū)”的“兩區(qū)”演化特征，無應力降低區(qū)；側(cè)向距離足夠大時，鉆孔應力呈現(xiàn)為“初始應力區(qū)”的“一區(qū)”演化特征，既缺少明顯的應力增高區(qū)，又缺少應力降低區(qū)。針對紅慶河煤礦 6 m 大采高綜采工作面，此3種情形對應的側(cè)向距離范圍分別為0～16 m、16～95 m和95 m以遠。
(a)工作面向外5～36 m
側(cè)向采動應力集中系數(shù)與側(cè)向距離的對應關(guān)系如圖4所示，不同側(cè)向距離對應的試驗數(shù)據(jù)擬合參數(shù)見表1。側(cè)向距離0～16 m范圍應力集中系數(shù)大，最大達6.15，峰后應力普遍突降至0.5～2.2 MPa，該范圍煤體發(fā)生塑性破壞，屬于塑性區(qū)范疇；側(cè)向距離16～95 m范圍應力集中系數(shù)較大，一般為1.07～2.69，峰后無應力降低，該范圍煤體非塑性破壞，屬于彈性區(qū)范疇；側(cè)向距離大于95 m范圍應力集中系數(shù)小，在1.00上下小幅波動，該區(qū)域同樣屬于彈性區(qū)。
圖4 側(cè)向采動應力集中系數(shù)與側(cè)向距離的對應關(guān)系
表1 試驗數(shù)據(jù)擬合參數(shù)
3 側(cè)向采動應力場驗證
通過紅慶河煤礦井下微震監(jiān)測系統(tǒng)及地面ARP聯(lián)合監(jiān)測，揭示微震事件的分布及分區(qū)特征，從而間接驗證側(cè)向采動應力場的準確性。將402綜采工作面8個月回采期內(nèi)3次方級以上微震事件投影在采區(qū)采掘工程平面圖上，如圖5所示。
圖5 402綜采工作面3次方級以上微震事件平面投影圖
由圖5可以看出，在402綜采工作面回采過程中，402～403區(qū)段煤柱及403綜采工作面內(nèi)發(fā)生5次方級以上的微震事件(圖5中紅色圓點)共4次，最大側(cè)向影響范圍約90 m，主要集中在50 m以內(nèi)；發(fā)生 4次方級以上的微震事件(圖5中藍色圓點)共 16次，最大側(cè)向影響范圍約130 m，主要集中在90 m以內(nèi)；發(fā)生3次方級以上的微震事件(圖5中黃色圓點)較多，側(cè)向影響范圍主要集中在130 m以內(nèi)。
沿傾向?qū)?01采空區(qū)、402綜采工作面和403綜采工作面進行分區(qū)，共劃分了12個區(qū)域(區(qū)間寬度不全相等)，如圖6所示，其中，區(qū)域10為402、403綜采工作面區(qū)段煤柱區(qū)域，區(qū)域11、區(qū)域12為403綜采工作面區(qū)域，區(qū)間寬度40 m。
圖6 傾向分區(qū)劃分
不同區(qū)域微震事件能量和頻次變化特征如圖7所示，402綜采工作面回采對403綜采工作面影響范圍主要集中在區(qū)域10和區(qū)域11(側(cè)向80 m范圍)，區(qū)域12(側(cè)向80～120 m范圍)微震事件能量及頻次顯著降低，表明80 m以遠圍巖活動嚴重衰減。
圖7 傾向分區(qū)微震事件變化特征
從4次方級以上大能量微震事件發(fā)生的平面位置及微震事件分區(qū)特征分析，與上述鉆孔應力計測試的分區(qū)結(jié)果基本吻合，證明了所得到的結(jié)論可信。
4 結(jié)論
1)紅慶河煤礦6 m大采高綜采工作面?zhèn)认蚍较蛏?，從采動應力與工作面相對位置關(guān)系依次呈現(xiàn)出“三區(qū)”“兩區(qū)”“一區(qū)”演化特征，臨界側(cè)向距離分別為16 m和95 m，16 m以內(nèi)為塑性區(qū)，16 m以外屬于彈性區(qū)。
2)402綜采工作面4次方級以上大能量微震事件發(fā)生平面位置主要集中在側(cè)向距離90 m以內(nèi)，側(cè)向距離80～120 m范圍微震事件能量及頻次顯著降低，與實測的側(cè)向應力場特征基本吻合。
