傾斜煤層工作面沿空側(cè)巷道誘沖機理及防治研究

王飛飛

(山西晉煤集團 晉圣坡底煤業(yè), 山西 晉城 048000)

傾斜煤層是在地殼運動的過程中受地質(zhì)構(gòu)造影響而形成的。根據(jù)相關(guān)文獻統(tǒng)計可知,目前我國可采煤層儲量中約有10.2%為傾斜煤層賦存條件[1]. 傾斜煤層內(nèi)工作面開采導(dǎo)致的覆巖運移規(guī)律、采掘空間周圍煤巖體內(nèi)應(yīng)力分布情況等與近水平煤層條件下存在較大的差異性,以往的文獻研究多集中于某一特定煤層傾角條件下煤層內(nèi)工作面開采期間的礦壓顯現(xiàn)分析[2-5],而針對某一采區(qū)內(nèi)不同接續(xù)工作面傾角變化條件下的礦壓顯現(xiàn)特征研究較少。以寶積山煤礦受褶曲構(gòu)造影響的七采區(qū)內(nèi)不同接續(xù)工作面為研究背景,通過現(xiàn)場調(diào)研統(tǒng)計、理論分析計算和數(shù)值模擬運算的多種方法,綜合分析不同傾角條件下工作面開采的誘沖機理,并提出防治措施,以保證煤層的安全開采。

1 工程地質(zhì)概況

寶積山煤礦井田內(nèi)煤層受褶曲地質(zhì)構(gòu)造影響使煤層傾角存在較大變化。目前正在開采的東翼側(cè)七采區(qū)內(nèi)的1#煤層,此煤層平均厚度為7.8 m,煤層傾角為8°～46°. 七采區(qū)內(nèi)工作面傾向位置關(guān)系剖面情況見圖1.

圖1 七采區(qū)內(nèi)工作面傾向位置關(guān)系剖面圖

由圖1可知,七采區(qū)內(nèi)煤層位于褶曲構(gòu)造的翼部區(qū),整體呈現(xiàn)出單一的傾斜性。七采區(qū)內(nèi)各個工作面的傾角存在較大變化,在此匯總統(tǒng)計了703與705綜放面整個開采期間的強礦壓動力顯現(xiàn)結(jié)果,見圖2.

圖2 強礦壓動力顯現(xiàn)統(tǒng)計結(jié)果圖

根據(jù)圖2(a)所示,強礦壓動力顯現(xiàn)主要發(fā)生于工作面回采期間,且703綜放面整個回采期間發(fā)生強礦壓動力顯現(xiàn)的次數(shù)要明顯多于705綜放面,分別為18次對11次。強礦壓動力顯現(xiàn)次要發(fā)生于工作面掘進期間,且同樣703綜放面掘進期間發(fā)生強礦壓動力顯現(xiàn)的次數(shù)要明顯多于705綜放面,分別為8次對3次。根據(jù)圖2(b)所示,強礦壓動力顯現(xiàn)主要發(fā)生于回風(fēng)平巷內(nèi)(沿空側(cè)巷道),且703回風(fēng)平巷內(nèi)發(fā)生強礦壓動力顯現(xiàn)的次數(shù)要明顯多于705回風(fēng)平巷,分別為27次對14次。

綜上分析可知,開采期間傾角較小的703綜放面(平均傾角17°)較傾角較大的705綜放面(平均傾角45°)更易誘發(fā)強礦壓動力顯現(xiàn)事件,且強礦壓動力顯現(xiàn)事件多集中于工作面回采期間的沿空側(cè)巷道內(nèi)。

2 煤層傾角對動、靜載荷影響分析

基于動靜載疊加誘沖機理[6]可知,沖擊地壓的發(fā)生不僅與沿空側(cè)巷道圍巖內(nèi)積聚的高集中靜載荷有關(guān),還與工作面回采致使覆巖運移所形成的劇烈動載擾動相關(guān),兩者疊加作用導(dǎo)致沿空側(cè)巷道圍巖瞬間破壞而誘發(fā)沖擊地壓。

2.1 煤層傾角對動載荷影響分析

沿煤層傾向建立工作面采空區(qū)覆巖未破斷前的平面應(yīng)變力學(xué)簡化模型,見圖3.

