倾斜煤层工作面沿空侧巷道诱冲机理及防治研究

王飞飞

(山西晋煤集团 晋圣坡底煤业, 山西 晋城 048000)

倾斜煤层是在地壳运动的过程中受地质构造影响而形成的。根据相关文献统计可知,目前我国可采煤层储量中约有10.2%为倾斜煤层赋存条件[1]. 倾斜煤层内工作面开采导致的覆岩运移规律、采掘空间周围煤岩体内应力分布情况等与近水平煤层条件下存在较大的差异性,以往的文献研究多集中于某一特定煤层倾角条件下煤层内工作面开采期间的矿压显现分析[2-5],而针对某一采区内不同接续工作面倾角变化条件下的矿压显现特征研究较少。以宝积山煤矿受褶曲构造影响的七采区内不同接续工作面为研究背景,通过现场调研统计、理论分析计算和数值模拟运算的多种方法,综合分析不同倾角条件下工作面开采的诱冲机理,并提出防治措施,以保证煤层的安全开采。

1 工程地质概况

宝积山煤矿井田内煤层受褶曲地质构造影响使煤层倾角存在较大变化。目前正在开采的东翼侧七采区内的1#煤层,此煤层平均厚度为7.8 m,煤层倾角为8°～46°. 七采区内工作面倾向位置关系剖面情况见图1.

图1 七采区内工作面倾向位置关系剖面图

由图1可知,七采区内煤层位于褶曲构造的翼部区,整体呈现出单一的倾斜性。七采区内各个工作面的倾角存在较大变化,在此汇总统计了703与705综放面整个开采期间的强矿压动力显现结果,见图2.

图2 强矿压动力显现统计结果图

根据图2(a)所示,强矿压动力显现主要发生于工作面回采期间,且703综放面整个回采期间发生强矿压动力显现的次数要明显多于705综放面,分别为18次对11次。强矿压动力显现次要发生于工作面掘进期间,且同样703综放面掘进期间发生强矿压动力显现的次数要明显多于705综放面,分别为8次对3次。根据图2(b)所示,强矿压动力显现主要发生于回风平巷内(沿空侧巷道),且703回风平巷内发生强矿压动力显现的次数要明显多于705回风平巷,分别为27次对14次。

综上分析可知,开采期间倾角较小的703综放面(平均倾角17°)较倾角较大的705综放面(平均倾角45°)更易诱发强矿压动力显现事件,且强矿压动力显现事件多集中于工作面回采期间的沿空侧巷道内。

2 煤层倾角对动、静载荷影响分析

基于动静载叠加诱冲机理[6]可知,冲击地压的发生不仅与沿空侧巷道围岩内积聚的高集中静载荷有关,还与工作面回采致使覆岩运移所形成的剧烈动载扰动相关,两者叠加作用导致沿空侧巷道围岩瞬间破坏而诱发冲击地压。

2.1 煤层倾角对动载荷影响分析

沿煤层倾向建立工作面采空区覆岩未破断前的平面应变力学简化模型,见图3.

图3 采空区覆岩未破断前的力学简化模型图

将图3中厚硬关键层视为两端固支的梁结构体,以悬顶段的一端为坐标原点建立xoy坐标系,根据材料力学中相关理论可以推导出厚硬关键层悬顶段任一横截面位置处的弯矩大小,具体表达式如下所示：

(1)

通过式(1)可知,厚硬关键层悬顶段在未发生破断时,分别在悬顶段的两固支端头位置处弯矩值最大,最大弯矩值如下所示：

(2)

此时同样基于材料力学中相关理论可以推导出厚硬关键层悬顶段任一横截面位置处的法向拉应力大小,相关计算公式如下所示：

(3)

联立式(2)和(3)可以推导出不同煤层倾角条件下厚硬关键层悬顶段的临界长度值：

(4)

式中：hk表示厚硬关键层的厚度值,m;σtmax表示厚硬关键层任意横截面内的极限抗拉强度值,MPa;ηk表示相关系数大小。

根据式(4)计算可以得到不同煤层倾角条件下厚硬关键层悬顶段的临界长度变化规律,见图4.

图4 厚硬关键层悬顶段的临界长度变化规律图

由图4可知,当工作面覆岩中厚硬关键层未发生破断前的悬顶段长度值一定,在煤层倾角较小位置处回采工作面时,厚硬关键层悬顶段两固支端头横截面内因承载较大的法向拉应力而极易破断,反之在煤层倾角较大位置处回采工作面时,厚硬关键层悬顶段两固支端头横截面内因承载较小的法向拉应力而不易破断。考虑到厚硬关键层悬顶段破断时将会伴随有弹性应变能的释放,进而形成动载扰动,因此可知在煤层倾角较小位置处开采工作面更易导致覆岩中厚硬关键层瞬间破断失稳而形成剧烈动载扰动。

2.2 煤层倾角对静载荷影响分析

以七采区内工程地质条件为背景,采用Flac3D数值模拟软件建立不同煤层倾角的三维模型,见图5.

图5 不同煤层倾角的三维模型图

基于图5所建立的不同煤层倾角的三维模型中,煤层倾角α分别取值为0°、17°、28°和45°,模型中煤岩层的物理力学参数见表1.