3)根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析，西部深井大采高工作面需要采用寬度至少90～95 m的超大區(qū)段煤柱，以實現(xiàn)相鄰工作面的有效防沖，但煤炭資源損失較大，因此，從經(jīng)濟性和安全性方面考慮，宜采用小煤柱沿空掘巷。
猜你喜歡
淺談KJ768煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)的應用新疆鋼鐵(2021年1期)2021-10-14 08:45:48 長平煤業(yè)5302 綜放工作面頂板巖層移動規(guī)律研究魅力中國(2020年46期)2020-02-02 11:50:08 采動影響下淺埋輸氣管道與土體耦合作用機理西南石油大學學報(自然科學版)(2018年6期)2018-12-26 01:00:16 手表+手鏈+戒指 N次方組合Coco薇(2016年7期)2016-06-28 02:09:09 基于隸屬度分析的回采面沖擊地壓微震能量閾值判定中國煤炭(2016年1期)2016-05-17 06:11:34 深部采動巷道頂板穩(wěn)定性分析與控制煤炭學報(2015年10期)2015-12-21 01:55:24 一組計算題的啟示作文·初中版(2015年10期)2015-10-26 16:37:53 采動巖體滲流力學研究進展西南石油大學學報(自然科學版)(2015年3期)2015-04-16 05:12:08 采動超前支撐壓力下近距離巷道群支護研究河南科技(2014年12期)2014-02-27 14:10:24 巨有趣的看數(shù)字猜成語文苑·感悟(2013年9期)2013-04-29 13:03:31
李正杰
(1.中煤科工集團開采研究院有限公司，北京 100013； 2.煤炭科學研究總院，北京 100013)
近年來，我國西部鄂爾多斯深部礦區(qū)大采高綜采技術(shù)的應用逐漸增多[1-6]，如新街、呼吉爾特、納林希里、納林河、上海廟等礦區(qū)，以及紅慶河、石拉烏素、營盤壕、門克慶、葫蘆素、巴彥高勒、母杜柴登、蒙大和納林河二號井等礦井，這些礦井主采煤層埋深一般為600～700 m，開采高度多數(shù)在4.5～6.0 m內(nèi)。大采高綜采技術(shù)在西部深井中已成為實現(xiàn)高產(chǎn)高效的主要開采方式，但由于煤層埋深較大，一次開采厚度大，且上覆多為弱膠結(jié)巨厚巖層，加之深部開采典型的高地壓、高巖溶水、高地溫等開采環(huán)境[7-12]，在實際回采過程中，大采高綜采工作面普遍表現(xiàn)出了強礦壓、巷道大變形，甚至一些礦井大采高工作面頻發(fā)沖擊地壓災害[13-15]等現(xiàn)象，嚴重制約了礦井的安全生產(chǎn)。以新街礦區(qū)某礦為例，在 6 m 大采高工作面區(qū)段煤柱留設30 m時，沿空巷道發(fā)生了嚴重的沖擊地壓災害；將區(qū)段煤柱加大至65 m(含 1條中間巷道寬度5 m)后，沿空巷道沖擊地壓仍頻繁發(fā)生，其中，3次發(fā)生在沿空巷道超前300 m范圍以內(nèi)，1次發(fā)生在超前540 m以遠。造成沖擊災害的原因是該工作面開采擾動和相鄰采空區(qū)上位頂板活動疊加引起的集中應力突然釋放，深井大采高工作面頂板活動在側(cè)向方向上影響距離大，與普通埋深和淺埋深大采高采場具有顯著差異性[16-20]。上述災害現(xiàn)象在該地區(qū)具有普遍性和代表性，其中科學的解決方法是加大煤柱尺寸或小煤柱沿空掘巷，而實施的前提條件是必須掌握側(cè)向應力場特征。筆者以西部紅慶河煤礦為研究背景，實測分析深井大采高綜采工作面?zhèn)认虿蓜討鎏卣鳎瑸槲鞑可罹蟛筛卟蓤霭踩夭商峁┲笇c實踐參考。
1 工作面開采條件
