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鸯铸鱼
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1 第 33 卷第 4 期采矿与安全工程学报 Vol.33 No 年 7 月 Journal of Mining & Safety Engineering July 216 文章编号 : (216) 深埋复杂不规则孤岛工作面冲击矿压机制研究朱广安, 窦林名, 刘阳, 苏振国, 李慧 ( 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 矿业工程学院, 江苏徐州 ) 摘要为研究大埋深下不规则孤岛工作面开采对冲击矿压的影响, 基于覆岩空间结构理论, 分析了某矿 3112 孤岛工作面覆岩结构及其大尺度破断运动对工作面煤岩体的影响, 并根据掘进期间微震监测对孤岛面的回采进行冲击危险的动态评价通过理论分析与数值模拟, 从煤岩体静载应力和动态破坏 2 方面分析孤岛煤柱诱冲机制基于能量守恒定律, 研究了主关键层破断瞬间覆岩稳定性和能量释放转化过程, 主关键层的破断运动对工作面矿压显现影响剧烈数值计算分析了不同开采尺度对孤岛面冲击的影响, 随着开采尺度的增大, 煤体的静载应力峰值逐渐升高并接近临界应力, 冲击危险程度升高最后基于动静载组合诱发孤岛煤柱冲击机制, 探讨了孤岛面冲击矿压防治措施现场实践表明, 钻孔卸压和顶板预裂爆破有效地控制了高能量震动事件的产生关键词孤岛工作面 ; 冲击矿压 ; T 型覆岩结构 ; 动态评估 ; 数值模拟中图分类号 TD 324 文献标志码 A DOI /j.cnki.jmse Rock burst mechanism analysis on deep irregular island face ZHU Guang an,dou Linming,LIU Yang,SU Zhenguo,LI Hui (State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining,School of Mines, China University of Mining & Technology,Xuzhou,Jiangsu ,China) Abstract To study the influence of deep irregular island face mining on rock burst, based on the spatial structure theory, the characteristics of overburden structure above island face 3112 have been analyzed in this paper, and the effect of large scale fracturing on the coal and rock has also been analyzed. Also the dynamic information monitored by microseismic monitoring system during roadway excavation has been added for the dynamic evaluation of rock burst risk at the working face. Meanwhile, through theoretical analysis and numerical simulation, the mechanism of rock burst induced by static and dynamic combined load in island pillar coal face has been analyzed. Based on energy conservation law, the release and conversion of the energy at the moment of the key strata fracture have been studied. Subsequently, the influence law of different mining scale effect on island pillar burst has been studied with the method of numerical simulation. The greater the mining scale is,the higher the risk of rock burst will be. Finally, the technologies in controlling rock burst have been developed for island face based on the mechanism. The engineering application has presented that strong tremors can be reduced by releasing pressure through large diameter drilling and