急倾斜坚硬顶板相邻采空区悬顶诱冲原因分析及治理研究

周脉来

摘要：针对急倾斜坚硬顶板煤层开采后采空区垮落不充分，造成悬顶和相邻工作面开采引起采动应力叠加，引发区段煤岩结构失稳，大量弹性能恶性释放导致冲击地压事故的问题，结合双矿集团东保卫煤矿7.22冲击地压事故现场地质力学条件，采用数值模拟方法对36煤层工作面悬顶对区段煤柱应力的影响进行分析研究，验证冲击地压事故的直接原因。为下一步采取针对性治理措施提供理论依据。

关键词：坚硬顶板；急倾斜；冲击地压；数值模拟

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

龍煤双鸭山矿业有限责任公司东保卫矿，矿井煤层埋藏深（现开采深为700m），地质构造复杂，煤层倾角大，顶板坚硬，属于典型的急倾斜坚硬顶板煤层，随着开采深度的不断增加，地压逐渐增大，矿压显现更加明显，给安全生产带来了严重威胁。

东保卫煤矿36煤层，是全矿的主力开采煤层，2016年7月22日，三采区36层-570左面发生冲击地压，给生产造成了巨大的损失。经专家推断，事故直接原因为上一工作面回采后采空区顶板垮落不及时，受-570左工作面采动影响，悬顶垮落对区段煤柱进行破坏引起冲击地压事故。为验证推断，现利用flac3d进行分析验证。

1 工程概况

东保卫矿于1983年12月开工兴建，1986年6月投产。原设计能力为60万t/a，2011年核定生产能力为105万t/a。

36、41层煤为全矿井大部分可采的较稳定煤层，其它煤层为局部可采的不稳定煤层。矿井开采方式为双斜井双水平上下山开拓。36煤层为简单结构煤层，煤种牌号为气煤，条带状结构明显，内生裂隙发育，常具阶梯状断口，玻璃光泽、条痕为黑褐色14°～43°，平均角度27°。煤层赋存稳定，煤层厚度：1.75～2.15m，伪顶为灰黑色细砂岩，岩石层理较发育，厚度0.4m；无直接顶；基本顶为粉砂岩，灰黑色、有条带状结构、较破碎的粉砂岩，层理不发育，厚度7m；无伪底；直接顶为中砂岩，基本底为中砂岩，岩石层理比较发育，厚度3.6m。（附图 1煤层柱状图）

2. 东保卫7.22事故简介

东保卫煤矿三采区36煤层-570左翼，为综合机械化采煤工作面。该工作面位于二水平三采区-500下山区左部，北邻-480采空区、空区无积水，南至-570未采区，西临-570右准备面。地表标高为+135.5～+158.2m，井下标高为-550.3～-407.4m。上部为30煤层未采动，距36煤层层间距30m，下部为41煤层，未采动，与36煤层层间距55m。工作面走向长度805m，倾斜长度为165m，平均煤厚为1.72m，倾角23°～45°，由于受煤层坡度变化影响，上区段的-500工作面为梯形的不规则工作面，两工作面之间的区段煤柱宽度为 25米

2016年7月22日17：09，综一队回采三采区36层-570左面发生冲击地压，事故发生地点为回风巷N5点前23m至N8点前19m（工作面上端头）间120m范围内，此段巷道发生底鼓和局部片帮。底鼓高度0.5～1.8m，局部片帮最大宽度0.8m，煤体有0.5～1.2m位移，巷道剩余最小高度0.8m。此次事故导致2人死亡，1人受轻伤。

经事故调查组专家组现场调查和查阅资料，通过在附近的工作面钻孔资料发现采空区悬顶长度在17米左右。认为-570左面的冲击地压事故，与该工作面上区段的-500工作面采空区的坚硬顶板没有及时垮落，悬顶有直接的联系。

3 FLAC3D数值模拟及分析

3.1三维数值模型的建立

以36煤层工作面为基础建立flac3d数值模型。模型尺寸长、宽、高分别为400、300和400m，共划分为299000个单元体，生成网格节点365167个，模型侧面限制水平移动并施加随深度变化的水平压应力，模型的地面限制水平移动和垂直移动，模型的上部施加与上覆岩层等效的自重应力。研究范围内的岩层采用摩尔库伦模型，如图3所示。

由于事故现场表明，冲击主要是区段煤柱煤体冲出造成危害，区段煤柱的受力状况和上区段采空区悬顶有直接联系。因此，通过数值模拟分析区段煤柱断顶前后受力状况

3.2 模拟结果及分析

运用flac3d模拟了煤柱宽度为25m时的煤柱应力分布和煤柱两侧塑性区分布情况，该模型共分为7个组，粗砂岩、黏土岩、泥岩、中砂岩、采空区、巷道和煤柱，并绘制了相关图形；应力场布置为：

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 斷顶前后应力图分布情况

由图4知，36煤工作面开采后，直接底板出现拉应力，其余区域均出现压应力，最大竖向拉应力值和压应力值分别达到55.090MP、50.060MP。煤柱所受最大压应力为51.827MP，相应煤柱出现明显变形。

Fig.5 Broken ceiling stress map

在采空区距离煤柱侧上方实施打孔断顶后煤柱所受应力分布如图5所示，煤柱两侧最大拉压应力分别为15.457MP和49.077MP煤柱受压应力且最大压应力为15.070MP，

所以，通过图4和图5结果对比知，上区段采空区顶板是否悬顶对区段煤柱的受力状况影响很大，没有悬顶比悬顶区段煤柱的压应力减少了30MP左右。

4.断顶方案设计

根据数值模拟结果，采取了针对性的断顶施工措施。断顶示意图如图 6所示：

侧向采空区巷道侧断顶（走向断顶）采用双孔布置方式，超前工作面60m；沿回风巷煤柱一侧顶板，采用双眼单排垂直煤壁上仰一定角度布置。

参数：布置方式：超前工作面60m；双眼单排布置；位置：煤柱侧顶板；组间距：6m；

孔1：孔深：21.7m；孔径：φ75mm；夹角：与煤层倾向斜向上呈19°，孔底接触顶板。

孔2：孔深：19.7m；孔径：φ75mm；夹角：与煤层倾向斜向上呈13°，孔底距顶板3m。

同时配合工作面超前工作面断顶（走向断顶），对回采工作面的采空区上隅角悬顶提前进行处理，杜绝悬顶现象。

5.结论

经过采用FLAC3D数值模拟，验证了事故调查专家组对事故原因的推断。指导矿上采取了相应的针对性的措施。东保卫矿自2017年以来，没有发生大的煤柱破坏性冲击，矿井实现了安全生产。也为类似条件的矿井治理采空区悬顶诱发的冲击提供了参考。

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