紅慶河煤礦隸屬于鄂爾多斯新街礦區(qū)，開采侏羅系中下統(tǒng)延安組3-1煤層，煤層埋深583.6～861.9 m，平均埋深718.6 m，煤層可采厚度平均6.14 m，煤層傾角1°～3°。3-1煤層瓦斯含量低，自燃傾向性為Ⅰ級，煤塵具有爆炸危險性。3-1煤層單軸抗壓強度23.9～29.3 MPa，平均26.7 MPa；直接頂砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強度平均24.7 MPa，基本頂中粒砂巖單軸抗壓強度平均21.9 MPa。
3-1402大采高綜采工作面為北翼第2個回采工作面，工作面寬度241 m，煤層平均厚度6.3 m，工作面煤巖層綜合柱狀圖如圖1所示。采用“兩進一回”巷道布置方式，共3條巷道，分別為3-1402回風巷、3-1402膠運巷和3-1403輔運巷，3-1403工作面為其接續(xù)工作面，區(qū)段煤柱凈寬40 m。中部支架為ZY15000/33/67D型兩柱掩護式液壓支架，支護強度為1.56 MPa，支架中心距為1.75 m；膠運巷選用 2組 ZT16000/29/50型液壓支架進行超前支護，支護長度約20 m；乳化液泵選用BRW400-37.5(40)B型，共4臺，額定壓力37.5 MPa。
2 大采高工作面?zhèn)认虿蓜討鎏卣鲗崪y
2.1 設備布置方案
利用402膠運巷與403輔運巷之間里程1 728 m的聯(lián)絡巷及403工作面斜巷，通過布置20組鉆孔應力計，實現(xiàn)對402大采高綜采工作面?zhèn)认虿蓜討龅谋O(jiān)測。監(jiān)測儀器布置方案如圖2所示，在里程1 728 m聯(lián)絡巷內(nèi)布置9組，距離402綜采工作面分別為5、7、9、11、16、21、26、31、36 m；在403工作面斜巷內(nèi)布置11組，距離402綜采工作面分別為60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、115 m，鉆孔均垂直于煤壁布置，孔深14 m。
圖1 煤巖層綜合柱狀圖
圖2 設備布置方案示意圖
2.2 側(cè)向采動應力特征
工作面推過各測點的全過程中，不同側(cè)向距離的應力計變化曲線如圖3所示。側(cè)向應力與工作面相對位置關(guān)系表現(xiàn)出了顯著的規(guī)律性，即：側(cè)向距離小時，鉆孔應力經(jīng)歷“初始應力區(qū)—應力增高區(qū)—應力降低區(qū)”的“三區(qū)”演化特征；側(cè)向距離加大，鉆孔應力過渡為“初始應力區(qū)—應力增高區(qū)”的“兩區(qū)”演化特征，無應力降低區(qū)；側(cè)向距離足夠大時，鉆孔應力呈現(xiàn)為“初始應力區(qū)”的“一區(qū)”演化特征，既缺少明顯的應力增高區(qū)，又缺少應力降低區(qū)。針對紅慶河煤礦 6 m 大采高綜采工作面，此3種情形對應的側(cè)向距離范圍分別為0～16 m、16～95 m和95 m以遠。
(a)工作面向外5～36 m
側(cè)向采動應力集中系數(shù)與側(cè)向距離的對應關(guān)系如圖4所示，不同側(cè)向距離對應的試驗數(shù)據(jù)擬合參數(shù)見表1。側(cè)向距離0～16 m范圍應力集中系數(shù)大，最大達6.15，峰后應力普遍突降至0.5～2.2 MPa，該范圍煤體發(fā)生塑性破壞，屬于塑性區(qū)范疇；側(cè)向距離16～95 m范圍應力集中系數(shù)較大，一般為1.07～2.69，峰后無應力降低，該范圍煤體非塑性破壞，屬于彈性區(qū)范疇；側(cè)向距離大于95 m范圍應力集中系數(shù)小，在1.00上下小幅波動，該區(qū)域同樣屬于彈性區(qū)。
圖4 側(cè)向采動應力集中系數(shù)與側(cè)向距離的對應關(guān)系
表1 試驗數(shù)據(jù)擬合參數(shù)
