冲击危险性厚煤层综放开采冲击地压发生机理_图文

1、冲击危险性厚煤层综放开采冲击地压发生机理潘俊锋1,连国明2,齐庆新1,毛德兵1(1.煤炭科学研究总院开采研究分院,北京 100013;2.山西省高平市新庄煤矿,山西高平 048400摘 要:基于冲击地压对深部综放开采工作面安全高效生产的严重影响性,采用有限差分软件FL AC 3D研究采煤方法(包括大采高开采对冲击地压形成的不同影响作用,分析综放开采的合理采放比及综放工作面冲击地压发生的机理。研究表明对于冲击危险性特厚煤层采用综放开采是有利于冲击地压防治。支承压力集中程度仍然超过塑性区煤体强度极限和采空区以暂时稳定梁或者其它形式积聚了大量的弹性能量的瞬间释放是综放工作面冲击地压时有发生的原因。关

2、键词:冲击危险性;厚煤层;冲击地压;综放开采中图分类号:TD32411 文献标志码:A 文章编号:0253-2336(200706-0087-04M echan is m of rock outburst occurred fro m full y m echan i zed long wa ll top coalcavi ng and m i ni ng i n thick sea m w ith rock outburst danger i n potentialPAN Jun -feng 1,L I A N Guo -m ing 2,Q I Q i n g -x i n 1,MAO De

3、 -bi n g1(1.C oa lM i n i ng R esearch B ranch,Ch i na C oal R esearc h In stit u te ,B eiji ng 100013,Ch i na;2.Shanxi Gaoping X i nzhuang M i ne ,Ga o p i ng 048400,China Abstrac t :Base on the ro ck ou t burst could hav e a ser i ous i nfl uences to t he safety production o f the fu ll y m echani

4、zed top coa l cav i ng and m i n i ng face i n deep m i ne ,a fi nite d ifferentia l so ft w are FLAC 3D w as app lied to study the d ifferent i n fluences of t he m i n i ng m ethod (i nc l u -d i ng h i gh cu tti ng m i n i ng t o the for m ation o f the ro ck ou t burst .The paper ana l y zed the

5、 rati onal m ini ng and cav i ng ratio and t he m echa -n i s m o f the rock outburst o ccurred i n the f u lly m echan ized cav i ng and m i ning face .T he research show ed that applicati on o f the fu ll y m ech -an i zed cav i ng and m i ning could be favorab le to prevent and contro l t he rock

6、 ou t burst i n spec ial th i ck sea m w it h rock out burst dang er .The support pressure concentra ted deg ree higher than the streng th li m ita ti on o f the coa lm ass i n t he plastic zone and the instant releasi ng great elastic energy accu m ulated i n the te m po rary stab l e roof or o t h

7、er structure o f goaf is the cause to o ccur t he rock outburst i n t he m i n i ng face .K ey word s :rock outburst dange r ;th i ck sea m;ro ck ou t burst ;full y m echan ized cav i ng and m i n i ng基金项目:国家重点基础研究发展规划(973资助项目(2005CB221504我国厚煤层储量丰富,约占煤炭探明储量的44%,每年地下开采的厚煤层产量约占全国煤炭产量的40%50%。近年来,随着煤矿开采

8、深度的不断加大,冲击地压以及由其诱发的顶板、瓦斯、煤尘事故在深部厚煤层开采过程中发生的次数显著增加。因此,如何在冲击危险性的厚煤层开采过程中进行冲击地压综合防治,减少冲击地压灾害事故的发生,是深部厚煤层安全、高效开采必须解决的重要问题。大量工程实践表明,冲击地压的发生因采煤方法的不同而存在差异,对于具有冲击危险性的厚煤层,当采用分层开采时,常常因开采顶分层时的应力过于集中而导致冲击地压的发生,甚至造成人员伤亡和设备的损坏;在采用综放开采厚煤层时,由于顶煤及顶板垮落与破坏范围的增大,发生冲击地压的频度下降,强度降低。但是,综放开采时,冲击地压仍然时有发生,采用综放开采并没有完全阻止冲击地压的发生

