急傾斜堅硬頂板相鄰采空區懸頂誘沖原因分析及治理研究

周脈來

摘要：針對急傾斜堅硬頂板煤層開采后采空區垮落不充分，造成懸頂和相鄰工作面開采引起采動應力疊加，引發區段煤巖結構失穩，大量彈性能惡性釋放導致沖擊地壓事故的問題，結合雙礦集團東保衛煤礦7.22沖擊地壓事故現場地質力學條件，采用數值模擬方法對36煤層工作面懸頂對區段煤柱應力的影響進行分析研究，驗證沖擊地壓事故的直接原因。為下一步采取針對性治理措施提供理論依據。

關鍵詞：堅硬頂板；急傾斜；沖擊地壓；數值模擬

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

龍煤雙鴨山礦業有限責任公司東保衛礦，礦井煤層埋藏深（現開采深為700m），地質構造復雜，煤層傾角大，頂板堅硬，屬于典型的急傾斜堅硬頂板煤層，隨著開采深度的不斷增加，地壓逐漸增大，礦壓顯現更加明顯，給安全生產帶來了嚴重威脅。

東保衛煤礦36煤層，是全礦的主力開采煤層，2016年7月22日，三采區36層-570左面發生沖擊地壓，給生產造成了巨大的損失。經專家推斷，事故直接原因為上一工作面回采后采空區頂板垮落不及時，受-570左工作面采動影響，懸頂垮落對區段煤柱進行破壞引起沖擊地壓事故。為驗證推斷，現利用flac3d進行分析驗證。

1 工程概況

東保衛礦于1983年12月開工興建，1986年6月投產。原設計能力為60萬t/a，2011年核定生產能力為105萬t/a。

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

2. 東保衛7.22事故簡介

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

2016年7月22日17：09，綜一隊回采三采區36層-570左面發生沖擊地壓，事故發生地點為回風巷N5點前23m至N8點前19m（工作面上端頭）間120m范圍內，此段巷道發生底鼓和局部片幫。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。此次事故導致2人死亡，1人受輕傷。

經事故調查組專家組現場調查和查閱資料，通過在附近的工作面鉆孔資料發現采空區懸頂長度在17米左右。認為-570左面的沖擊地壓事故，與該工作面上區段的-500工作面采空區的堅硬頂板沒有及時垮落，懸頂有直接的聯系。

3 FLAC3D數值模擬及分析

3.1三維數值模型的建立

以36煤層工作面為基礎建立flac3d數值模型。模型尺寸長、寬、高分別為400、300和400m，共劃分為299000個單元體，生成網格節點365167個，模型側面限制水平移動并施加隨深度變化的水平壓應力，模型的地面限制水平移動和垂直移動，模型的上部施加與上覆巖層等效的自重應力。研究范圍內的巖層采用摩爾庫倫模型，如圖3所示。

由于事故現場表明，沖擊主要是區段煤柱煤體沖出造成危害，區段煤柱的受力狀況和上區段采空區懸頂有直接聯系。因此，通過數值模擬分析區段煤柱斷頂前后受力狀況

3.2 模擬結果及分析

運用flac3d模擬了煤柱寬度為25m時的煤柱應力分布和煤柱兩側塑性區分布情況，該模型共分為7個組，粗砂巖、黏土巖、泥巖、中砂巖、采空區、巷道和煤柱，并繪制了相關圖形；應力場布置為：

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 斷頂前后應力圖分布情況

由圖4知，36煤工作面開采后，直接底板出現拉應力，其余區域均出現壓應力，最大豎向拉應力值和壓應力值分別達到55.090MP、50.060MP。煤柱所受最大壓應力為51.827MP，相應煤柱出現明顯變形。

Fig.5 Broken ceiling stress map

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

所以，通過圖4和圖5結果對比知，上區段采空區頂板是否懸頂對區段煤柱的受力狀況影響很大，沒有懸頂比懸頂區段煤柱的壓應力減少了30MP左右。

4.斷頂方案設計

根據數值模擬結果，采取了針對性的斷頂施工措施。斷頂示意圖如圖 6所示：

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

參數：布置方式：超前工作面60m；雙眼單排布置；位置：煤柱側頂板；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。

同時配合工作面超前工作面斷頂（走向斷頂），對回采工作面的采空區上隅角懸頂提前進行處理，杜絕懸頂現象。

5.結論

經過采用FLAC3D數值模擬，驗證了事故調查專家組對事故原因的推斷。指導礦上采取了相應的針對性的措施。東保衛礦自2017年以來，沒有發生大的煤柱破壞性沖擊，礦井實現了安全生產。也為類似條件的礦井治理采空區懸頂誘發的沖擊提供了參考。

參考文獻：

[1]張鵬飛.深部煤礦應力分布特征及巷道圍巖控制技術[J].山西：山西辰誠建設工程有限公司，2017

[2]張文勝、耿彥春、來守國.大傾角薄煤層堅硬頂板中深孔斷頂卸壓爆破技術研究[J].黑龍江：七臺河礦業精煤集團公司，2012

[3]于廣明、張建等.含分形斷層面巖體破壞的數值模擬及分析[J].青島：青島建筑工程學院，2002.

[4]張曉春、盧愛紅等.動力擾動導致巷道圍巖層裂結構及沖擊礦壓的數值模擬[J]. 江蘇：東南大學 智能運輸系統工程研究中心，2006

[5]張基偉、王進安.大傾角特厚煤層懸頂結構能量分布特征與防沖方法[J]. 北京：北京科技大學 土木與環境工程學院，2014