利用煤层中缺陷体防治冲击地压

煤炭工程　２０１０年第１期　利用煤层中缺陷体防治冲击地压　田志超　，刘业娇　，王传朋。　（１．内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，内蒙古包头０１４０１０；　２．内蒙古科技大学资源与安全工程学院，内蒙古包头０１４０１０；　３．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京１０００１３）　摘要：以开滦集团赵各庄煤矿３１３７工作面的回采为背景，采用理论研究的分析方法，确　定煤柱回采的危险区域，利用缺陷体的破坏作用降低煤柱的应力，使得３１３７工作面得以安全回　收，同时也为解决复杂厚煤层煤柱的安全回采提供了新的方法。　关键词：卸压巷；应力极限平衡；地质缺陷体；冲击地压　中图分类号：ＴＤ３２４　．２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—０９５９（２０１０）Ｏ１－００７２－０３　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｆｅｃｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　ｓｅａｍ　ｔｏ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｂｕｍｐｉｎｇ　ＴＩＡＮ　Ｚｈｉ—ｃｈａｏ　，ＬＩＵ　Ｙｅ—ｊｉａｏ　，ＷＡＮＧ　Ｃｈｕａｎ—ｐｅｎｇ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ　０１４０１０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ　０１４０１０，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｔｉａｎｄｉ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ　Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００１３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　３１３７　ｃｏａｌ　ｍｉｎｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｉｎ　Ｚｈａｏｇｅｚｈｕａｎｇ　Ｍｉｎｅ　ｏｆ　Ｋａｉｌｕａｎ　Ｇｒｏｕｐ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｓｔｕｄｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｅ　ｔｈｅ　ｄａｎｇｅｒｏｕｓ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｐｉｌｌａｒ　ｍｉｎｉｎｇ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｆｅｃｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｐｉｌｌａｒｓ，ｔｈｅ　３１３７　ｃｏａｌ　ｍｉｎｉｎｇ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｓａｆｅ　ｔｏ　ｒｅｃｏｖｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｐｉｌｌａｒｓ．　Ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｆｅｃｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｍｉｎｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｐｉｌｌａｒｓ　ｉｎ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｔｈｉｃｋ　ｓｅａｍ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒｅｌｅａｓｅｄ　ｇａｔｅｗａｙ；ｓｔｒｅｓｓ　ｌｉｍｉｔ　ｂａｌａｎｃｅ；ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄｅｆｅｃｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｂｕｍｐｉｎｇ　地质体中常存在地质缺陷体，对采掘安全构成威胁，　赵各庄矿３１３７综放工作面位于１３水平西翼１石门ｌ２　同时规模大的采掘又会改变自然地质环境，可能引起一些　煤层。