圖3 采空區(qū)覆巖未破斷前的力學(xué)簡化模型圖

將圖3中厚硬關(guān)鍵層視為兩端固支的梁結(jié)構(gòu)體,以懸頂段的一端為坐標原點建立xoy坐標系,根據(jù)材料力學(xué)中相關(guān)理論可以推導(dǎo)出厚硬關(guān)鍵層懸頂段任一橫截面位置處的彎矩大小,具體表達式如下所示：

(1)

通過式(1)可知,厚硬關(guān)鍵層懸頂段在未發(fā)生破斷時,分別在懸頂段的兩固支端頭位置處彎矩值最大,最大彎矩值如下所示：

(2)

此時同樣基于材料力學(xué)中相關(guān)理論可以推導(dǎo)出厚硬關(guān)鍵層懸頂段任一橫截面位置處的法向拉應(yīng)力大小,相關(guān)計算公式如下所示：

(3)

聯(lián)立式(2)和(3)可以推導(dǎo)出不同煤層傾角條件下厚硬關(guān)鍵層懸頂段的臨界長度值：

(4)

式中：hk表示厚硬關(guān)鍵層的厚度值,m;σtmax表示厚硬關(guān)鍵層任意橫截面內(nèi)的極限抗拉強度值,MPa;ηk表示相關(guān)系數(shù)大小。

根據(jù)式(4)計算可以得到不同煤層傾角條件下厚硬關(guān)鍵層懸頂段的臨界長度變化規(guī)律,見圖4.

圖4 厚硬關(guān)鍵層懸頂段的臨界長度變化規(guī)律圖

由圖4可知,當工作面覆巖中厚硬關(guān)鍵層未發(fā)生破斷前的懸頂段長度值一定,在煤層傾角較小位置處回采工作面時,厚硬關(guān)鍵層懸頂段兩固支端頭橫截面內(nèi)因承載較大的法向拉應(yīng)力而極易破斷,反之在煤層傾角較大位置處回采工作面時,厚硬關(guān)鍵層懸頂段兩固支端頭橫截面內(nèi)因承載較小的法向拉應(yīng)力而不易破斷?？紤]到厚硬關(guān)鍵層懸頂段破斷時將會伴隨有彈性應(yīng)變能的釋放,進而形成動載擾動,因此可知在煤層傾角較小位置處開采工作面更易導(dǎo)致覆巖中厚硬關(guān)鍵層瞬間破斷失穩(wěn)而形成劇烈動載擾動。

2.2 煤層傾角對靜載荷影響分析

以七采區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件為背景,采用Flac3D數(shù)值模擬軟件建立不同煤層傾角的三維模型,見圖5.

圖5 不同煤層傾角的三維模型圖

基于圖5所建立的不同煤層傾角的三維模型中,煤層傾角α分別取值為0°、17°、28°和45°,模型中煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)表

針對圖5所建立的三維模型,最終可以數(shù)值模擬得到本工作面沿空側(cè)巷道圍巖兩幫內(nèi)的垂向應(yīng)力分布結(jié)果,見圖6、7.

圖6 沿空側(cè)巷道實體煤側(cè)內(nèi)垂向應(yīng)力分布規(guī)律圖

由圖6和圖7可知,隨著煤層傾角α的遞增,沿空側(cè)巷道實體煤側(cè)內(nèi)垂向應(yīng)力的集中程度逐漸遞減,應(yīng)力峰值由136.59 MPa減小至43.67 MPa,降幅高達68%,而關(guān)于沿空側(cè)巷道煤柱側(cè)內(nèi)垂向應(yīng)力的集中程度逐漸遞增,應(yīng)力峰值由57.53 MPa增大至86.18 MPa,增幅高達49.8%.可見,隨著煤層傾角的遞增,沿空側(cè)巷道圍巖兩幫內(nèi)的垂向應(yīng)力集中程度由實體煤側(cè)逐步轉(zhuǎn)移至煤柱側(cè),這也導(dǎo)致在動靜載疊加作用下不同煤層傾角工作面沿空側(cè)巷道圍巖內(nèi)誘發(fā)沖擊地壓的位置不同。即在煤層傾角較小時,因厚硬關(guān)鍵層懸頂段兩固支端頭位置處極易發(fā)生破斷而形成劇烈動載擾動,且沿空側(cè)巷道實體煤側(cè)內(nèi)垂向應(yīng)力集中程度較高,進而在動靜載疊加作用下實體煤側(cè)內(nèi)煤體易瞬間破壞失穩(wěn)而誘發(fā)沖擊地壓,此時沖擊顯現(xiàn)強度較劇烈;當在煤層傾角較大時,因厚硬關(guān)鍵層懸頂段兩固支端頭位置處發(fā)生破斷的難度增加而不易形成劇烈動載擾動,此時沿空側(cè)巷道煤柱側(cè)內(nèi)垂向應(yīng)力集中程度較高,考慮到煤柱體寬度較小(12 m左右),其相應(yīng)的承載能力也較小,因而在高集中靜載作用下同樣容易瞬間破壞失穩(wěn)而誘發(fā)沖擊地壓,此時沖擊顯現(xiàn)強度較弱。

