工作面过上覆遗留煤柱致灾机理及超前区域防治技术研究.pdf
《工作面过上覆遗留煤柱致灾机理及超前区域防治技术研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《工作面过上覆遗留煤柱致灾机理及超前区域防治技术研究.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、工作面过上覆遗留煤柱致灾机理及超前区域防治技术研究杨欢1,郑凯歌1,2,李彬刚1,李延军1,杨森1,王泽阳1,王豪杰1,戴楠1(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西西安710077;2.安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南232001)摘要:浅埋近距离煤层下伏工作面开采通过上覆遗留煤柱时,易发生强矿压动力灾害,造成人员设备损伤,严重威胁矿井安全生产。采用特征归纳、数值模拟计算、力学模型分析等研究方法,明确浅埋近距离煤层上覆遗留煤柱灾害发生规律,揭示强矿压致灾机理。研究表明:上覆遗留煤柱强矿压致灾机理为工作面出煤柱时,煤柱及上覆承载体受扰动突然失稳,能量瞬间传递至采场,以动能形式释放,造
2、成强矿压动力灾害。基于“垮落充填体支撑+关键岩层弱化+应力传递路径转移”防治理念,提出通过改造煤柱及承载体运移空间、弱化关键岩层、均布集中应力及转移应力传递路径的分段水力压裂超前区域弱化防治技术,并在典型工作面开展工程试验。工程试验结果表明:水力压裂实施过程中,泵注压力峰值达 23.4MPa,压力变化总体呈“锯齿状”波动且伴有压力突降,突降达60 余次,岩体内部人造主裂缝与微裂缝持续交替发育,有效破坏了岩体的完整性;治理后,来压峰值及来压平均值分别降低 15.41%,8.29%,动载系数峰值及平均动载系数分别降低 17.39%,11.88%,立柱最大下沉量降幅达 50.00%且小于 0.4m,
3、工作面巷道顶板最大下沉量降幅 33.33%。工作面安全通过上覆遗留煤柱影响区域,分段水力压裂超前区域弱化技术可实现浅埋近距离煤层上覆遗留煤柱强矿压灾害的有效防治。关键词:浅埋;近距离煤层;遗留煤柱;矿压;水力压裂;超前弱化中图分类号:TD327.2文献标志码:A文章编号:02532336(2023)09004609Disaster mechanism during passing of working face under overlying remnant coalpillar and advanced regional prevention technologyYANGHuan1,ZHEN
4、GKaige1,2,LIBingang1,LIYanjun1,YANGSen1,WANGZeyang1,WANGHaojie1,DAINan1(1.Xian Research Institute of China Coal Technology Engineering Group Corp.,Xian 710077,China;2.School of Earth and Environment,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)Abstract:Whentheminingoftheunderlying
5、workingfaceofshallowandcloseseampassesundertheoverlyingremnantcoalpillar,itiseasytohaveanintensiveminepressure-induceddynamicdisaster,resultinginpersonnelandequipmentdamage,whichseriouslythreatensthesafetyofmineproduction.Thecharacteristicsinduction,numericalsimulationcalculation,mechanicalmodelanal
6、ysisandotherre-searchmethodsareusedtoclarifytheoccurrenceofthehazardsoftheoverlyingremnantcoalpillarsintheshallowandcloseseams,andrevealthedisastermechanismcausedbyintensiveminingpressure.Theresearchshowsthatthedisastermechanismoftheintensivegroundpressurecausedbytheoverlyingremnantcoalpillaristhatw