上至西中面回风道，下至西中面运输巷，西至３１３７　地质缺陷体的恶化，对采掘的运行带来较大的影响。在实　西中面边眼，以西无采掘工程，上覆９煤层尚未开采。该　际采掘工程中，对高应力煤柱的冲击地压防治处于探索阶　工作面地质构造较复杂，该工作面上山位于矿井西翼宽缓　段，而煤体的变形破坏与裂纹的发育过程密切相关，缺陷　向斜核部，受其影响构造应力集中，煤层及顶板裂隙发育、　体从宏观看是岩体裂纹的起裂和扩展，可以利用缺陷体的　破碎、易抽冒。上山附近顶板起伏较大，已见断层有１Ｏ条。　破坏对冲击地压的防治进行探索研究。　１．２缺陷体破坏力学判据　开滦集团赵各庄煤矿３１３７工作面处于向斜轴部，同时　缺陷体是煤柱的破坏发展造成的，所以研究缺陷体的　又为了减少煤炭资源的浪费，下层煤的开采需要越过原来　破坏力学判据就是研究煤柱的破坏力学判据。建立具体煤　顶分层的停采线，由于采用放顶煤开采，必然对原来顶分　层条件下的力学模型（构造区域），结合煤层结构特征，通　层开采形成的应力分布起到扰动作用，所以可以利用缺陷　过模型计算与分析，获得了放顶煤开采的底煤发生曲屈破　体对顶分层开采造成的高应力煤柱进行卸压，使得煤柱得　坏的条件。　以安全回收。　顶煤上方为采空区，下方为放煤巷道，顶煤同时受到　１缺陷体的破坏机理分析　两处支承压力作用，形成两个应力极限平衡区，其形成的　支承压力分布如图１所示。　１．１　工作面概况　放煤巷道开掘后，巷道周边的围岩应力重新分布，两　收稿１５ｔ期：２００９—０６—２４　作者简介：田志超（１９８１一），男，山东德州人，毕业于山东科技大学，现从事煤矿冲击地压控制以及矿山压力研究。　７２　２０１０年第１期　煤炭工程　解式（７）可得　Ｘ１：乏　Ｍ　Ａ妒。－ｉｎ［（　！－ｏ　．＋ＫＴＨｃ。ｓ　）／　／２ｃ０一Ｍｙｏｓｉｎｃ￣Ｐ　、１＼—　川　　式中圈１　工作面停采线后方支承压力分布　Ｍ——工作面煤壁的面积；　Ｐ　方向上的表面力。　理论和实践证明，当煤体所处的原岩应力状态不发生　改变时，其内部结构不会发生任何变化。而在集中应力的　侧煤体首先遭到破坏，并且逐步向深部发展，直到弹性区　边界。由于煤体在集中应力作用下，向巷道内发生位移，　并形成应力极限平衡区，根据上述分析煤层界面附近某个　邻域内煤体应力满足平衡微分方程，即：　［０ｏ－￣＋　＋Ｘ：０　Ｊ删　Ｏｙ　（】）　Ｉ‘ｄ　　＋Ｏ＿ｃ．＿ｒｚｙ＋Ｙ：０　根据数理方程　，可设　：／（　）ｇ（Ｙ）＋曰，并代入式　（１）得：　ｔａｎ一　＋Ｆ　（２）　其中，为体积力，为煤层的比重，Ｂ为常数，　运用数　理方程可求得　）和ｇ（　）通解，即：　，（　）＝Ｂｌｅｔ　。　１　ｇ（　）＝Ｂ１Ｂ２ｅ　…’　Ｊ　（３）　则　Ｏ＂ｙ　：　Ｂ１Ｂ２ｅ　（　ｓａｈ石　Ｂｘ　ｅ＋Ｂ　（４）２　式中曰。，Ｂ　——常数；　妒。——岩层间的摩擦角。　根据煤层顶底板之间的关系，确定合理的边界条件。　由于煤层顶底板之间的正应力和剪应力满足应力极限平衡　方程，且有边界条件　＝　，处有：　ｆ　…－＝脚肌…　（５）　Ｌ　＝Ａ［ｏｒ　］…　＝ＡＫｙＨｃｏｓｏｔ　式中Ａ——侧压系数；　月——为煤层厚度；　——煤层倾角；　——常数；　——煤的比重。　另外由于在煤层边界上，Ｙ＝Ｍ／２，设Ｂ。＝　Ｂ　：ｅ——　一（Ｂ－ｙｅｏｓ￣）Ｍ　，并代人式（４）得：　ｒ　ｒ＝Ｂ０＋Ｂ２　ｉ　＿－ｆ（即　＋　ｃ０］　’　取整个极限平衡区的煤体为研究对象，由方向的平衡　条件得：　［　ｙ］…ｌ＋２ｌ　ｒ　ｄｘ—ｐ　Ｍ　ＴｘｌＭｓｉｎｏ￣＝０（７）　作用下使其处于应力极限平衡，随着煤体内微裂隙的发展　而呈现塑性状态的变化。煤柱破坏失稳之前，会沿着煤柱　内的某一有利于变形失稳的弱面（节理、裂隙）产生一定量　的滑移，否则不会出现这种形式的破坏失稳。根据有关力　学理论分析，煤柱的破坏主要是能量控制型破坏，且煤柱　作为一个统一的系统，其系统的总势能函数由于周围煤体　的不断变化而发生变化。处于倾斜状态的煤柱破坏失稳过　程是比较典型的偏离平衡态的非线性过程，适合于用非线　性理论方法进行研究，但是对于该理论建立的力学模型，　揭示煤柱破坏失稳机理、分析煤柱的稳定以及对该条件下　煤柱破坏发生冲击地压还需要进一步研究。　１．３上山煤柱危险性分析　缺陷体破坏形式复杂，与煤层的赋存条件、力学性质、　开采深度、瓦斯等因素有关，加上矿山压力作用以及受周　围采场环境的影响，３１３７工作面上山煤柱破坏更加复杂，　同时根据应力分析，确定危险区域，并对其冲击危险性进　行分析。　