无煤柱沿空留巷围岩稳定性分析

无煤柱沿空留巷围岩稳定性分析

0冲击侧向围岩防冲机理本文以华丰煤矿1410工作面和运输主干道为工程背景，研究了华丰煤矿不同楼层沿拱无矿柱开采技术，并对影响方向上的围岩防冲机理进行了研究。现场实践表明,采用沿空留巷的无煤柱开采技术,加之打卸压孔等控制手段,可使应力峰值向深部转移,实现对冲击倾向性围岩沿空巷道稳定性的有效控制,巷道掘进和回采期间变形量小,无冲击地压事故发生,满足生产要求。1平巷、下平巷生长状况华丰煤矿1410工作面长160m,1411工作面长143m,1410工作面上平巷标高在-830m,下平巷标高在-920m,埋深940~1030m,1411工作面上平巷标高在-920m,下平巷标高在-1010m,埋深1040~1130m,煤厚度为5.8~6.4m,平均厚为6.3m,平均倾角32°,硬度系数f=1.5~2.5,孔隙率4.38%,单向抗压强度10.8~25.5MPa,直接顶为粉砂岩,平均厚度2.7m,基本顶为中砂岩,平均厚度9.2m,厚层状,层理发育,直接底为粉砂岩,平均厚度2.1m。在工作面东部600m范围内有3个100m×160m的顶板砂岩富水区,依据1409工作面的开采情况,此阶段顶板淋水会明显增大,具体巷道布置方案如图1所示。2工作面压砌与上覆压力传递特性根据1410的地质资料计算充填系数N,直接顶厚度h=6m,煤厚为6.8m,得N=h/7=0.88,说明1410工作面未填满,同时,直接顶上方为坚硬岩层,形成咬合较稳定的承载结构,结合质量三因子理论和矿压理论,可知老顶会形成岩梁结构,老顶上覆压力主要由煤壁上方老顶和采空区的老顶承载,最终传递到煤壁和采空区上,由此确定结构如图2所示。此结构以1410工作面运输顺槽为支点旋转和下沉,1410巷道附近煤体压酥破碎,1410工作面运输顺槽及围岩承受的老顶压力和冲击压力一部分传递到采空区,一部分向下传递到1411工作面回风顺槽,1411工作面回风顺槽为煤岩巷道,西侧帮部为煤体,在本工作面开采过程中,受到本工作面超前支承压力和上一工作面侧向支承压力的扰动,极易造成煤岩体内应力突变,巷道压垮甚至发生冲击破坏。而采用无煤柱防治冲击地压的方案,1411工作面回风顺槽上方的破碎松软煤体和1410工作面运输顺槽作为软弱夹层,将应力重新分布并转移至1410采空区,在有冲击的情况下,冲击波在经过1410工作面运输顺槽及其围岩和底板煤层的吸收、缓冲和转移作用,将应力和能量释放到1410工作面采空区。3影响轴向岩的无柱开采和围岩控制技术的适用原理3.1冲击地压防治对策无煤柱开采技术一直是矿山动力灾害领域研究的重点之一,其根本原因是完全消除或者减小了发生冲击地压的主体(煤柱),同时降低具有冲击性或者具备冲击条件的巷道围岩体内部应力集中状况,在围岩应力达到煤岩体承载极限之前将其能量释放,因此,防治冲击地压的思路主要有降低巷道围岩体内部应力集中状况,提高围岩及其支护体的能量承载极限等。本文结合华丰煤矿实践情况,提出了在无煤柱护巷的基础上,同时采取煤层超前注水卸压防冲、危险区爆破卸压防冲和提高围岩及其支护体的抗冲强度等防范措施,共同降低1411工作面及其回风顺槽围岩采动过程中发生冲击地压危险的可能性。3.2围岩防冲技术(1)煤体的物理化学性质煤层超前注水就是在工作面前方一定位置打一定数量的钻孔,通过水的作用使煤体的物理化学性质等发生改变,破坏煤体的整体性。依据华丰煤矿实际情况,确定孔深42m,孔距20m,注水孔角度与煤层倾角相同,孔口距离底板0.3m,每个钻孔的注水量Q=169m3,注水示意图见图3。(2)爆破卸压范围确定危险区爆破卸压开采就是在冲击地压可能发生的危险区域,采取爆破卸压的方法,切断煤岩体前后的联系,破坏岩层整体性,同时,使煤岩体内部产生大量的裂隙,使应力重新分布,向深部转移。炮孔的间距决定了卸压效果的好坏。根据危险区爆破卸压破碎区和裂隙区相关参数公式,确定爆破卸压的范围,可根据危险区爆破卸压破碎区和裂隙区相关参数公式计算。断顶、断底爆破使倾向支承压力高峰位置向煤体深部转移,降低了冲击地压发生的可能性和危险性;沿走向形成了一个弱面,使得煤岩体超前断裂,降低巷道围岩应力,特别是降低了倾向支承压力对巷道围岩的作用。4里氏0.5级以上矿震分布华丰煤矿4#煤层属于严重冲击地压倾向煤层,采用BMS微震监测系统对1411上平巷进行监测,检测结果如图4、图5所示。通过对比1411上平巷有煤柱支护和现有支护段掘进工作面掘进过程中发生冲击地压的情况及里氏0.5级以上矿震分布情况,可以看出,在原支护段条件下,1411上平巷掘进过程中发生的里氏0.5级以上的矿震9次,其中里氏0.6、0.8、1.1、1.3、1.6级各1次,里氏0.9、1.8级各2次,释放能量为7.98×106J,多发生在上平巷围岩的深部,未诱发破坏性冲击地压。在改进支护条件下,1411掘进过程中只发生1次里氏0.8级矿震,释放能量为3.26×105J,都发生在上平巷围岩的深部,没有诱发破坏性冲击地压。因此,华丰煤矿通过开采上、下解放层,把1411上平巷布置在1410采空区正下方地应力卸压区域内掘进,里氏0.8级以上矿震减少了87%,释放能量减少96%。5覆岩空间结构参数分析及工程实践效果(1)依据工程实践和理论分析确定在1411工作面直接顶与垮落矸石形成“岩-矸”结构特征,侧向老顶形成“岩-梁”结构特征;通过质量三因子理论和矿压理论,确定覆岩空间结构力学模型;(2)通过数值分析模拟,研究了工作面侧向支承压力分布特征,从峰值区域大小和塑性区的角度分析有煤柱和无煤柱支护下煤体冲击倾向性