7、hentheworkingfacepassesunderthecoalpillar,thecoalpillarandtheoverlyingbearingbodyaredisturbedandsuddenlylosestability,andtheenergyistransferredtothestopeinstantly,whichisreleasedintheformofkineticenergy,resultingintheintensivegroundpressure-induceddynamicdisaster.Basedonthepreventionandcontrolideaof
8、“collapsedrocksupport+weakeningofkeyrockstratum+transferofstresstransmissionpath”,thepreventionandcontroltechnologyofweakeningforfrontareausingsubsectional-hydraulicfracturingwasproposedbymodifyingthecoalpillarandbearingbodymigrationspace,weakeningkeyrockstratum,uniformlydistributingconcentratedstre
9、ssandtransferringstresstransmissionpath,andengineering收稿日期:20220828责任编辑:常琛DOI:10.12438/cst.2022-1373作者简介:杨欢(1993),男,甘肃定西人,助理研究员,硕士。E-mail:通讯作者:郑凯歌(1988),男,河南周口人,副研究员,博士。E-mail:第51卷第9期煤炭科学技术Vol.51No.92023年9月CoalScienceandTechnologySept.2023杨欢,郑凯歌,李彬刚,等.工作面过上覆遗留煤柱致灾机理及超前区域防治技术研究J.煤炭科学技术,2023,51(9):465
10、4.YANGHuan,ZHENGKaige,LIBingang,et al.Disastermechanismduringpassingofworkingfaceunderoverly-ingremnantcoalpillarandadvancedregionalpreventiontechnologyJ.CoalScienceandTechnology,2023,51(9):4654.46testsarecarriedoutattypicalworkingfaces.Theengineeringtestresultsshowthatduringtheimplementationofhydra
11、ulicfracturing,thepeakvalueofpumpingpressurereaches23.4MPa,thepressurechangesgenerallyina“zigzag”shape,accompaniedbyasuddendropofpressureformorethan60times,andtheartificialmainfracturesandmicrofracturesintherockmasscontinuetodevelopalternately,ef-fectivelydestroyingtheintegrityoftherockmass;Aftertre
12、atment,thepeakvalueandaveragevalueofperiodicpressuredecreasedby15.41%and8.29%respectively,andthepeakvalueandaveragedynamicloadcoefficientdecreasedby17.39%and11.88%,respectively.Themaximumcontractionoftheshieldcylinderwas50.00%andlessthan0.4m,andthemaximumcontractionofthegateroadroofwas33.33%.Thework
