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双侧采空孤岛煤体冲击地压发生机理与防治技术研究

刘宏军  
【摘要】:本文针对开滦集团普遍存在的孤岛煤体的安全、高效回收展开研究,以唐山矿T1391孤岛煤体作为研究背景,对双侧采空孤岛煤体冲击地压发生的力学机理、回采技术与防治措施展开研究。整个研究中,采用了包括理论分析、计算机数值模拟与现场实测三种方法。论文中,首先结合我国煤炭工业面临的形式,对孤岛煤体的回收意义展开论述,认为孤岛煤体回收对于我国特别是东部地区资源的可持续发展具有重要意义。由于孤岛煤体受到多侧采空区的影响,应力集中与能量积聚在煤体上方,在孤岛煤体的回采中易引发冲击地压,因此,论文通过搜集大量文献对冲击地压发生理论、防治技术、孤岛工作面冲击地压发生的理论、评价及控制进行了综述。在此基础上,确定了研究内容、方法与技术路线。为了保障孤岛煤体的安全、高效回收,需要对残留孤岛煤体覆岩力学机理展开研究,所研究的T1391工作面属于双侧采空孤岛煤体,因此建立了双侧采空孤岛煤体覆岩力学模型,并对其弯矩分布的解析解进行计算分析;结合T1391孤岛煤体包括一大、一小两块,结合煤柱尺寸对支承应力分布、弯矩分布以及集中应力P进行建模研究;随后,在前述研究基础上,采用包括冲击可能性系数与发生的能量理论作为双侧采空孤岛煤体冲击地压发生的判定机理,本部分得到的具体研究成果包括:(1)通过采用弹性薄板力学理论与功的互等定理,建立了双侧采空孤岛工作面顶板岩层的力学模型,即顶板发生初次断裂前属于对边固支、对边简支;顶板发生断裂后,属于对边简支、一边固支、一边自由的力学模型,并得到了弯矩分布的解析解,分别为-0.640221m与-0.162962P。(2)在研究结论(1)的基础上,首先推导并确定了不同煤柱尺寸的支承应力分布、分区的计算公式与方法,并得到不同尺寸煤柱对应的弯矩分布情况,满足公式:同时发现当煤柱中部存在原岩应力的状态,则在孤岛煤柱两侧存在弯矩峰值,孤岛煤柱中部仍保持原始状态;当煤柱中部存在弹性应力升高区,仍然在孤岛煤柱两侧存在弯矩峰值,但中部弯矩值普遍分布较大;当孤岛煤柱处于整体极限状态时,则整个孤岛煤柱内部弯矩分布趋于最大值。考虑冲击地压的防治,大尺寸孤岛煤柱防范区域小、小尺寸的孤岛煤柱需要进行全面防治,因此,确定对T1391范围内的孤岛煤体实行一次开采。(3)推导了覆岩发生断裂后的承载表达式,满足:(4)在前述研究结论的基础上,进一步得到孤岛煤体的能量计算表达式,即顶板发生初次断裂前满足:顶板发生初次断裂后,满足:同时,结合能量积聚的表达式发现,在双侧采空孤岛煤体的能量积聚中,受覆岩顶板断裂步距的影响没有明显体现,也即双侧采空影响下,顶板断裂带来的能量变化可忽略。同时,在相同裂缝带发育高度的前提下,一次采出煤层厚度变化带来的能量积聚影响也不明显。在前述研究的基础上,对唐山矿双侧采空孤岛煤体的回采与冲击地压防治技术展开进一步计算研究,研究内容包括唐山矿孤岛煤体的分区情况、煤柱尺寸留设的计算分析、危险区域的划分及超前卸压钻孔方案与参数的确定,得到的具体研究结论如下:(1)通过计算得到煤柱破碎区范围2.9m,极限平衡区范围为4.53m,因此从沿空掘巷的角度考虑,可保留3-4m的护巷煤柱。进一步,从煤柱发生突变、失稳造成冲击地压发生的角度,提出煤柱尺寸要大于10.3m。