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★煤矿安全★

松软煤层宽煤柱沿空巷道高应力显现规律及机理研究

韩少勇

(重庆市綦江区藻渡煤矿有限公司,重庆市綦江区,401437)

摘 要 结合藻渡煤矿N2103工作面发生的高应力显现规律,分析了高应力与工作面采动之间的联系;综合钻屑法和数值模拟法,共同分析了采动应力的影响区域,认为巷道经历的实体煤掘进阶段、极限平衡区阶段和采空区阶段3个阶段中,应力集中由超前支承压力和侧向支承压力共同作用;结合工程实践分析,造成高应力显现的力源主要来自于采空区侧向和超前采动应力的叠加影响,还受到工作面上方顶板的运移、垮断影响。基于理论分析及现场实测结论分析可知,藻渡煤矿N2103工作面回风巷动压载荷是由超前开采动应力、采空区侧向应力形成的宽煤柱弹性区的集中静载荷和采空区边缘覆岩活动引发的集中动载荷叠加而成。

关键词 高应力显现 采动应力 动压影响因素 数值模拟

厚煤层综放开采中回采巷道通常会布置在煤层中,巷道围岩矿压显现明显,要求较高的支护强度[1-3]。工作面正常开采中所面临的开采条件都有可能造成高应力显现[4];在采空区煤巷中虽预留煤柱和进行超前支护,但仍出现严重变形、伴有动力冲击等高应力显现问题,目前研究高应力显现机理的手段有理论分析、现场实测与数值模拟等方法[5-6];各类矿压显现均与采动应力密不可分,支承压力的叠加[7],超前支承压力和侧向支承压力的分布特征[8]以及应力集中系数[9-10]都会作用于采场的不同位置,因此确定采动应力分布情况是十分必要的。

1 N2103工作面高应力显现情况

1.1 工作面概况

藻渡煤矿N2103工作面采用综放开采工艺,主采龙潭组K3#煤层,煤层厚度3.00~5.25 m,一般为4.29 m。煤层强度低,属于软煤层。工作面北侧为实体煤,南侧接北风井东翼1#回风大巷;西侧为实体煤;东侧为N2105工作面采空区,工作面共布置运输巷、回风巷、高抽巷和旁路放水巷4条巷道,其中回风巷邻近上区段N2105采空区,区段煤柱宽度为35 m,该巷道受采动应力影响,变形量较大。

1.2 高应力显现情况

N2103工作面回风巷在超前工作面区域发生过一次高应力显现,发生位置位于邻采空区侧的N2103回风巷采空区回采巷道中超前支护煤壁100 m 处,以及向外共320 m长巷道中高应力显现较明显,其中250 m长巷道断面现场测量由5.4 m×3.8 m缩减至平均2.4 m×2.5 m。主要表现为巷道东帮(原N2105工作面采空区侧)收敛1.5~2.0 m,巷道西帮(煤体侧)收敛0.3~0.5 m,底板中部鼓起0.5~1.0 m,如图1所示。

图1 N2103回风巷高应力显现位置图

当前N2103工作面正在回采,N2103回风巷必然会反复开采扰动,研究工作面超前区域的采动应力分布可以预测高应力显现的区域。

2 数值模拟分析

2.1 数值模拟模型

采用FLAC3D数值模拟软件对N2103工作面开采过程进行分析,应力条件根据矿区地应力实测的地应力σxx=-10 MPa,σyy=-5.3 MPa,σzz=-13 MPa进行赋值(“+”号表示所受应力为压应力,“-”号表示所受应力为拉应力)。整个模型4个立面均固定法向位移,底面同样固定法向位移。模型中层理弱面用INTERFACE模拟;整个模型共划分单元164700个,结点175890个。

巷道会经历实体煤掘进阶段(在与采空区、各巷道都没有透气的煤体中掘进的阶段)、极限平衡区阶段和采空区阶段3个阶段,采动应力的特征在每个阶段有所不同,需要布置测线研究巷道两帮的采动应力。研究超前支承压力时以工作面中线的支承压力曲线作为对比,同时要比较悬顶距离的增大对支承压力曲线的影响,所以煤壁前方的采动应力曲线是纵向测线。两条巷道间的煤柱也有支承压力的集中,与煤壁的位置关系会使得应力集中的特征产生改变,所以侧向支承压力曲线的测线是横向的。

2.2 采场应力分布

开切眼阶段为工作面将回采巷道布置完毕的阶段,各条巷道围岩的应力重新分布,回风巷道一侧临近N2105采空区,其煤柱帮会有较大的应力集中,如图2所示,图2中的蓝色条带很好地反映出这一应力集中现象。其他回采巷道的围岩应力集中并不如回风巷显著。