表1 煤岩层物理力学参数表

针对图5所建立的三维模型,最终可以数值模拟得到本工作面沿空侧巷道围岩两帮内的垂向应力分布结果,见图6、7.

图6 沿空侧巷道实体煤侧内垂向应力分布规律图

由图6和图7可知,随着煤层倾角α的递增,沿空侧巷道实体煤侧内垂向应力的集中程度逐渐递减,应力峰值由136.59 MPa减小至43.67 MPa,降幅高达68%,而关于沿空侧巷道煤柱侧内垂向应力的集中程度逐渐递增,应力峰值由57.53 MPa增大至86.18 MPa,增幅高达49.8%.可见,随着煤层倾角的递增,沿空侧巷道围岩两帮内的垂向应力集中程度由实体煤侧逐步转移至煤柱侧,这也导致在动静载叠加作用下不同煤层倾角工作面沿空侧巷道围岩内诱发冲击地压的位置不同。即在煤层倾角较小时,因厚硬关键层悬顶段两固支端头位置处极易发生破断而形成剧烈动载扰动,且沿空侧巷道实体煤侧内垂向应力集中程度较高,进而在动静载叠加作用下实体煤侧内煤体易瞬间破坏失稳而诱发冲击地压,此时冲击显现强度较剧烈;当在煤层倾角较大时,因厚硬关键层悬顶段两固支端头位置处发生破断的难度增加而不易形成剧烈动载扰动,此时沿空侧巷道煤柱侧内垂向应力集中程度较高,考虑到煤柱体宽度较小(12 m左右),其相应的承载能力也较小,因而在高集中静载作用下同样容易瞬间破坏失稳而诱发冲击地压,此时冲击显现强度较弱。

图7 沿空侧巷道煤柱侧内垂向应力分布规律图

对比703综放面和705综放面回采期间沿空侧巷道围岩两帮内的垂向应力数值模拟结果可知,703综放面较705综放面沿空侧巷道围岩实体煤侧内应力集中程度要高8.62 MPa,而煤柱侧内应力集中程度却仅略低2.31 MPa,对比可知静载荷应力集中程度在实体煤侧内存在较高的变化,而在煤柱侧内近乎一致。另外考虑到703综放面回采期间覆岩中厚硬关键层悬顶段极易破断而形成剧烈动载扰动,因此703回风平巷内发生强矿压动力显现的次数要明显多于705回风平巷,这与现场汇总统计结果相吻合,也验证了上述理论分析与数值模拟分析的准确性。

3 沿空侧巷道围岩防冲治理措施

以705综放面回采末期沿空侧巷道为工业性试验段,基于数值模拟结果对应力集中程度较高的煤柱侧采取防冲治理措施。针对705沿空侧巷道煤柱侧可以采用卸压联合非对称性加强支护的方法防治冲击地压的发生,现场具体施工方案见图8.

图8 705沿空侧巷道围岩防冲治理措施图

由图8可知,采用110 mm的大直径钻孔对煤柱帮进行卸压处理,钻孔间隔2.0 m布置,进而实现对于煤柱侧内高集中静载荷的转移和释放。同时考虑到705沿空侧巷道护巷煤柱体的宽度仅为12 m,其自身承载能力有限,因此在对煤柱侧采取卸压措施后及时对其进行非对称性的加强支护,进而提升煤柱侧的整体刚度,使其满足对于705沿空侧巷道围岩稳定性的维护效果。

基于KBD-5型便携式电磁辐射仪器对705沿空侧巷道煤柱侧采取卸压联合非对称性加强支护措施前后的电磁辐射数据进行监测与采集,最终得到的电磁辐射数据对比结果见图9.

图9 电磁辐射数据对比结果图

由图9可知,当对705沿空侧巷道煤柱侧采取卸压联合非对称性加强支护措施前,所监测的电磁辐射数据平均值为50 mV,而在对705沿空侧巷道煤柱侧采取卸压联合非对称性加强支护措施后,所监测的电磁辐射数据平均值为15 mV. 对比可知,电磁辐射数据平均值下降幅度高达70%,因此可以判断该防冲治理措施能够有效改善705沿空侧巷道煤柱侧内的应力环境,从而实现减少705沿空侧巷道诱发冲击地压的目的。

4 结 论

1) 在煤层倾角较小时覆岩中厚硬关键层悬顶段的两固支端头位置处更易在较高的法向拉应力作用下而发生破断,反之在煤层倾角较大时悬顶段的两固支端头位置处则不易发生破断,需要更大的悬顶段长度时才能发生破断。

2) 随着煤层倾角的递增,沿空侧巷道围岩两帮内的垂向应力集中程度由实体煤侧逐步转移至煤柱侧,这也导致在动静载叠加作用下不同煤层倾角工作面沿空侧巷道围岩内诱发冲击地压的位置不同。

3) 对705沿空侧巷道煤柱侧可以采用卸压联合非对称性加强支护的方法防治冲击地压的发生,对比得知采用防治措施后电磁辐射数据平均值降幅高达70%,这表明705沿空侧巷道煤柱侧内的应力环境得到了有效的改善,降低了705沿空侧巷道诱发冲击地压的可能性。