深部采场整体失稳风险分析_程刚.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 0引言 随着浅部资源的枯竭，煤炭开采深度逐年增加， 在深井高应力影响下巷道围岩所处应力状态恶化导 致动力灾害增多[1-2]， 如冲击矿压事故， 该类事故不仅 能造成井巷破坏、 人员伤亡、 地面建筑物破坏， 而且极 有可能引起瓦斯、 火灾、 突水等伴生灾害[3-4]， 严重影 响着煤矿的安全、 高效开采。 在煤矿采场结构中， 煤柱或者窄面由于受相邻采 空区支承应力影响， 容易出现煤柱或面内高应力集中 现象， 严重时会引发煤柱失稳或窄面整体冲击[5-6]。阳 城煤矿 3305 工作面是该矿目前回采的面宽最窄的工 作面， 最大埋深约 1060m， 属于典型的深部窄面采场， 本文基于理论计算和现场实测方法对工作面整体失 稳冲击危险性进行分析研究， 最终探求深部窄面稳定 性分析方法。 1工作面概况 3305 工作面主要开采 3 煤层， 地表标高 38.5～ 39.6，井下巷道标高 - 820～- 1020，最大埋深约 1060m，工作面倾斜宽 80m（平距 ） ，井下实际长度 93m， 现阶段 3305 工作面已完成掘进贯通， 近期要回 采。 掘进期间两顺槽已完成卸压孔施工， 整体情况为 轨道顺槽施工卸压孔深 20m， 孔径 150mm， 沿煤层倾 斜方向， 组间距不大于 1.5m， 皮带顺槽两帮施工卸压 孔， 回采帮孔深 20m， 孔径 150mm， 间距不大于 1m； 非回采帮施工卸压孔 8m与 20m间隔施工， 整体间距 不大于 1m。DF53 断层走向倾角为 50， 倾向倾角为 320，倾角为 70，断层落差 035m 的正断层， 3305 工作面基本情况如图 1 所示。 图 13305 工作面平面示意图 2整体失稳极限面宽理论分析 2.1理论计算模型的建立 在不考虑断层影响下， 煤柱受到采动影响后保持 深部采场整体失稳风险分析 程 刚 1， 沈建波2， 詹召伟1 （1. 山东济宁运河煤矿有限责任公司 ， 山东 济宁 ，2725001； 2. 山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿 ， 山东 济宁 ，272155 ） 摘要 针对深部高地应力条件下较窄宽度的采场存在整体失稳风险的问题， 根据采场特点， 基于理 论计算和现场监测方法， 采用极限平衡理论、 微震监测、 CT 反演监测等技术， 对采场宽度及应力分布 规律进行了研究。研究发现， 在不考虑断层影响的情况下， 阳城煤矿 3305 工作面宽度满足要求， 现场 监测结果表明面内应力环境相对安全。 关键词 深部开采 ； 极限面宽 ； CT 探测 ； 微震监测 中图分类号 TD313文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0071-03 Risk Analysis of Overall Instability in Deep Stope CHENG Gang1， SHEN Jianbo2， ZHAN Zhaowei1 （1. Shandong Jining Yunhe Coal Mine Co., Ltd. , Shandong 2725001 ， China ； 2. Yangcheng Coal Mine of Shandong Jining Mining Luneng Coal Electricity co., LTD , Jining 272155 , China ） Abstract In view of the overall instability risk of stope with narrow width under high in-situ stress in depth, according to stope character- istics, based on theoretical calculation and field monitoring, various techniques are used to study the stope width and stress distribution law, such as the limit equilibrium theory, micro-seismic monitoring, CT inversion monitoring. Research findings, without considering the impact of the fault, the width of 3305 workface in Yangcheng coal mine meets the requirements, the field monitoring results show that the internal stress environment is relatively safe. Key words Deep mining ; Limit wide ; CT monitoring ; Micro-seismic monitoring 71 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 稳定的基本条件是 煤柱两侧产生塑性变形后， 煤柱 中央仍处于弹性应力状态， 即在煤柱中央保持一定宽 度的弹性核， 煤柱的宽度是根据各个分区的宽度来确 定的， 即煤柱两侧的塑性区和中间弹性区， 如图 2 所 示。 （a） Ll0l1 （b） l0Ll0l1 Ⅰ-破裂区； Ⅱ-塑性区； Ⅲ-应力升高的弹性区 （弹性核） ； L-煤柱宽 度； l0-采空侧煤柱塑性区宽度； l1-掘巷侧煤柱塑性区宽度； γ-岩层 容重； H-开采深度； K1 、 K 2-应力集中系数 图 2煤柱弹塑性区及应力分布 上图中弹性核区的宽度应为煤柱高度的 1～2 倍， 对于一侧采空的煤柱合理宽度 Bx0 （12 ） MR（1 ） 式中 x0为回采空间侧塑性变形区宽度， m； M为 煤层开采厚度， m； R 为巷道侧塑性变形区宽度， m。 