(2)结合前述孤岛煤柱能量分布的计算方法,得到留设超过10m宽的煤柱时,煤柱中部必然受到双向支承压力的叠加影响,计算得到UW=3.06×105J,而留设3m煤柱,UW=1.173×105J,留设3m小煤柱仅为10.3m以上宽度煤柱能量的38.3%,因此,仅仅采用煤柱留设的区域措施即可显著改善孤岛煤柱回收时冲击地压发生的几率。(3)从孤岛煤柱开始回采制定局部防范措施的角度考虑,在双侧采空孤岛煤柱两侧附加弯矩的位置左右各0.05L范围分别达到最大正负弯矩,因此无论从能量上还是从梯度上,此区域均是冲击地压防范的重点。(4)顶板发生初次断裂后,受到侧向支承应力的影响,对其能量积聚超过105J进行了计算分析,分别分析了极限平衡区内与弹性区,得到距离采空区4.22m-31.83m是发生冲击地压的危险区域。再一次得到双侧采空孤岛煤体开采条件下,采用沿空掘巷可避开冲击地压发生的危险区域。(5)对工作面回采中采用钻孔卸压防治措施进行了计算分析,认为采用钻孔卸压方案时,可采用100mm或200mm钻孔直径、1m或2m的钻孔间距以及10m、15m、20m、25m以及30m的钻孔深度,为进一步确定卸压钻孔参数的实验研究提出基础参数。为了验证前述理论研究成果并确定最终的卸压技术与参数,采用计算机数值模拟软件FLAC3D进行模拟研究,研究内容包括煤柱稳定性、危险区域划分、超前卸压钻孔参数的确定与采煤方法选择几个方面,得到如下研究结论:(1)对不同煤柱尺寸支承应力分布的数值模拟研究中发现宽度为5m的煤柱在回采时已经破坏、卸压;留10m护巷煤柱的情况下,煤柱弹性核在工作面回采过程中由于后方不断采空,支承应力逐渐增高,且应力峰值随着工作面的推进而逐渐向前移动;当煤柱宽度达到15m时,由于弹性核破坏的减小,煤柱的支承应力逐渐增大,煤柱中的应力集中程度增大,发生冲击失稳的危险性也较高。对不同煤柱尺寸的塑性区分布模拟发现,当煤柱宽度为5m和10m时,在工作面前方60m的范围内随着回采工作的开采,煤柱既已发生不同程度的塑性破坏。留设15m护巷煤柱情况有所改善,但是维持时间较短。留设20m和25m宽的护巷煤柱时,中部的弹性核在回采过程中支承应力集中程度高,煤柱发生冲击失稳的危险性显著增高。对不同煤柱能量场分布的模拟中发现,留设5m护巷煤柱在顶板支承应力的作用下,回采初期既已发生破坏、卸压,煤柱内积聚的弹性能过早的释放;随着煤柱宽度的增加,煤柱逐渐起到了支承作用,煤柱内部积聚的弹性能逐渐增高。当煤柱宽度10m时,随着工作面的回采,工作面附近煤柱积聚的能量较多,说明此区域煤柱应力较为集中,发生冲击失稳的危险性逐渐增大。同理,煤柱宽度从15m到30m变化时,煤柱内部靠近顺槽巷道的区域出现了条带状的能量积聚区域,此区域随着工作面的回采向工作面前方移动,条带状区域逐渐扩大,由此可知,煤柱在靠近顺槽巷道的区域弹性能积聚较多,随着工作面的推进,容易发生冲击失稳。因此,从对煤柱不同尺寸的各类型模拟中发现,留设小煤柱甚至无煤柱是改善孤岛工作面煤柱发生冲击地压的有效措施,结合前述理论研究,建议T1391孤岛煤柱的回收采用沿空掘巷。(2)在对不同煤柱尺寸的研究前提下,对孤岛工作面开采期间的危险区域进行了研究,发现顶板初次断裂垮落前,应力峰值与危险区域分布在回采巷道两侧的区域,这与前述建立对边简支、对边固支的力学模型相符,即在顶板发生初次断裂前需要防止巷道两侧的实体煤与煤柱发生冲击地压。