图2 开切眼阶段采场应力

砂岩老顶初次破断后,初次来压导致工作面上端头(回风巷)应力集中由条带状变为块状区域,应力集中向端头的角落集中。随着悬顶距离的大幅度增加,煤壁前方出现蓝色较浅的应力集中,表明超前支承压力的应力集中随着悬顶距的增大而增大,并且超前支承压力沿着采空区的分布长度也在不断增大。回风巷相邻煤柱内的应力集中程度进一步增加,应力集中向煤柱深处转移。采空区的煤柱应力集中程度最大,受采动影响应力集中偏向采空区一侧,对运输巷的影响相比开切眼阶段几乎没有变化。

老顶初次破断后,该区域变为采空区矸石堆积区,随着采空区的面积不断增大,矸石逐渐被压实,采空区应力也在逐步恢复。对回风巷与采空区之间的煤柱,因为N2103采空区的承载能力不够,煤柱的应力集中程度和高应力集中区域的面积不断增大,应力集中向煤柱更深处转移,在走向方向上已经扩大至煤壁前方,并且在周期来压的时候煤柱后方的应力集中影响的范围不断增大。其应力分布云图见图3。

图3 推进期间采场应力分布云图

2.3 支承压力曲线

N2103回风巷一侧邻近N2105采空区,与工作面中部超前应力相比,无论煤柱侧还是实体煤帮一侧的支承压力均大于工作面中部的支承压力。从巷道两帮应力对比来看,均存在一个应力峰值,煤柱侧应力峰值位于工作面后方5~30 m范围,且分布较为宽缓;实体煤侧超前支承压力峰值位于工作面前方5~13 m,峰值较为突出,相比其他区域变化较大;从工作面超前范围来看,N2103回风巷围岩应力处于较高水平,除去峰值位置外,煤柱侧向里5~15 m范围和实体煤侧向里5~10 m范围均为高应力区。该模拟结果表明回风巷两帮的应力集中明显,且煤帮的位移和破碎程度都较大。实体煤一侧向里5 m和10 m的范围内出现应力峰值的区域及大小基本相同,应力值随距离工作面的增加其曲线呈现出中间高两边低的外凸状,煤帮深处垂直应力小于浅处。回风巷帮内15 m的支承压力仅略大于工作面中部的支承压力,如图4所示。

选取正常回采时的计算模型,将整个工作面沿煤层进行切片,得到回采过程中每个煤层切片平面上的应力分布情况,将每个煤层切片平面上的应力汇总后得到如图5所示的工作面应力分布图。

沿走向方向看,巷道围岩的侧向支承压力会受到悬顶距离和推进步距的影响,回风巷一侧规律:极限平衡区阶段巷道的侧向支承压力达到最大值,平行于煤壁阶段有卸压区域存在,其侧向支承压力大于实体煤远端未受采动影响的区段的侧向支承压力。回风巷和采空区之间由于煤柱的存在,将会引起应力集中,应力曲线呈现“马鞍型”,在未受超前支承压力影响区域,煤柱靠近采空区一端的应力集中大于回风巷一端,应力分布呈现“一高一低”的“马鞍型”;而在受采动影响阶段的煤柱回风巷和采空区侧的应力集中相等,呈现“高低相同”的“马鞍型”。从应力分布的整体来看,煤柱区应力最高,在工作面超前影响区域,风巷两帮围岩都处于较高水平,两帮对比来看,煤柱帮应力略高于回采帮。

图4 回风巷围岩内超前支承压力曲线

图5 工作面应力分布曲面图

3 钻屑法监测与分析

对工作面回风巷超前300 m处两帮进行监测。监测周期为工作面推进5 m时,监测回风巷超前工作面20 m、50 m、80 m、110 m、170 m、260 m的煤柱帮(工作面侧);工作面推进下一个5 m后监测回风巷超前工作面20 m、50 m、80 m、110 m、170 m、260 m的煤柱帮(采空区侧)。工作面每推进10 m则全面检测一次。

对回风巷超前300 m范围测量记录的钻屑值进行处理,选出最大值如图6所示,钻屑的最大值出现在11~13 m,说明11~13 m 范围是巷道两帮应力的峰值区。

当前卸压孔范围已超前工作面300 m范围,由钻屑量最大值分布的范围可以看出,煤墙内的应力峰值已由煤墙浅部转移到深部,钻屑最大值在2.9~3.1 kg/m范围内波动,远远低于该段的危险值5.17~6.75 kg/m,说明巷道帮部施工的卸压孔卸压效果显著。

图6 不同位置钻屑量最大值曲线图

4 巷道高应力显现机理分析

结合前文理论分析及现场实测结论,认为N2103工作面回风巷动压载荷源于超前采动应力和采空区侧向应力形成的宽煤柱弹性区集中静载荷和采空区边缘覆岩活动引发的集中动载荷叠加而成。

4.1 静载荷演化过程

根据前文模拟及监测数据分析,N2103工作面邻近的N2105工作面回采结束后,随着时间的推移和采空面积的增大,采空区顶板下沉翻转,侧向悬顶区域开始对区段煤柱加载,造成煤柱邻空侧塑性区的扩展,同时受N2103工作面超前采动应力影响,工作面风巷围岩的集中静载荷持续增加,其应力来源于侧向支承压力和超前支承压力的相互叠加影响,一旦应力超过巷道围岩的临界水平,便会发生巷道破坏或动压。

