大倾角综放开采下平巷冲击地压发生机理及防治研究.pdf
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1、大倾角综放开采下平巷冲击地压频发。针对王家山煤矿大倾角综放开采冲击地压发生机理及防治问题,综合采用理论分析、数值模拟以及工程实践等方法,分析了大倾角综放开采下平巷冲击地压发生规律。结果表明:大倾角综放工作面下平巷处于上区段采空区侧向支承压力与后方采空区超前支承压力的叠加高应力区,同时受采空区覆岩破断、垂直跌落及俯冲下滑时产生的动载扰动作用;煤层倾角越大、厚度越小,下平巷集中应力在水平方向的分力越大,覆岩运动产生的动载扰动越强;由于下平巷沿顶板布置,底煤较厚,巷道底煤没有支护约束,在水平应力及动载扰动叠加作用下,容易诱发底煤破坏型冲击地压。针对性设计并实施了大倾角综放开采下平巷冲击地压防治方案,
2、应用效果显著。关键词:大倾角;冲击地压;动静叠加;下平巷;防治技术中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,:;大倾角煤层一般指煤层倾角为 的煤层。据统计,大倾角煤层储量约占我国煤炭储量的 ,其中大倾角特厚煤层储量约占我国煤炭储量的 。近年来,随着甘肃窑街三矿、王家山煤矿 年第 期张锋刚,等:大倾角综放开采下平巷冲击地压发生机理及防治研究第 卷以及新疆乌东大倾角工作面相继发生冲击地压显现之后,国内外更多学者开始关注和研究大倾角煤岩致灾机理等方面 ,由于大倾角煤层的倾角效应,以及部分大倾角厚煤层矿井为防止液压支架倒滑,因此采用了水平圆弧过渡的布置方式,致使大倾角煤层的应力分布以及冲击显现
3、特征与一般近水平煤层有了明显差异 。薛成春等 建立了倾斜悬顶结构力学模型,理论分析了工作面顶板能量分布特征,得出大倾角厚煤层冲击地压机理,认为巷道围岩系统在各项应力影响下,工作面下部端头、中上部区域积聚的大量弯曲变形能,在顶板破断突然释放带来的动载效应下,导致巷道围岩失稳,从而诱发冲击。何江等 研究了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压机理,认为覆岩结构在下位分段开采放煤过程中,导致的结构破断旋转、跌落、挤压俯冲等冲击动载与工作面底煤集中静载叠加达到冲击临界载荷时诱发的夹持冲击型动力灾害;王崧玮等 建立力学模型,得出急倾斜特厚煤层受到顶、底板“夹持”作用,积聚了较高的能量,在叠加载荷作用下,
4、易诱发“错动夹持”型冲击地压。等 通过 模拟得出急倾斜水平分段开采中,顶板与底板受到非对称性的夹持和挤压作用,使得顶板周围煤体聚集较大的弹性能,在动载的叠加效应下,容易引发冲击。袁崇亮等 通过实验研究认为,近直立煤层所受水平应力影响积聚大量弹性能,当顶板岩层形成的“悬臂”结构对下方煤体产生冲击载荷,造成强烈的矿压显现。高明仕等 确定近直立煤层组群联合开采过程中应力集中区域为两侧煤体的“挤压点”,而岩板破断释放的冲击动载是诱发冲击地压灾害发生的主要因素。以上文献表明,针对于大倾角综放开采冲击地压发生机理多数以急倾斜水平分段、大倾角走向长臂以及近直立煤层为工程背景,而对于采用水平圆弧过渡方式布置的
5、大倾角综放工作面,深部下平巷频发冲击地压的现象,尚需要针对性的深入研究,因此本文以大倾角厚煤层水平圆弧过渡综放工作面下平巷为工程背景,开展冲击地压发生规律及防治的研究。工作面布置及冲击显现特征甘肃某矿大倾角综放工作面现在主要布置在中采区,采区每个区段垂高 ,留设垂高为 的区段煤柱,工作面平均垂高 ,煤层平均倾角 ,由于该矿大倾角综放工作面煤层较厚,且为了液压支架防倒防滑,同时提高工作面的冒放率,工作面底部采用水平圆弧段的布置方式;工作面平均长度为 (直线段长 ,圆弧段长 ),其中下平巷沿顶板布置,上平巷沿底板布置。工作面布置剖面如图 所示。图 大倾角综放工作面布置示意 对中采区冲击地压发生于上