break-tip blast in deep hole. Key words island face;rock burst; T strata;dynamic evaluation;numerical simulation 收稿日期 : 责任编辑 : 侯世松基金项目 : 国家重点基础研究专项 (973) 项目 (21CB22685); 国家自然科学基金和神华集团有限公司联合项目 ( ); 煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题项目 (SKLCRSM1X5); 江苏高校优势学科建设工程项目 (PAPD) 作者简介 : 朱广安 (1989 ), 男, 江苏省盐城市人, 博士, 从事矿山压力冲击矿压采矿地球物理等方面的研究 zhuguangan@163.com Tel:

2 第 4 期朱广安等 : 深埋复杂不规则孤岛工作面冲击矿压机制研究 631 矿井因早期的条带开采或是生成布局不合理而在井田内形成孤岛煤柱, 这类孤岛工作面应力集中, 覆岩空间结构复杂, 给冲击矿压防治带来一系列问题 [1-2] 近年来, 随着开采深度的增加, 孤岛煤柱冲击事故发生的频度和烈度也随之增加 [3-4] 进入深部开采后, 孤岛工作面的研究范围在厚度和层面上已超出传统的单一工作面或单一岩层结构的范围 [5], 相邻工作面甚至多个工作面的覆岩破断运动是孤岛煤柱冲击矿压发生的主要诱因目前对于孤岛煤柱冲击的研究主要还是集中于覆岩结构应力集中冲击危险性等方面 [6-9], 大多只是针对于其中的单个因素进行探讨和研究, 且大都依赖于采后数据资料的总结, 不能够做到提前预警监测大量冲击事故表明, 通常掘进期间高应力区也是回采期间的冲击高发区 [1] 因而研究现场冲击显现和掘进期间微震震源分布特征对孤岛面回采期间冲击矿压防治具有更好的指导意义, 尤其是工作面采前的应力异常区的确定和预处理显得尤为重要本文以山东某矿 3112 孤岛工作面为研究对象, 利用微震监测及现场冲击记录, 对掘进期间大能量震动震源能级显现范围及显现形式等进行定位与统计分析, 总结微震分布特征, 分析采前应力异常区域数值模拟分析了不同开采尺度对于孤岛面应力分布和覆岩结构演化的影响同时对高位主关键层破断运动诱发的煤柱动力破坏机制也进行了探讨, 该方法可为该矿其他类似条件下的孤岛工作面冲击矿压灾害防治提供借鉴该工作面以西为 3113 工作面采空区, 以东为和 3111 工作面采空区工作面平均走向长 245 m, 倾斜长 11 m, 经鉴定, 煤层具有弱冲击倾向性 1.2 冲击矿压事故及掘进微震分布特征利用微震监测系统可以现场实时监测煤岩体应力状态及破坏情况, 同时可以根据震源位置和能量大小判断潜在的矿山动力灾害规律, 以此为基础预测评价冲击危险 [11] 工作面区域较为典型的冲击事件有 :1) 211 年 4 月 11 日 311 工作面发生冲击矿压,311 上出口向外 17 m 范围内巷道底鼓达到 1.7~1.8 m,6 人受伤, 一人死亡 2) 212 年 11 月 17 日 3112 皮带巷掘进 46 m 时发生冲击矿压, 事故冲击摧毁巷道 m, 巷道严重变形,6 人死亡 3) 215 年 3 月 12 日 3112 切眼迎头施工过程中发生冲击矿压, 事故造成工作面多处顶板冒顶,3 人受伤图 2 为 3 次冲击显现位置及 3112 皮带巷修复期间 ( ) 微震震源分布情况, 图中显示 :1) 微震震源位置随着掘进的位置呈现有规律性动态前移, 震源近似呈直线分布在采空区附近 2) 大能量震动事件大都分布于采空区一侧和断层附近由微震监测数据可知, 掘进期间 3111 和 311 采空区矿压显现剧烈, 冲击危险程度较高由图 2 可知, 该孤岛工作面冲击特征十分明显, 研究其冲击机制对于该矿相似条件下的孤岛面的冲击矿压防治和安全回采具有指导意义 1 工程概况 1.1 地质条件 3112 工作面位于某矿 31 采区西部, 地面平均标高 +34 m, 井下平均标高 -85 m, 采深 9 m 左右, 煤层平均厚度 6.7 m, 倾角 7 该面为两侧采空两侧断层切割的孤岛面, 如图 1 所示 - F TL F2 7 H=~45 m 建议设计切眼原设计切眼设计停采线 F H=4~18 m F ~75 H=2~6 m 图 2 巷道修复期间微震震源及历次冲击显现位置分布 Fig.2 Location of microseismic source and burst damage area 2 孤岛工作面诱冲机制图孤岛综放面平面图 Fig.1 Face of 3112 fully mechanized sublevel caving face 2.1 动静组合诱发冲击矿压机理众多现场冲击案例及相关研究表明, 冲击地压