13、ingfacesafelypassedthroughtheaffectedareaoftheoverlyingremnantcoalpillar,andtheadvancedareaweakeningtechnologyofsubsectional-hydraulicfracturingcaneffectivelypreventandcontroltheintensivegroundpressuredisasteroftheoverlyingremnantcoalpillarinshallowandcloseseams.Key words:shallowburied;shortdistance
14、;residualcoalpillar;groundpressure;hydraulicfracturing;leadingweakening0引言近距离煤层,即相邻煤层开采过程相互影响、煤层间距较小的煤层。浅埋近距离煤层是指埋深一般不超过 150m,基载比较大的近距离煤层。浅埋近距离煤层群开采过程中,上层可采煤层开采完成后,覆岩结构经历垮落、裂隙发育及弯曲下沉到趋于稳定的过程;当下伏煤层开采时,覆岩结构 2 次运移,应力场重新分布,上覆结构出现下沉、垮落及回转等运动,能量释放规律异常12。现有的上覆遗留煤柱强矿压灾害防治方法及手段主要为爆破与常规短钻压裂 2 种,治理机理为削弱或者转移应力集
15、中,从而达到治理强矿压的目的。但爆破法受工程量大、火工品管控严格、成本较高且治理过程中易产生有毒有害气体等因素限制;常规短钻水力压裂治理精度低,覆盖范围小,超长工作面中部难以治理。针对上述问题,国内外学者开展了大量科学研究:郑凯歌等1,5结合“压裂垮落体+煤柱+承重岩层”协同支撑理念,提出了坚硬顶板分段压裂超前弱化解危技术;杨俊哲等6-7依托“垮落充填体+上覆遗留煤柱”治理理念,结合定向长钻孔水力压裂技术,提出上覆遗留煤柱超前弱化治理机理;杜君武等8通过物理相似模拟及数值模拟方法,系统的研究了近距离煤层开采过程中覆岩结构演化规律,分析了煤柱稳定性;吴文达等9基于压力拱理论,提出了房采区煤柱的应
16、力计算方法,并通过物理模拟研究了房柱式煤柱联动失稳机理;张威等10针对遗留煤柱下孤岛工作面冲击矿压防治进行了深入研究;李春元等11通过现场实测、理论分析等方法,研究了上覆遗留区段煤柱对下伏工作面开采扰动规律;黄庆享等12-13通过对采场应力、位移及裂隙等演化规律的深入研究,建立了其与不同煤柱结构的关系,揭示了回采过程中裂隙发育规律;姜鹏飞等14-15深入分析了不同形态煤柱对应力传导规律的影响。开采实践及相关研究表明,浅埋近距离煤层开采过程中,覆岩结构复杂,应力环境特殊,应力集中明显,能量释放规律异常,易引发动力灾害16-17。学者们深入研究了浅埋近距离煤层上覆岩层结构运移规律,丰富了上覆遗留煤
17、柱强矿压致灾治理原理及机理,形成了相对成熟的技术应用体系1820。但对于浅埋近距离煤层开采过上覆遗留煤柱时,强矿压致灾机理及超前区域防治技术研究亟需深入研究。陕、蒙、晋煤炭富集区多数矿井随着开采强度增加、开采技术革新、设备实施智能化提升,多层煤层同时开采,下伏工作面通过上覆遗留煤柱过程中,矿压显现异常,多次发生巷道过度变形、工作面压架等事故,严重影响现代化矿井的安全高效开采3-4。以神东石圪台煤矿为例,归纳实际生产中上覆遗留煤柱强矿压灾害发生特征,结合数值模拟计算,研究强矿压灾害发生规律及致灾机理,基于“垮落充填体支撑+承载体弱化+应力传递途径阻断”理念,提出上覆遗留煤柱强矿压灾害超前区域弱化
18、防治技术,在典型工作面开展工程试验,防治效果显著,为矿井安全生产提供技术保障。1浅埋煤层近距离上覆遗留煤柱致灾机理1.1上覆遗留煤柱强矿压灾害发生规律1)实际案例分析。神东石圪台煤矿 22煤煤层厚 度 为 1.1 2.9 m,煤 层 平 均 厚 度 2.1 m,埋 深8297m,平均 87m,与上层 22 上煤层间距 1017m,平均 14.2m,上覆 22 上煤层有综采采空区,存在上覆遗留煤柱,宽度 12m。层间发育有硬度较大的粉砂岩层,厚度 12.1m,抗压强度 30.41MPa,钻孔柱状如图 1 所示。由于下层煤层厚度变化及煤层分叉原因,下层煤层开采过程中,工作面布置方式及回采方向与上层
19、煤不同,工作面回采经历“采空区遗留煤柱采空区”过程。杨欢等:工作面过上覆遗留煤柱致灾机理及超前区域防治技术研究2023年第9期47工作面回采出遗留煤柱 3.3m 位置时,工作面支架突然来压,下沉量较大,导致采煤设备无法正常运行。图 2 为工作面过遗留煤柱压架位置及实拍。2)过上覆煤柱过程中强矿压发生规律数值模拟以开采工作面为背景,依据实际煤岩层物理力学参数,建立模型进行上覆遗留煤柱强矿压发生规律数值模拟分析。图 3 为数值模型模型。大小宽300m、长 400m、高 80m,煤层间距 15m。本次数值模拟模型为摩尔库仑弹塑性本构模型,采用位移边界条件,模型上表面为自由面,其余 5 个面限制模型表