3 側(cè)向采動應力場驗證
通過紅慶河煤礦井下微震監(jiān)測系統(tǒng)及地面ARP聯(lián)合監(jiān)測，揭示微震事件的分布及分區(qū)特征，從而間接驗證側(cè)向采動應力場的準確性。將402綜采工作面8個月回采期內(nèi)3次方級以上微震事件投影在采區(qū)采掘工程平面圖上，如圖5所示。
圖5 402綜采工作面3次方級以上微震事件平面投影圖
由圖5可以看出，在402綜采工作面回采過程中，402～403區(qū)段煤柱及403綜采工作面內(nèi)發(fā)生5次方級以上的微震事件(圖5中紅色圓點)共4次，最大側(cè)向影響范圍約90 m，主要集中在50 m以內(nèi)；發(fā)生 4次方級以上的微震事件(圖5中藍色圓點)共 16次，最大側(cè)向影響范圍約130 m，主要集中在90 m以內(nèi)；發(fā)生3次方級以上的微震事件(圖5中黃色圓點)較多，側(cè)向影響范圍主要集中在130 m以內(nèi)。
沿傾向?qū)?01采空區(qū)、402綜采工作面和403綜采工作面進行分區(qū)，共劃分了12個區(qū)域(區(qū)間寬度不全相等)，如圖6所示，其中，區(qū)域10為402、403綜采工作面區(qū)段煤柱區(qū)域，區(qū)域11、區(qū)域12為403綜采工作面區(qū)域，區(qū)間寬度40 m。
圖6 傾向分區(qū)劃分
不同區(qū)域微震事件能量和頻次變化特征如圖7所示，402綜采工作面回采對403綜采工作面影響范圍主要集中在區(qū)域10和區(qū)域11(側(cè)向80 m范圍)，區(qū)域12(側(cè)向80～120 m范圍)微震事件能量及頻次顯著降低，表明80 m以遠圍巖活動嚴重衰減。
圖7 傾向分區(qū)微震事件變化特征
從4次方級以上大能量微震事件發(fā)生的平面位置及微震事件分區(qū)特征分析，與上述鉆孔應力計測試的分區(qū)結(jié)果基本吻合，證明了所得到的結(jié)論可信。
4 結(jié)論
1)紅慶河煤礦6 m大采高綜采工作面?zhèn)认蚍较蛏?，從采動應力與工作面相對位置關(guān)系依次呈現(xiàn)出“三區(qū)”“兩區(qū)”“一區(qū)”演化特征，臨界側(cè)向距離分別為16 m和95 m，16 m以內(nèi)為塑性區(qū)，16 m以外屬于彈性區(qū)。
2)402綜采工作面4次方級以上大能量微震事件發(fā)生平面位置主要集中在側(cè)向距離90 m以內(nèi)，側(cè)向距離80～120 m范圍微震事件能量及頻次顯著降低，與實測的側(cè)向應力場特征基本吻合。
3)根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析，西部深井大采高工作面需要采用寬度至少90～95 m的超大區(qū)段煤柱，以實現(xiàn)相鄰工作面的有效防沖，但煤炭資源損失較大，因此，從經(jīng)濟性和安全性方面考慮，宜采用小煤柱沿空掘巷。
猜你喜歡
新疆鋼鐵(2021年1期)2021-10-14 08:45:48
魅力中國(2020年46期)2020-02-02 11:50:08
西南石油大學學報(自然科學版)(2018年6期)2018-12-26 01:00:16
Coco薇(2016年7期)2016-06-28 02:09:09
中國煤炭(2016年1期)2016-05-17 06:11:34
煤炭學報(2015年10期)2015-12-21 01:55:24
作文·初中版(2015年10期)2015-10-26 16:37:53
西南石油大學學報(自然科學版)(2015年3期)2015-04-16 05:12:08
河南科技(2014年12期)2014-02-27 14:10:24
文苑·感悟(2013年9期)2013-04-29 13:03:31