3 632 采矿与安全工程学报第 33 卷的发生是在集中应力作用下由矿震诱发产生的, 即静载和动载组合诱发冲击 [12] 可用如下公式表示 : σ + σ σ (1) j d bmin 式中 :σ j 为煤岩体中的静载荷 ;σ d 为矿震形成的动载荷 ;σ bmin 为发生冲击矿压时的极限载荷 2.2 覆岩结构分析相邻采空区地表下沉情况 3112 工作面开采前在地面建立了沉陷观测线, 沿着工作面倾向布设, 其实测地表下沉曲线 ( 图 3) 因此, 在覆岩竖向剖面上,3112 工作面属于两侧非充分采动的对称长臂 T 型孤岛结构其回采前覆岩结构示意如图 4 所示主关键层亚关键层 6 亚关键层 5 亚关键层 4 亚关键层 3 亚关键层 2 亚关键层 1 3 下煤层小采空区侧主关键层未破断 3113 工作面大采空区侧主关键层未破断下沉量 /mm 图工作面开采前地表下沉曲线图 Fig.3 Subsidence curves of the ground surface before 3112 face mining 212 年 5 月 17 日 311 工作面开采后, 地表 S3 点至 S9 点下沉量在 382~566 mm 范围内, 与之相比,214 年 6 月 28 日地表 S3 点至 S9 点下沉量在 63~21 mm 范围内, 地表最大下沉值仅 696 mm, 远小于该区域经验最大下沉值根据相关覆岩空间结构理论 [13-14], 并结合地表沉陷曲线可以推断 : 工作面开采后上覆主关键层并未发生破断,3112 工作面孤岛煤柱承受了上覆岩层直至地表的载荷, 这才导致了 311 工作面开采 2 a 后地表下沉远小于经验值竖向剖面对称长臂 T 型结构特征 3112 工作面开采后, 覆岩空间结构转换时矿压规律发生变化, 四周覆岩与工作面顶板将协调运动相互影响, 从而诱发冲击矿压由理论分析和数值模拟可知, 覆岩演化高度受工作面短边推进长度所控制, 演化高度大约为工作面推进长度的一半 3112 工作面西侧 3113 采空区宽度 ( 约 7 m), 覆岩裂隙发育高度有限, 东侧采空区宽度范围 ( 约 27 m) 远小于其.4 倍的开采深度 (9 m), 顶板垮落不充分, 属非充分采动, 开采尚未能引起高位主关键层的破断运动图工作面回采前 T 型覆岩结构示意 Fig.4 T-type overlying strata structure above 3112 island face before mining 主关键层破断的能量分析随着工作面的推进, 离层裂隙发育至高位主关键层, 当关键层弯曲拉应力达到抗拉强度时便会发生破断, 此时积聚的弹性能转为破断失稳释放的重力势能和冲击动能, 对下位煤岩层做功产生冲击震动波, 进而诱发矿震等动力现象 [15] 主关键层破坏的力学模型如图 5 所示图 5 主关键层破坏的力学模型 Fig.5 The key stratum model for dynamic impact 主关键层破断失稳过程中, 发生不可逆的能量释放主要有 3 个方面 :1) 主关键层在上覆载荷的作用下产生一定的位移, 即外载荷所积累的能量 ;2) 主关键层断裂时将产生向下的位移, 即重力势能的变化 ;3) 余下的能量转化为诱发冲击的动能根据能量守恒定律可知 : E E =E P +E G +E k (2) 式中 :E P 为上覆载荷产生的能量 ;E G 为重力势能 ; E k 为动能 ;E E 为下位岩层所增加的能量由上可以预测,3112 孤岛煤柱采掘过程中强矿震活动主要受 T 型长臂主关键层的层面剪切滑移失稳等诱发 2.3 孤岛煤柱应力分布数值模拟为研究不同开采尺度下孤岛煤层中的应力和位移演化规律, 采用 FLAC 3D 数值模拟软件进行模

4 第 4 期朱广安等 : 深埋复杂不规则孤岛工作面冲击矿压机制研究 633 拟对模型进行适当简化后建模, 模型长度 1 m, 宽度 1 m, 高度 3 m 为揭示开采尺度效应对覆岩运动的影响, 共建立 4 个模型进行对比分析 : 模型 1: 原设计方案 ( 开采 54 m); 模型 2: 原设计切眼后移 1 m( 开采 44 m); 模型 3: 原设计切眼后移 m( 开采 34 m); 模型 4: 切眼确定于材料道转向点处 ( 开采 25 m) 图 6 为 3112 工作面回采前孤岛煤柱垂直应力分布图 z/m 4 y/m 6 1 图工作面采前垂直应力分布 Fig.6 The vertical stress distribution of the face before mining 从图 6 可以看出, 受两侧采空区的影响, 最大垂直应力达到 6 MPa, 孤岛面煤柱的高静载应力将达到冲击临界应力 [16], 冲击危险性较高将不同开采方案下得到的应力场及位移场对比, 可深入分析孤岛煤柱冲击灾变机制, 其结果如图 7~9 所示沿倾斜距离 /m 方案 4 方案 3 方案 2 方案 1 图 7 不同开采方案下覆岩监测线位移曲线 Fig.7 Displacement curves of monitoring line under different stopping methods (a) 方案 1 (b) 方案应力 /MPa (c) 方案 3 (d) 方案 4 图 8 不同开采方案下工作面回采结束时垂直应力分布图 Fig.8 The vertical stress distribution of the face after mining (under different stopping methods)