支承压力的高应力区域是冲击地压的危险区域，考虑　到３１３７工作面局部为孤岛煤柱，放顶煤开采的侧向支承压　力的外应力场波及范围较大，类比相似条件下的实测结果，　侧向支承压力的影响区域定为煤壁前方１０．０～３８．０ｍ；　３１３７工作面开采后在推进方向的支承压力明显影响区域可　确定为１０．０～４５ｍ；３１３７工作面顶分层停采线到煤柱区域　的支承压力明显影响区域可确定为煤壁前方８．０～３８．０ｍ。　回采煤柱时，南于采用放顶煤开采，必然对原来顶分　层开采形成的应力分布起到扰动作用，并加大集中应力场　的范围，在支承压力的明显影响范围内会积聚高能量的变　形能，有可能在顺槽内发生冲击地压。　１．４冲击地压危险性评价　最危险区域为原始停采线与新开采工作面煤壁重合的　状态，图２为板分层开采的顶板运动形态，出现第一岩梁，　上部岩层未出现周期断裂；图３为放顶煤开采的顶板运动　形态，出现高位岩梁，上部岩层出现周期断裂现象；图４　为停采线位置的顶板运动形态，出现应力的扰动，上部岩　层出现周期断裂现象。　３１３７工作面上山煤柱在开采前的应力状态下，轨道顺　槽布置在已采工作面的卸压区内，能有效避免破坏性冲击　地压的发生；运输顺槽在上山煤柱区域正处于工作面的侧　向支承压力的影响区内，煤柱回受期间，对顺槽进行预先　７３　煤炭工程　２０１０年第１期　从实测结果来看，自采空区至实体煤１８ｍ范围内，垂　直应力随距离的增大而增大，相对应力峰值为９．５ＭＰａ，而　后垂直应力随距采空区的距离增大而逐渐减少，距采空区　５０ｍ的相对应力为４ＭＰａ，且处于相对稳定状态，应力分布　图２板分层开采顶板运动形态　：　：－：　：　：　图３放顶煤开采顶板运动形态　图４放顶煤开采停采线位置顶板运动形态　卸压、动态监测和有效解危措施，能有效避免破坏性冲击　地压。　２实测结果分析　冲击地压发生的最危险区域为原始停采线与新开采工　作面煤壁重叠的区域，工作面开采进入煤柱前，对上山东　帮（靠近３１３７西中面一分层始采线侧）采取深孔卸压技术，　孔深达到２０ｍ，能有效降低高应力的集中程度，同时对顺　槽进行预先卸压、动态监测和有效解危措施，能够避免大　的冲击地压。但是由于采高比较大，需要人为采取大空间　卸压技术，即利用缺陷体对应力高的煤柱进行卸压。因此　在３１３７工作面跨上山的煤帮上面进行大空间卸压，即掘进　卸压巷道，同时结合应力计进行观测。　７４　如图５所示。　ｌ０．００　８．００　／　＼　／　＼　至６．Ｏ０　／　＼　／　＼　４．００　／　＼　惜『２＿０ｏ　ｌ　｜　—、√——钻孔应力　０．Ｏ０　０．０Ｏ　１　０．ＯＯ　２Ｏ．００　３０．００　４０．０Ｏ　５Ｏ．Ｏ０　６０．Ｏ０　距采空区的距离，ｍ　图５钻子Ｌ应力分布图　该综放面回风巷由于受原采空区的影响在千米水平开　采时水平构造应力远大于自重应力，原岩应力值远大于巷　道围岩强度值，巷道将不可避免地要遭受破坏并表现为大　变形强流变和严重底鼓。　３结论　基于现有研究成果的基础上，利用微分方程以及力学　有关理论，研究缺陷体在防治冲击地压方面的作用。利用　缺陷体的破坏作用，对构造区域应力和上山煤柱的危险性　进行分析，确定合理的危险区域，进而通过人为制造大的　缺陷体，即掘进卸压巷，利用卸压巷的破坏作用，降低煤　柱的应力，控制冲击地压的发生，达到对煤柱的安全回采。　实践应用结果表明，理论研究成果与现场具有较好的　一致性，对现场的实践工作起到了良好的指导作用，利用　缺陷体来防治冲击地压是一种创新。　参考文献：　［１］　车向凯，谢彦红，缪淑贤．数理方程［Ｍ　Ｊ．北京：高等教　育出版社，２００６．　［２］　潘立友，王彦伦，王春秋，等．采场支架围岩关系及应用　［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社，２ｏｏ８．　［３］　王卫军，侯朝炯，熊仁钦．急倾斜煤层放顶煤分段高度的合理　确定［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２１３０１，２ｏ（３）：３５５—３５８．　［４］　逄焕东，姜福兴，张兴民．剪应力在缺陷体声发射过程中的　应用［Ｊ］．岩石工程学报，２００４，２６（６）：３１６—３２０．　［５］　谭云亮，李芳成，等．冲击地压声发射前兆模式初步研究　［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２Ｏ０ｏ，１９（４）：４２５￣４２８．　［６］　王旭春，黄福昌，张怀新，等．Ａ．Ｈ．威尔逊煤柱设计公　式探讨及改进［Ｊ］．煤炭学报，２００２，２７（６）：６ｏ４—６０８．　（责任编辑李泽荃）