9、1。鉴于此,国内部分学者对此进行了初步研究15,探索了综放开采对冲击地压的缓解作用,但是因受研究手段等的限制,没有更为深入的研究综放开采与其他高效采煤方法对于冲击地压的形成影响有何不同;为何综放开采没有阻止冲击地压的发生。本文基于应力对冲击地压发生的显著影响作用1,68,采用有限差分法程序FLAC 3D 9,以新汶矿区特厚煤层开采条件下,典型的冲击地压多发矿井华丰煤矿四层煤综放工作面地质力学参数和历次冲击地压统计数据为基础,研究采煤方法对冲击地压形成的不同影响作用,分析综放开采的合理采放比,并得到综放工作面冲击地压发生的机理。1数值计算模型的建立111模型建立及物理力学参数模拟开采煤层厚度为6

10、m,该工作面两侧均未采动。模型为100m60m130m的长方体,整个煤岩层模型煤层和直接顶、直接底板的物理力学参数均按实验室煤岩样测试结果给定,底板、基本顶及其以上岩体的物理力学参数按相关资料参考数据计算,见表1。表1煤岩层物理力学参数112边界条件模型四周边界均固定水平位移,底端边界固定垂直位移,顶端边界施加均匀载荷,载荷按深部煤岩层950m岩体垂直应力计算,模型上部顶板岩层的重量按等效载荷施加到模型顶部边界上,等效载荷按下式计算:q=E h Q g(1式中q等效载荷,Pa;h模型上部顶板岩层的厚度,m;Q模型上部顶板岩层的密度,kg/m3;g重力加速度,9181m/s2。另外,参考新汶矿区

11、地应力测量结果,模型内部单元施加的最大水平主应力为垂直应力的2倍。模型初始位移和速度均按零计算。原始主应力方向分别与模型3个坐标轴一致。模型采用M ohr -C oulo m b破坏准则。煤岩层层理使用Interface单元进行模拟。2计算结果分析冲击地压是煤矿开采过程中煤岩力学系统在达到极限强度时,以突然、急剧、猛烈的方式释放弹性能的一种特殊矿压显现形式,将导致煤岩体瞬间发生破坏并伴有煤粉、气浪冲击,造成井巷破坏和人身伤亡事故。所以说力源因素(高度的应力集中和破坏时有剩余能量是冲击危险性煤层发生冲击地压的重要因素。另外,从冲击地压的防治来看,控制冲击地压灾害的发生,实质上就是改变煤岩体的应力

12、状态或者控制高应力的产生,以保证煤岩体不足以产生失稳破坏或非稳定破坏。为此,本文研究采煤方法对冲击地压形成的影响,主要从不同采煤方法导致的采场应力分布是否有助于冲击地压的发生来研究。211采煤方法对冲击地压形成的影响在计算的边界条件、加载方式、单元网格的划分等均保持不变的情况下,分别进行了初采期间分层开挖、综放开挖和大采高开挖。图1为厚煤层分层开采条件下采场应力云图。在模拟底分层开采时,考虑到现场实际煤层上方为垮落的岩石,所以对模型上位3m煤层弹性模量降低为原来的1/8。在工作面自切眼后帮推进30m基本顶尚未垮落时,从图1中看到采场围岩出现了明显的应力分区,在切眼后帮和工作面煤壁前方出现了应力

13、集中,在采空区和控顶区顶底板为低应力区。比较顶分层开采与底分层开采时的应力图发现,顶分层开采时上述两个应力集中区更靠近采场煤壁自由面;顶分层开采时的顶底板拉应力明显大于底分层开采时;顶分层开采时的垂直应力集中区峰值明显大于底分层开采时,因此说顶分层开采是易于满足冲击地压的发生条件的。图2是厚煤层综放开采和一次采全高的大采高开采时的采场应力云图。从这两副图看到采场存在明显的高低应力分区,切眼后帮和工作面煤壁前方为高应力集中区,与图1相比,高应力区更远离煤壁,尤其是大采高开采时,高应力集中区分布范围明显增大,采场上方压力拱,拱高抬升。图3为上述不同采煤方法时,在工作面煤壁前方相同位置处的超前支承压