圖7 沿空側(cè)巷道煤柱側(cè)內(nèi)垂向應(yīng)力分布規(guī)律圖

對比703綜放面和705綜放面回采期間沿空側(cè)巷道圍巖兩幫內(nèi)的垂向應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果可知,703綜放面較705綜放面沿空側(cè)巷道圍巖實體煤側(cè)內(nèi)應(yīng)力集中程度要高8.62 MPa,而煤柱側(cè)內(nèi)應(yīng)力集中程度卻僅略低2.31 MPa,對比可知靜載荷應(yīng)力集中程度在實體煤側(cè)內(nèi)存在較高的變化,而在煤柱側(cè)內(nèi)近乎一致。另外考慮到703綜放面回采期間覆巖中厚硬關(guān)鍵層懸頂段極易破斷而形成劇烈動載擾動,因此703回風(fēng)平巷內(nèi)發(fā)生強礦壓動力顯現(xiàn)的次數(shù)要明顯多于705回風(fēng)平巷,這與現(xiàn)場匯總統(tǒng)計結(jié)果相吻合,也驗證了上述理論分析與數(shù)值模擬分析的準確性。

3 沿空側(cè)巷道圍巖防沖治理措施

以705綜放面回采末期沿空側(cè)巷道為工業(yè)性試驗段,基于數(shù)值模擬結(jié)果對應(yīng)力集中程度較高的煤柱側(cè)采取防沖治理措施。針對705沿空側(cè)巷道煤柱側(cè)可以采用卸壓聯(lián)合非對稱性加強支護的方法防治沖擊地壓的發(fā)生,現(xiàn)場具體施工方案見圖8.

圖8 705沿空側(cè)巷道圍巖防沖治理措施圖

由圖8可知,采用110 mm的大直徑鉆孔對煤柱幫進行卸壓處理,鉆孔間隔2.0 m布置,進而實現(xiàn)對于煤柱側(cè)內(nèi)高集中靜載荷的轉(zhuǎn)移和釋放。同時考慮到705沿空側(cè)巷道護巷煤柱體的寬度僅為12 m,其自身承載能力有限,因此在對煤柱側(cè)采取卸壓措施后及時對其進行非對稱性的加強支護,進而提升煤柱側(cè)的整體剛度,使其滿足對于705沿空側(cè)巷道圍巖穩(wěn)定性的維護效果。

基于KBD-5型便攜式電磁輻射儀器對705沿空側(cè)巷道煤柱側(cè)采取卸壓聯(lián)合非對稱性加強支護措施前后的電磁輻射數(shù)據(jù)進行監(jiān)測與采集,最終得到的電磁輻射數(shù)據(jù)對比結(jié)果見圖9.

圖9 電磁輻射數(shù)據(jù)對比結(jié)果圖

由圖9可知,當對705沿空側(cè)巷道煤柱側(cè)采取卸壓聯(lián)合非對稱性加強支護措施前,所監(jiān)測的電磁輻射數(shù)據(jù)平均值為50 mV,而在對705沿空側(cè)巷道煤柱側(cè)采取卸壓聯(lián)合非對稱性加強支護措施后,所監(jiān)測的電磁輻射數(shù)據(jù)平均值為15 mV. 對比可知,電磁輻射數(shù)據(jù)平均值下降幅度高達70%,因此可以判斷該防沖治理措施能夠有效改善705沿空側(cè)巷道煤柱側(cè)內(nèi)的應(yīng)力環(huán)境,從而實現(xiàn)減少705沿空側(cè)巷道誘發(fā)沖擊地壓的目的。

4 結(jié) 論

1) 在煤層傾角較小時覆巖中厚硬關(guān)鍵層懸頂段的兩固支端頭位置處更易在較高的法向拉應(yīng)力作用下而發(fā)生破斷,反之在煤層傾角較大時懸頂段的兩固支端頭位置處則不易發(fā)生破斷,需要更大的懸頂段長度時才能發(fā)生破斷。

2) 隨著煤層傾角的遞增,沿空側(cè)巷道圍巖兩幫內(nèi)的垂向應(yīng)力集中程度由實體煤側(cè)逐步轉(zhuǎn)移至煤柱側(cè),這也導(dǎo)致在動靜載疊加作用下不同煤層傾角工作面沿空側(cè)巷道圍巖內(nèi)誘發(fā)沖擊地壓的位置不同。

3) 對705沿空側(cè)巷道煤柱側(cè)可以采用卸壓聯(lián)合非對稱性加強支護的方法防治沖擊地壓的發(fā)生,對比得知采用防治措施后電磁輻射數(shù)據(jù)平均值降幅高達70%,這表明705沿空側(cè)巷道煤柱側(cè)內(nèi)的應(yīng)力環(huán)境得到了有效的改善,降低了705沿空側(cè)巷道誘發(fā)沖擊地壓的可能性。