6、下巷道进行对比统计,结果如图 所示。由图 可知,发生在下平巷的冲击地压灾害占绝大多数,超过 。发生在上平巷的仅为 。说明邻近采空区侧向支承压力对大倾角综放开采冲击地压灾害的影响不是最主要的因素。下平巷之所以冲击地压灾害较为严重,直观判断为大倾角综放开采,下平巷沿煤层顶部布置,留底煤较厚,底煤动态破坏时是下平巷发生冲击地压的主要因素。图 冲击地压发生于巷道位置概率统计结果 下平巷冲击地压发生规律 静载力源分析大倾角煤层受到倾角效应明显,由于煤层倾角增大,煤层受到水平应力的作用逐渐显著,因此对比分析倾角效应对下平巷的影响,采用 数值模 年第 期能源与环保第 卷拟软件进行分析。数值模型基于工作面的地
7、质条件建立,工作面上区段为已经开采结束的大倾角工作面,岩层从上至下岩性见表 。中二 工作面埋深为 ,模型的两边及底部为速度边界条件,模型两边水平方向速度为 ,底部边界水平、垂直方向速度为 ,上部为自由边界,模型采用摩尔库伦准则。模型尺寸为 ,重力加速度取 。计算出不同煤层倾角开采下工作面倾斜剖面水平应力分布云图,结果如图 所示。表 煤岩体力学参数 岩性厚度密度()体积模量 剪切模量 黏聚力 内摩擦角()抗拉强度 粉砂岩 粗砂岩 中砂岩 粗砂岩 泥岩 煤 粉砂岩 细砂岩 图 不同煤层倾角开采下工作面倾斜剖面水平应力分布云 由图 可知,当工作面为近水平开采时,工作面并未明显受到采空区水平应力的影响
8、,随着煤层倾角逐渐增大,下平巷与圆弧段底板区域逐渐出现明显的水平应力集中区,而下平巷沿顶板岩层布置,巷道留有较厚的底煤,因此随着煤层倾角的增大,在水平应力作用下,下平巷底煤区域聚集大量弹性能,增加巷道失稳的可能。此外,大倾角综放开采下平巷诱发冲击地压与煤层厚度变化密切相关,根据矿井煤层变化情况,煤层厚度由采区两翼至大巷区域逐渐变薄,煤厚从 变化至 ,同时伴随冲击显现事件逐渐增多,基于此变化,进一步研究不同煤厚下大倾角下平巷应力演化规律,通过 模型计算后的结果如图 所示。图 不同煤厚下大倾角综放开采倾向剖面水平应力分布 由图 可知,为不同煤厚下大倾角综放开采应力分布云,从图 中可以明显看出,当煤
9、层厚度越小时,工作面及两巷受到的水平应力影响越大,从覆岩运动的角度来看,煤层的卸压程度与煤厚呈反比,因此较薄煤层开采时,采空区卸压程度有限,导致下区段工作面应力集中明显。根据文献 可知,当煤层厚度越小时,煤层的冲击能指数升高,而下平巷沿煤层顶板布置,底部存在较厚底煤,因此当大倾角煤 年第 期张锋刚,等:大倾角综放开采下平巷冲击地压发生机理及防治研究第 卷层变薄时,下平巷底板发生冲击的可能性升高。从弹性力学的角度来看,根据巷道受力特征,下平巷底板的变形破坏条件为 :()式中,为巷道宽度;为弹性模量;为底煤厚度;为底煤所受的轴向压力;为覆岩支承压力影响系数;为水平应力构造影响系数。根据式()可知,
10、大倾角综放工作面巷道在巷道宽度以及底煤厚度一定的情况下,当弹性模量越小,底煤所能承受的压力越小;由于顶板岩层的弹性模量大于煤层,且底煤区域未采取支护措施,因此在煤层与顶板受相同应力的影响下,煤层巷道底板发生失稳的条件大于顶板岩层。动载力源分析大倾角综放工作面在回采过后,采空区上方顶板逐层垮落,其中,直接顶及基本顶岩层破断垮落时,其破断步距及能量释放强度可根据顶板梁模型进行计算。根据相关文献 ,计算出直接顶的破断步距为:无较接 槡()式中,梁承受的自身及外加均布载荷;为煤层倾角;为梁的跨距。基于材料力学 ,直接顶悬臂梁受均布载荷时,弯曲变形为:直接顶 ()()由功的互等定理可知,此时直接顶垮落时
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