14、力曲线对比图。图3中曲线表明,因采煤方法的不同,工作面超前支承压力大小和峰值位置也不同。分层开采时,尤其顶分层开采存在较大的应力集中系数,并且应力峰值下降迅速;而综放开采和大采高开采时应力峰值位置远离工作面煤壁,应力集中系数相对较小,并且存在一个峰值区,峰值分布范围大,下降缓慢。4种开采方式时的具体支承压力分布对比关系为超前支承压力峰值的大小关系为:顶分层>底分层>大采高>综放;超前支承压力峰值深入煤壁距离的大小关系为:大采高>综放>顶分层>底分层开采。因此就此状态时,分层开采时,尤其是顶分层开采时,工作面煤壁前方存在较大的集中应力,峰值又距离工作面自由面最

15、近,煤壁前方产生很窄的塑性区,该区煤体强度变为残余强度,承载能力降低,前方较高的应力集中很容易瞬间超过该残余强度,而将煤壁附近煤体转变为能量传递介质,导致其冲 向采场形成冲击地压。1顶分层开采;2底分层开采;3综放开采;4大采高开采图3不同采煤方法时工作面超前支承压力对比但是,对于大采高开采,尤其时综放开采时,无论是采场应力云图还是工作面超前支承压力曲线图,都看到高应力集中区域远离煤壁,并且峰值接近原岩应力大小。所以这2种采法致使煤壁前方高集中应力迅速前移,并在煤壁前方形成较宽的塑性变形区,阻止前方煤体冲击能力较强,而此时的高应力峰值又较小,分布范围大。所以大采高开采、综放开采是有利于冲击地压

16、防治的。但是大采高是受采高限制的不适宜特厚煤层开采。212采放比对冲击地压形成的影响通过上述分析表明,对于冲击危险性特厚煤层采用综放开采方法是有利于开采过程中冲击地压防治的,新汶华丰煤矿、抚顺老虎台煤矿、开滦唐山 煤矿现场实践也证明了这一结论。试验在同等条件下,进一步研究了6m 厚煤层采放比分别为1B 5,1B 2,1B 1,1B 015四种方案时采场应力分布规律,图4为综放开采不同开采方案时XZ 方向剪应力变化曲线图。从图4中可以看出,不同开采方案时剪应力变化规律基本相似,即各方案在切眼后帮深入煤壁5m 左右出现了剪应力集中,而在工作面前方3m 左右出现了剪应力集中,在采空区正上方顶板中的剪

17、应力有波动现象。从图中还可以看出,采放比越大, 工作面前方剪应力集中程度越大。图4 综放开采不同采放比时工作面前后XZ 方向剪应力对比图5 综放开采不同采放比时工作面超前支承压力对比图5为不同采放比时工作面超前支承压力曲线图。从图中看到,当采放比为1B 5时支承压力峰值最小,距离工作面煤壁最近,而在采放比为1B 015时,峰值最大,距离煤壁也最远。总体上应力分布规律是:采放比越大,支承压力峰值越大,峰值深入煤壁距离也越大。但是,随着采放比的增大在采空区和控顶区处顶底板拉应力随之增大,当采放比为1B 015时,拉应力最大可达2123MPa 。这说明,割煤高度越大,越有利于采空区顶板、顶煤的垮落,

18、而此时暴露底板拉应力大,容易出现底板冲击破坏现象。鉴于此,对于冲击危险性厚煤层综放工作面,割煤高度既不能过大又不能过小,对于本文研究煤层条件割煤高度取215m 左右比较合适,这与现场实践结论是基本一致的。3 综放工作面冲击地压发生机理华丰煤矿、老虎台煤矿、唐山煤矿综放开采实践,证明综放开采冲击危险性厚煤层,在一定程度上降低了破坏性冲击地压发生的强度,同时也减少了其发生的次数。但是华丰煤矿1409综放工作面发生冲击地压统计数据,有力的表明,综放开采并没有完全阻止冲击地压的发生。这是因为对于回采工作面冲击地压发生的力源因素主要为煤层在大面积悬露的上覆岩层压力作用下压缩弹性能的释放和高强度大厚度坚硬