20、面的法向位移,模拟过程中首先开采上层煤层,形成遗留煤柱后计算至设置的平衡条件,再进行下层煤层开采,模拟下伏工作面过上覆遗留煤柱的过程,对比分析应力分布规律及塑性区变化特征,参照的物理力学参数见表 1。模拟过程中留设 20m 遗留煤柱。工作面回采过程中,工作面顶板垂直应力变化规律如图 4 所示。由图可知,遗留煤柱布设在 5070m 位置,随着工作面回采经历“采空区遗留煤柱采空区”过程,工作面顶板垂直应力呈现先增长后降低规律:回采至 3050m 时,工作面处于即将进入遗留煤柱区域,顶板垂直应力呈现增长趋势;回采至 5070m时,工作面进入并持续在上覆遗留煤柱区域,顶板垂直应力突增,当工作面回采至
21、70m 时,垂直应力达到峰值;回采至 7080m,即工作面推出煤柱时,垂直应力降低。顶板塑性变化特征如图 5图 7 所示。由图 5可知,当工作面距离遗留煤柱 20m 时,工作面顶板1.81.522 煤层细粒砂岩13.01砂质泥岩细粒砂岩22上 煤层粉砂岩1.712.1粉砂岩3.3岩层岩性柱状厚度/m12.261.18砂质泥岩图1工作面岩性柱状Fig.1Workingfacelithologycolumnar工作面采空区覆岩平均 87 m层间距 14.2 m层间发育粉砂岩22 煤层22上 煤层工作面3.3 m支架压架位置采空区层间发育粉砂岩层间距 14.2 m覆岩平均 87 m22 煤层22上
22、煤层(a)工作面开采剖面(b)工作面压架位置(c)工作面压架情况图2工作面过遗留煤柱压架位置及实拍Fig.2Positionandliveshotofthepressingframeofthere-mainingcoalpillarpassingtheworkingface表 1 物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters岩层视密度/(gcm3)体积模量/GPa剪切模量/GPa黏聚力/MPa抗拉强度/MPa内摩擦角/()泊松比细粒砂岩2.382.870.555.015.04350.28砂质泥岩2.350.810.293.510.84340.
23、27粉砂岩2.361.911.965.624.26350.25煤层1.500.980.712.800.53290.242023年第9期煤炭科学技术第51卷48岩层塑性区发育,且发育范围在工作面前方 020m范围,抗剪区域影响至煤柱边界,煤柱本身未受到影响。当工作面进入煤柱下方时,顶板抗剪塑性区完全影响至遗留煤柱,煤柱受抗剪及抗拉破坏。工作面顶板塑性区发育范围主要集中在工作面前方 025m。当工作面回采出煤柱时,工作面顶板抗剪塑性区发育,煤柱受抗剪抗拉破坏。顶板塑性区基本集中在工作面上方及超前 010m 范围内。结合应力变化规律及塑性区分布特征分析,总结工作面过上覆遗留煤柱特征,可分为 3 个阶
24、段:工作面回采至煤柱边界。该阶段工作面顶板塑性区超前发育,逐步影响至煤柱范围,但煤柱及上覆结构基本稳定,顶板应力有上升趋势,但增加幅度不大。工作面在煤柱正下方回采。该阶段工作面顶板塑性区超前发育,煤柱受采动影响,逐渐出现塑性区,工作面顶板垂直应力逐渐开始上升。工作面出煤柱过程。该阶段顶板塑性区超前发育,与前两阶段相比,塑性区范围覆盖工作面与上覆煤柱连接区域,煤柱受采动影响发生变形。工作面出煤柱时应力突然增加达到峰值,随着工作面继续推进,垂直应力急剧下降。综上分析,工作面在出煤柱时,煤柱及承载体受采动影响易发生突然失稳,造成应力变化规律异常等现象。1.2上覆遗留煤柱致灾机理工作面过煤柱过程中,顶
25、板结构失稳后各块体间相互铰接,工作面出煤柱边界后,形成一定的铰接结构。根据覆岩结构特征,建立力学模型(图 8),分析工作面出煤柱强矿压发生机理10。CODq2R2TTP1P2q1R1a1a21212lmln2121图8关键块体三铰式结构力学模型Fig.8Mechanicalmodelofkeyblockthreehingestructure模型中,两端为位移约束边界。结构体中部铰接点低于两侧铰接点,需通过下部支撑保持平衡。已有研究结果得出6,力学结构下部支撑力表达式为k1q1i1sin2i1sin1k2q2=i1sin22(i1sin1)P112P2+2i1sin1sin2i1sin1R0(1
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 工作面 过上 遗留 煤柱致灾 机理 超前 区域 防治 技术研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。