5 634 采矿与安全工程学报第 33 卷 (a) 方案 1 (b) 方案 2 (c) 方案 3 (d) 方案 4 图 9 不同开采方案下工作面回采结束时覆岩塑性区分布图 Fig.9 Plastic zone distribution of overlying strata after mining (under different stopping methods) 由图 7 可知 : 地表下沉量受孤岛煤柱开采尺度影响较大, 随着工作面的推进, 剩余煤柱宽度越来越小, 覆岩运动充分, 地表下沉量越来越大不同开采方案下, 孤岛煤体的应力分布覆岩塑性破坏情况如图 8,9 所示从图中可以看出, 随着工作面进尺增大, 工作面覆岩发生严重拉伸破坏, 围岩塑性分布区范围明显增大, 甚至于相互贯通扩展至两侧断层, 引起断层进一步活化方案 1 2 和 3 中主关键层都已进入或曾经进入塑性破坏, 主关键层易于破断同时, 方案 1 和 2 中巷道不可避免地会转弯, 巷道转向点处应力集中程度高, 其一般应力集中系数可达 7 [14] 综上所述, 结合工程类比和数值模拟结果最终确定切眼位置定于材料道转向点处, 有利于工作面正常安全的回采 3 孤岛煤柱冲击矿压防治探讨由上述孤岛工作面诱冲机制及其应力和能量条件可知, 孤岛工作面冲击矿压防治应从降低孤岛煤体应力和减弱或避免顶板及覆岩关键层破断动载扰动出发, 采取相应的有效措施进行防治 : 1) 合理的开采设计布局, 避免高应力集中工作面规则布置, 避免呈曲线或不规则形状巷道与采空区之间留设 3~5 m 的小煤柱, 窄煤柱易于产生塑性变形, 降低或消除煤柱产生应力集中提高巷道支护小结构的强度, 增强抵抗冲击的能力 2) 对于已形成不可避免的高应力集中区, 则需要采取煤层超前大直径钻孔卸压爆破松动卸压等措施, 人为诱发冲击, 释放煤体内存储的大量弹性能, 降低载荷集中程度 3) 主动切断 F 臂, 提前释放或转移顶板围岩的集中应力, 防止动载冲击, 避免顶板和覆岩的协调运动可以采取顶板预裂爆破技术, 预防顶板大面积来压对工作面的煤体形成动载扰动 4) 加强监测, 对于高冲击危险区域, 尤其是掘进时已出现冲击事故的区域, 利用应力在线监测和微震监测系统等, 实时监测应力的变化和矿震信号的动态时间序列 4 结论 1) 根据覆岩结构演化规律, 并结合地表沉陷特征分析得出 :3112 工作面在竖向剖面上为长臂对称 T 型孤岛结构, 覆岩主关键层易于出现大尺度的破断运动, 动载危险程度较高 2) 采用微震和应力在线监测系统对掘进期间的震动场和应力场进行监测, 可对工作面回采期间的冲击危险进行动态评估 3) 应用数值模拟方法对不同开采尺度效应下煤岩体应力场和塑性区的变化进行了研究, 从结果看开采尺度越小, 煤体应力和覆岩影响范围越小, 以此确定了切眼的位置为材料道转向点处 4) 基于孤岛煤柱动静组合诱冲机制, 探讨了孤岛工作面冲击矿压防冲措施 : 避免煤层高应力集中的同时, 减弱采掘扰动造成的动载参考文献 : [1] 赵国栋, 康立军. 孤岛煤柱综放面矿压显现特征浅析

6 第 4 期朱广安等 : 深埋复杂不规则孤岛工作面冲击矿压机制研究 635 [J]. 西安科技学院学报,,2( 增刊 2): ZHAO Guodong,KANG Lijun.Review of the feature of mine pressure appear on coal pillar of full mechanized caving coal face among gobs[j].journal of Xi an University of Science & Technology,,2(Sup 2): [2] 于元林. 大采高孤岛采场覆岩运动破坏特征和矿压显现研究 [D]. 合肥 : 安徽理工大学,7. [3] 窦林名, 何烨, 张卫东. 孤岛工作面冲击矿压危险及其控制 [J]. 岩石力学与工程学报,3,22(11): DOU Linming,HE Ye,ZHANG Weidong.Hazards of rock burst in island coal face and its control[j].chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,3, 22(11): [4] 齐庆新, 欧阳振华, 赵善坤, 等. 我国冲击矿压矿井类型及防治方法研究 [J]. 煤炭科学技术,214,42(1): 1-5. QI Qingxin,OUYANG Zhenhua,ZHAO Shankun,et al. Study on types of rock burst mine and prevention methods in China[J].Coal Science and Technology, 214,42(1):1-5. [5] 杨光宇, 姜福兴, 王存文. 大采深厚表土复杂空间结构孤岛工作面冲击地压防治技术研究 [J]. 岩土工程学报,214,36(1): YANG Guangyu,JIANG Fuxing,WANG Cunwen. Prevention and control technology of mine pressure bumping of coal mining face in seam island based on deep mining and thick topsoil of complex spatial structure of overlying strata[j]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,214,36(1): [6] 史红, 王存文, 孔令海, 等. S 型覆岩空间结构煤柱导致冲击失稳的力学机制探讨 [J]. 