当工作面覆岩发生断裂后,其能量主要积聚在工作面中部超前位置,因此需要制定相应的技术措施防止工作面发生冲击地压,可采用如提高液压支架工作阻力等技术措施。(3)结合超前打卸压钻孔改善煤体应力分布与能量积聚对卸压孔的技术参数进行模拟研究,认为该矿实际情况下,应采用钻孔孔径200mm,钻孔间距1m与钻孔深度15m的卸压方案。(4)结合特厚煤层的采煤方法,对留设3m煤柱的沿空掘巷分层开采与放顶煤开采进行模拟,模拟中采用最优的钻孔卸压技术方案与参数,研究中发现,采用放顶煤开采两巷应力分布情况相似,且较分层开采顶分层小,分布范围较为集中,分析其原因认为分层开采的顶分层直接受顶板的影响,认为采用放顶煤开采要优于分层开采顶分层的情况。最后,基于理论研究与数值模拟实验两部分研究内容与成果,对唐山矿双侧采空孤岛煤体回采工作面T1391工作面进行现场矿压观测与冲击危险性的评估,得到如下成果:(1)唐山矿T1391工作面所采8-9煤层具有中等以上冲击危险性,且工作面埋深超过冲击地压发生的530m以及属于双侧采空的孤岛工作面,因此,工作面回采过程中存在发生动力失稳的危险性。(2)通过巷道变形对超前支承应力进行分析,认为工作面超前支承应力峰值位置应为20m,从与采空区侧向支承应力叠加的角度考虑,此区域应是防范的重点。(3)通过对工作面顶板离层的研究从而确定顶板活动的剧烈程度的研究中发现,距离工作面16-28m属于顶板活动剧烈范围。(4)在对工作面液压支架工作阻力的观测中发现,工作面下端区域工作面上端区域工作面中部,这与常规工作面中部应力较两端大不同,从而验证了前述孤岛工作面防范的重点应在工作面两端的结论。(5)依据钻屑量进行实测发现工作面发生初次来压之前,钻屑量基本接近中等危险的下限且伴随有声响与卡钻现象,与其他工作面进行工程类比发现,虽然仍属于中等危险,但钻屑量显著降低,因此可认为沿空掘巷或打卸压钻孔起到一定作用;当顶板发生初次断裂后,工作面超前20m范围内钻屑量较多,但几乎没有超过无危险的上限,且几乎没有动力现象发生,属于无动力危险性。验证了前述研究中关于顶板初次来压前需要全面防治,而顶板来压后,虽然工作面煤壁存在片帮等现象,但无动力失稳危险,而仍然在工作面两巷超前20m属于超前应力与采空区侧向应力叠加区域,需要重点防范。论文取得了如下创新点:(1)对双侧采空孤岛煤体建立了弹性薄板力学模型,即顶板发生断裂前属于对边固支、对边简支力学模型;发生断裂后属于一边固支、一边自由、对边简支的力学模型,并得到解析解,发现顶板断裂前弯矩峰值位于工作面两端0.05倍的位置,发生断裂后弯矩峰值集中在工作面中部,此区域是防治冲击地压发生的重点。(2)通过对不同尺寸煤柱内支承应力分布与分区的研究,建立了不同尺寸孤岛煤体能量积聚的计算公式,同时发现受双侧采动影响,孤岛煤体开采中顶板断裂步距对能量积聚的影响可忽略不计。(3)结合孤岛煤体顶板发生断裂后的弯矩分布特点,推导了三侧采空顶板承载的表达式。(4)结合孤岛煤体实际参数,对其进行了计算,首先提出两种护巷煤柱的留设,即留设3-4m小煤柱的沿空掘巷方案,或避免煤柱发生突变造成冲击地压发生而留设10.3m以上护巷煤柱的方案,通过能量计算发现,沿空掘巷煤柱内积聚的能量仅为留10.3m以上宽度煤柱尺寸的38.3%,认为沿空掘巷是避免发生冲击地压最有效的区域性防治措施。


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