傾斜煤層工作面沿空側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, 山西 晉城 048000)

傾斜煤層是在地殼運動的過程中受地質構造影響而形成的。根據相關文獻統計可知,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]. 傾斜煤層內工作面開采導致的覆巖運移規律、采掘空間周圍煤巖體內應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工作面開采期間的礦壓顯現分析[2-5],而針對某一采區內不同接續工作面傾角變化條件下的礦壓顯現特征研究較少。以寶積山煤礦受褶曲構造影響的七采區內不同接續工作面為研究背景,通過現場調研統計、理論分析計算和數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 工程地質概況

寶積山煤礦井田內煤層受褶曲地質構造影響使煤層傾角存在較大變化。目前正在開采的東翼側七采區內的1#煤層,此煤層平均厚度為7.8 m,煤層傾角為8°～46°. 七采區內工作面傾向位置關系剖面情況見圖1.

圖1 七采區內工作面傾向位置關系剖面圖

由圖1可知,七采區內煤層位于褶曲構造的翼部區,整體呈現出單一的傾斜性。七采區內各個工作面的傾角存在較大變化,在此匯總統計了703與705綜放面整個開采期間的強礦壓動力顯現結果,見圖2.

圖2 強礦壓動力顯現統計結果圖

根據圖2(a)所示,強礦壓動力顯現主要發生于工作面回采期間,且703綜放面整個回采期間發生強礦壓動力顯現的次數要明顯多于705綜放面,分別為18次對11次。強礦壓動力顯現次要發生于工作面掘進期間,且同樣703綜放面掘進期間發生強礦壓動力顯現的次數要明顯多于705綜放面,分別為8次對3次。根據圖2(b)所示,強礦壓動力顯現主要發生于回風平巷內(沿空側巷道),且703回風平巷內發生強礦壓動力顯現的次數要明顯多于705回風平巷,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°)更易誘發強礦壓動力顯現事件,且強礦壓動力顯現事件多集中于工作面回采期間的沿空側巷道內。

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,沖擊地壓的發生不僅與沿空側巷道圍巖內積聚的高集中靜載荷有關,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,兩者疊加作用導致沿空側巷道圍巖瞬間破壞而誘發沖擊地壓。

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覆巖未破斷前的平面應變力學簡化模型,見圖3.

圖3 采空區覆巖未破斷前的力學簡化模型圖

將圖3中厚硬關鍵層視為兩端固支的梁結構體,以懸頂段的一端為坐標原點建立xoy坐標系,根據材料力學中相關理論可以推導出厚硬關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,厚硬關鍵層懸頂段在未發生破斷時,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中相關理論可以推導出厚硬關鍵層懸頂段任一橫截面位置處的法向拉應力大小,相關計算公式如下所示：

(3)

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

(4)

式中：hk表示厚硬關鍵層的厚度值,m;σtmax表示厚硬關鍵層任意橫截面內的極限抗拉強度值,MPa;ηk表示相關系數大小。

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

圖4 厚硬關鍵層懸頂段的臨界長度變化規律圖

由圖4可知,當工作面覆巖中厚硬關鍵層未發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,厚硬關鍵層懸頂段兩固支端頭橫截面內因承載較大的法向拉應力而極易破斷,反之在煤層傾角較大位置處回采工作面時,厚硬關鍵層懸頂段兩固支端頭橫截面內因承載較小的法向拉應力而不易破斷。考慮到厚硬關鍵層懸頂段破斷時將會伴隨有彈性應變能的釋放,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致覆巖中厚硬關鍵層瞬間破斷失穩而形成劇烈動載擾動。

2.2 煤層傾角對靜載荷影響分析

以七采區內工程地質條件為背景,采用Flac3D數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參數見表1.

表1 煤巖層物理力學參數表

針對圖5所建立的三維模型,最終可以數值模擬得到本工作面沿空側巷道圍巖兩幫內的垂向應力分布結果,見圖6、7.

圖6 沿空側巷道實體煤側內垂向應力分布規律圖

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

圖7 沿空側巷道煤柱側內垂向應力分布規律圖

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

3 沿空側巷道圍巖防沖治理措施

以705綜放面回采末期沿空側巷道為工業性試驗段,基于數值模擬結果對應力集中程度較高的煤柱側采取防沖治理措施。針對705沿空側巷道煤柱側可以采用卸壓聯合非對稱性加強支護的方法防治沖擊地壓的發生,現場具體施工方案見圖8.

圖8 705沿空側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,進而實現對于煤柱側內高集中靜載荷的轉移和釋放。同時考慮到705沿空側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,進而提升煤柱側的整體剛度,使其滿足對于705沿空側巷道圍巖穩定性的維護效果。

基于KBD-5型便攜式電磁輻射儀器對705沿空側巷道煤柱側采取卸壓聯合非對稱性加強支護措施前后的電磁輻射數據進行監測與采集,最終得到的電磁輻射數據對比結果見圖9.

圖9 電磁輻射數據對比結果圖

由圖9可知,當對705沿空側巷道煤柱側采取卸壓聯合非對稱性加強支護措施前,所監測的電磁輻射數據平均值為50 mV,而在對705沿空側巷道煤柱側采取卸壓聯合非對稱性加強支護措施后,所監測的電磁輻射數據平均值為15 mV. 對比可知,電磁輻射數據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沿空側巷道煤柱側內的應力環境,從而實現減少705沿空側巷道誘發沖擊地壓的目的。

4 結 論

1) 在煤層傾角較小時覆巖中厚硬關鍵層懸頂段的兩固支端頭位置處更易在較高的法向拉應力作用下而發生破斷,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生破斷,需要更大的懸頂段長度時才能發生破斷。

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

3) 對705沿空側巷道煤柱側可以采用卸壓聯合非對稱性加強支護的方法防治沖擊地壓的發生,對比得知采用防治措施后電磁輻射數據平均值降幅高達70%,這表明705沿空側巷道煤柱側內的應力環境得到了有效的改善,降低了705沿空側巷道誘發沖擊地壓的可能性。