岩石力学与工程学报,212,31( 增刊 2): SHI Hong,WANG Cunwen,KONG Linghai,et al. Mechanism discussion on rock bursting caused by coal pillar of S-shaped overlying multi-strata spatial structure [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,212,31(Sup 2): [7] 曹胜根, 缪协兴. 超长综放工作面采场矿山压力控制 [J]. 煤炭学报,1,26(6): CAO Shenggen,MIAO Xiexing.Ground pressure controlling on super-length fully-mechanized mining face with top-coal caving[j].journal of China Coal Society, 1,26(6): [8] 李振雷, 窦林名, 蔡武, 等. 深部厚煤层断层煤柱型冲击矿压机制研究 [J]. 岩石力学与工程学报,213, 32(2): LI Zhenlei,DOU Linming,CAI Wu,et al.fault-pillar induced rock burst mechanism of thick coal seam in deep mining[j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,213,32(2): [9] 贺虎. 煤矿覆空间结构演化与诱冲机制研究 [D]. 徐州 : 中国矿业大学,212. [1] 姜福兴, 冯宇, 刘晔. 采场回采前冲击危险性动态评估方法研究 [J]. 岩石力学与工程学报,214,33(1): JIANG Fuxing,FENG Yu,LIU Ye.Dynamic evaluation method for rockburst risk before stopping[j].chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,214, 33(1): [11] 贺虎, 窦林名, 巩思园, 等. 覆岩关键层运动诱发冲击的规律研究 [J]. 岩土工程学报,21,32(8): HE Hu,DOU Linming,GONG Siyuan,et al.rock burst rules induced by cracking of overlying key stratum[j]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,21, 32(8): [12] LI Zhenlei,DOU Linming,WANG Guifeng,et al.risk evaluation of rock burst through theory of static and dynamic stresses superposition[j].journal of Central South University of Technology,215,22: [13] 窦林名, 贺虎. 煤矿覆岩空间结构 OX-F-T 演化规律研究 [J]. 岩石力学与工程学报,212,31(3): DOU Linming,HE Hu.Study of OX-F-T spatial structure evolution of overlying strata in coal mines[j].chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,212, 31(3): [14] 钱鸣高, 缪协兴, 许家林. 岩层控制的关键层理论 [M]. 徐州 : 中国矿业大学出版社,3. [15] 蒋金泉, 张开智. 综放开采矿震的成因及防治对策 [J]. 岩石力学与工程学报,6,25( 增刊 1): JIANG Jinquan,ZHANG Kaizhi.Cause and control method of mine earthquake in fully mechanized top coal caving mining[j].chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,6,25(Sup 1): [16] 窦林名, 赵从国, 杨思光, 等. 煤矿开采冲击矿压灾害防治 [M]. 徐州 : 中国矿业大学出版社,6:4-33.

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Microsoft Word - 11--方刚_new_.doc 第 44 卷第 3 期煤田地质与勘探 Vol. 44 No.3 2016 年 6 月 COAL GEOLOGY & EXPLORATION Jun. 2016 文章编号 : 1001-1986(2016)03-0057-08 铜川玉华煤矿顶板离层水突水机理与防治方刚 1,2,3, 靳德武 (1. 中煤科工集团西安研究