根据前述数值模拟结果,工作面采掘期间,沿空巷道一直是应力分布最为集中的区域。从现场显现来看,沿空巷道也是巷道变形破坏最为明显的区域。

4.2 动载荷演化过程

结合工作面高应力显现来看,工作面顶板垮断对采场围岩的影响较为明显。N2103工作面的集中动载荷则主要来源煤层上方顶板的垮断:一是本工作面开采过程中顶板出现悬顶过长时,一旦断裂,会对前方煤岩体产生冲击动载;二是随着采空面积增加,顶板垮落及活动范围增加,波及上方高位顶板,其影响范围覆盖邻近采空区,从而使得区段煤柱受到两侧采空影响发生失稳破坏,进而造成高位顶板的断裂或下沉,产生强裂动载扰动。

4.3 动、静载时空关系及其叠加效应

根据前文分析,藻渡煤矿N2103工作面在采掘过程中,即受到集中静载的影响,又受到来自顶板断裂的动载影响。一般而言,当煤岩体内的集中静载荷达到一定程度后,便能够造成煤岩破坏和动压。如果自身静载荷集中度不够,采空区顶板断裂等产生的弹性波对其扰动、叠加也会导致动压发生。

另外,破裂点静载荷的长期积聚超过煤岩强度极限,静载荷便转化为动载荷。因此静载荷集中是动压发生的内因。

4.4 动压显现

在高水平集中静载荷影响下,N2103回风巷围岩呈现出弹塑性转换的临界状态,此时,回采过程中,顶板突然发生断裂和运动时产生的震动以能量形式向外传播,到达临界区域时,造成巷道围岩破坏,由于巷道围岩在静载荷加载过程中已发生塑性破坏,支护质量较差,造成抗冲击能力差,成为能量释放的主要通道,巷道发生较大变形,宽煤柱沿空巷道动压能量传递模型如图7所示。

图7 宽煤柱沿空巷道动压能量传递模型

5 结论

(1)N2103工作面煤层软,回风巷经历不同采场扰动,从已经发生的3次高应力显现中得出,底鼓源于超前支承压力存在,而巷帮的侧鼓源于巷道临近采空区煤柱形成的高应力集中。研究工作面超前区域的采动应力分布可以预测强高应力显现的区域。

(2)综合钻屑法和数值模拟共同分析采动应力的影响区域,巷道经历实体煤阶段、极限平衡区阶段和采空区阶段3个阶段中,应力集中由超前支承压力和侧向支承压力共同作用,其中支承压力的大小与顶板的悬顶距离有关。

(3)通过对N2103沿空工作面的应力环境分析,其静载荷来源主要来自于侧向采空区和超前采动应力的叠加影响造成的回风巷应力集中。而工作面回采期间受上方高位顶板影响,其动载荷主要来源于工作面上方顶板的运移、垮断。

(4)针对沿空区域采掘工作面高应力显现的防治,要从避免顶板大面积悬顶和降低煤体内的集中高应力两个方面着手。

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Study on law and mechanism of high stress appearance in gob-side entry with wide pillar in soft coal seam

Han Shaoyong

(Chongqing Qijiang Zaodu Coal Mine Co., Ltd., Qijiang, Chongqing 401437, China)

Abstract Combined with the high stress appearance in N2103 working face of Zaodu Coal Mine, the relationship between high stress and mining in working face was analyzed; the influence area of mining stress was analyzed by comprehensive drilling method and numerical simulation, it was considered that the stress concentration was affected by advanced abutment pressure and lateral abutment pressure in the three stages of solid coal driving stage, limit equilibrium stage and goaf stage.Combined with the engineering practical analysis, the force source of high stress appearance was mainly the superposition effect of lateral and advanced mining stress in the goaf, as well as the movement and collapse of the roof above the working face.Based on theoretical analysis and field measurement, the dynamic pressure load of return air roadway in N2103 working face of Zaodu Coal Mine was formed by the superposition of concentrated static load of wide coal pillar elastic zone formed by advanced mining dynamic stress and lateral stress of goaf and concentrated dynamic load caused by overlying rock activity at the edge of goaf.

Key words high stress appearance, mining stress, dynamic pressure influencing factor, numerical simulation

中图分类号 TD322

文献标识码 A

引用格式:韩少勇.松软煤层宽煤柱沿空巷道高应力显现规律及机理研究[J].中国煤炭,2020,46(3):58-62.

Han Shaoyong.Study on law and mechanism of high stress appearance in gob-side entry with wide pillar in soft coal seam[J].China Coal, 2019, 46(3):58-62.

作者简介:韩少勇(1979-),男,汉族,山东肥城人,中级工程师,主要从事煤矿生产技术安全管理工作。E-mail: 16606323578@163.com。

(责任编辑 郭东芝)