2.2煤体塑性区宽度极限平衡法分析 根据岩体的极限平衡理论，可得到 3305 工作面 采空侧煤体塑性区宽度 x0 x0 M 2ξf ln KγHCcotφ ξP 1Ccotφ （2 ） 式中 K 为应力增高系数； P1为支护对煤帮的阻 力， MPa； C 为煤体的粘聚力， MPa； Φ 为煤体的内摩 擦角， ； F 为煤层与顶底板接触面的摩擦系数； Γ 为 岩层容重， kN/m3； Ξ 为三轴应力系数。 3305 工作面采空侧煤体塑性区尺寸各计算参 数， 如表 1 所示， 将表 1 参数代入 （2 ） 式， 经计算 x0的 数值约 37.55m。 表 2煤体塑性区尺寸计算参数表 同样根据岩体的极限平衡理论，可得到 3305 皮 顺掘出后采帮侧所形成的塑性区宽度 R R mβ 2tanφ ln KγH C tanφ C tanφ P1 β （3 ） 式中 m为巷道高度，取值 3.5m； Β 为极限平衡 区与核区界面处的侧压系数， 取值 0.5。 将参数代入 （3 ） 式， 经计算 R 的数值约为 12.1m。 再应用公式（1 ） ，取弹性核宽度为 2 倍煤层厚度， 即 3305 工作面煤柱保持稳定的尺寸应当大于 Bx0 （12 ） MR37.5527.212.164.05m。 由于工作面平距面宽 80m大于 64.05m，理论分 析在不考虑断层构造的情况下， 该工作面不会出现整 体失稳冲击危险。 33305 工作面应力状态现场监测 3.1 监测方案设计 采用微震、煤岩主动 CT 反演监测 3305 工作面 煤体应力情况。在微震监测方面， 在 3305 轨顺、 皮顺 分别安装 2 个 SOS 检波器。CT 反演方面， 在工作面 掘进、 初次来压前、 初次来压后分别做了 1 次主动波 CT 反演， 轨顺安装接收检波器， 皮顺施工爆破孔， 爆 破孔间距 9m， 每次施工爆破孔 20 个。 3.23305 工作面监测数据分析 从 2019 年 12 月回采至 2020 年 2 月 SOS 微震 事件 （大于 5000J ） 能量如图 3 所示。从微震事件空间 分布看， 微震事件集中分布在工作面向外至工作面超 前 160m 范围内； 两顺槽附近事件较多， 工作面内事 件较少。 在工作面掘进及回采期间做了 3 次煤岩主动 CT 反演， 结果如图所示， 从 3 次反演结果看， 工作面内部 没有明显的高应力集中区， 工作面整体稳定。 符号名称数值单位 K应力增高系数2.50_ M煤层开采厚度7.2m P1支护对煤帮的阻力0.10MPa C煤体的粘聚力2.50MPa F摩擦系数0.20_ Φ煤体的内摩擦角31.5 Ξ三轴应力系数1.18_ Γ岩层容重25kN/m3 H开采深度 （按最大深度计算 ）1000m 72 ChaoXing （上接第 70 页 ） 岩的渗透特性， 对帷幕注浆工程选用双排灌浆孔方 案， 灌浆孔孔距 40m， 通过施工注浆钻孔， 在矿井和库 车河间的第四系冲洪积层、 A3 煤层顶板风化砂岩中 形成了防渗墙， 有效地阻断了库车河和矿井的水力联 系， 施工后， 库车河对矿井的补给量减少 200m3/h 以 上， 有效的保证了矿井安全生产。 参考文献 [1] 温成新,刘远军,何泽宏.烧变岩钻孔与帷幕注浆技术在煤 矿治水中的应用[J],能源技术与管理,2014,39 （5） 77- 79. [2] 李勇,张永生.帷幕注浆截留施工技术在煤矿治水工程中 的应用[J],西部探矿工程,2008, （9） ,122- 126. [3] 李守锋,齐俊德.马丽散在煤仓注浆堵水及矿井围岩加固 上的应用[J],煤炭技术,2008,27 （12） 107- 109. 作者简介 富鹏飞 （1990-） ， 男， 山西晋城人， 助理工程师， 现从事地 测防治水工作。 （收稿日期 2019- 12- 10） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 图 3微震事件分布图 （≥5000J） 推采前波速异常系数图 2019.11.11 初次来压前波速异常系数图 2019.12.31 初次来压后波速异常系数图 2020.1.22 图 4CT 反演波速异常系数图 4结论 1 ）本文通过理论计算得到了 3305 工作面临界 平距面宽 64.05m， 大于工作面平距 80m， 在不考虑断 层构造的情况下工作面整体稳定，不会出现整体失 稳。 2 ）通过微震和主动波 CT反演分析， 工作面内部 无高应力集中区， 不存在应力过度集中的现象， 工作 面整体稳定。 3 ）分析结论成果可以在类似工作面应用，但由 于 3305 工作面受断层影响，还需对断层影响下的整 体稳定性进行分析论证。 参考文献 [1] 李新元.“围岩 - 煤体” 系统失稳破坏及冲击地压预测的 探讨[J]. 中国矿业大学学报, 2000, 29 （6） 633- 636. [2] 刘志刚. 呼吉尔特深部矿区坚硬顶板宽煤柱采场爆破减 压降冲原理与实践[D].中国矿业大学,2018. [3] 姜耀东,赵毅鑫. 我国煤矿冲击地压的研究现状机制、 预 警 与 控 制[J]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ,2015,（11） 2188- 2204. [4] 姜耀东,潘一山,姜福兴,窦林名,鞠杨. 我国煤炭开采中的 冲击地压机理和防治[J]. 煤炭学报,2014, （02） 205- 213. [5] 高明仕, 窦林名, 张农,等. 煤 （矿） 柱失稳冲击破坏的突 变模型及其应用 [J]. 中国矿业大学学报, 2005, 34 （4） 433- 437. 作者简介 程刚 （1978.1- ） 男， 山东济宁人， 本科， 2017 年毕业于山 东科技大学采矿工程， 现任山东济宁运河煤矿有限责任公司 综采二区支部书记。 （收稿日期 2020- 3- 5） 73 ChaoXing