19、顶板弹性弯曲变形储存的弹性能的释放。综放采场上覆各岩层的垮落都经历了离层下沉离层闭合压实过程,但在整个过程中,常常形成互相楔挤的暂时稳定梁结构,由于岩层始终在时间和空间上处于动态演化过程,随着上覆岩层的下沉、增压,暂时稳定梁逐渐积蓄了大量的弹性能量,当上覆岩层继续下沉、增压,暂时稳定梁不能负担上覆岩层的重量时,其折断力矩和支撑力矩的平衡条件随之破坏,另外受工作面支架的前移或采场有放炮等其他动载荷影响,这种梁结构就急剧失稳垮落,从而可能对工作面煤壁带来大的动压冲击。另外,比较大的超前支承压力是工作面煤壁失稳破坏和近煤壁巷道失稳变形发生冲击地压的主要诱发因素。所以综放开采冲击危险性厚煤层,虽然其采

20、空区冒落高度大,采空区松散岩层空间大,工作面前方由于比较软的顶煤充当顶板,在煤壁附近迅速形成塑性变形区,使得支承压力峰值向煤壁前方移动,但是当支承压力集中程度仍然超过塑性区煤体强度极限时,煤壁仍然有向采空区冲击的可能;另一方面,当采空区以暂时稳定梁或者其它形式积聚了大量的弹性能量,在时机成熟时突然释放时仍然会发生工作面冲击地压,尤其是在上述2个方面同时发生时,将会有高强度的冲击地压发生。4 结 论(1采用数值计算研究同等地质条件下,不同采煤方法对冲击地压形成的不同影响作用,实践表明,这种方法经济、快捷、方便可行。(2采动高集中应力的形成是冲击地压发生的重要条件,研究结果表明对于冲击危险性特厚煤

21、层采用综放开采是有利于冲击地压防治的。(下转第94页绿色镶嵌,提高生物多样性和改善人居环境,保证具有稳定的高生态性能;注重植被种类的选择和植被的生态适宜性,从生态规律出发,选择具有较强生存能力的植物类型,草、灌、林并举;重视农田防护林的建设,增加生态环境的异质性和稳定性,形成新的高效、和谐的人工自然生态。5结语阜新地区的生态环境复杂而脆弱,其北临沙地、气候干旱少雨、区内污染严重以及由于地下采动带来的地质灾害等,使得该区的生态环境破坏严重,如不从速有效治理,将直接紧逼重城沈阳和咽喉要道锦州。尽管已经在沉陷区治理、细河改造、土地沙化治理等方面作了大量工作,但生态的恢复是一项庞大的系统工程,需要全方

22、位参与。参考文献:1赵明鹏1阜新地区矿山地质灾害及其防治对策J.中国地质灾害与防治学报,2000(4.2杨文才1辽宁省地面塌陷类型、危害、成因与防治对策J.中国地质灾害与防治学报,1998(4.3赵明鹏,张震斌,周立岱1阜新矿区地面塌陷灾害对土地生产力的影响J.中国地质灾害与防治学报,2003(1.4付盈春,魏建勋,孙丽昕1阜新市环境空气污染特征及其变化趋势分析J.辽宁工程技术大学学报,2000(3. 5李英旭,武文波,杜明义1阜新地区土地荒漠化演变与生态建设J.辽宁城乡环境科技,2002(3.6杜明义,郭达志,武文波1基于RS和G IS的土地荒漠化时空演变规律及其生态景观重构策略J.水土保持

23、学报,2001(3.7王而力,赵金山,刘金刚1阜新地区沙化现状评估及发展趋J.辽宁城乡环境科技,2002(1.8包权1加快水土流失治理再造阜新秀美山川J.中国水土保持,1999(4.9薛强,梁冰,刘晓丽1辽宁省阜新地区地下水水质特征及污染防治措施J.中国地质灾害与防治学报,2003(3.10王而力1煤矸石中无机盐对地下水污染影响的试验研究J.辽宁城乡环境科技,1999(4.11郑国锋,曹群,文经纬1阜新市细河地下水资源可持续利用探讨J.辽宁工程技术大学学报,2003(3.作者简介:刘芮葭(1975-,男,辽宁阜新人,讲师,硕士,研究方向为管理科学与工程。Te:l139*,E-m ai:l li u ru iji a93331631co m收稿日期:2007-03-06;责任编辑:李军涛(上接第90页(3综放开采冲击危险性特厚煤层割煤高度既不能过大又不能过小,对于本文研究煤层条件割煤高度取215m左右比较合适,这与现场实践结论是基本一致的。(4支承压力集中程度仍然超过塑性区煤体强度极