近距离下保护层开采防冲机理及技术研究

摇 第 36 卷摇 增刊 1煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报Vol 36摇 Supp 1摇 摇 2011 年5 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMay摇2011摇 摇 摇 文章编号 0253 9993 2011 S1 0063 05 近距离下保护层开采防冲机理及技术研究 沈荣喜1 2 王恩元1 2 刘贞堂1 2 李忠辉1 2 1郾 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 江苏 徐州摇 221008 2郾 中国矿业大学 安全工程学院 江苏 徐州摇 221116 摘摇 要 针对七台河矿区某矿煤层群的地质赋存特点 研究了近距离下保护层开采防治冲击地压的 机理和技术 利用 FLAC3D软件 分析比较了下保护层开采和非保护层开采的工作面围岩应力应变 及塑性范围的分布规律及其差异 揭示了近距离下保护层开采的防冲机理 并讨论了下保护工作面 的合理布置 结果表明近距离下保护层开采能取得较好的防冲效果 近距离下保护层开采防冲的 机理是 下保护层开采降低了被保护工作面的应力峰值 使应力峰值位置向煤体深部转移 增大了 被保护工作面围岩的位移 有利于释放冲击弹性能 被保护工作面的围岩预先产生塑性变形 在掘 进 回采中不易再次发生塑性破坏 当被保护工作面布置合理时 能取得防冲和留巷的双重效果 关键词 下保护层 冲击地压 巷道布置 中图分类号 TD324郾 2摇 摇 摇 文献标志码 A 收稿日期 2010 05 07摇 摇 责任编辑 常摇 琛 摇 摇 基金项目 国际科技合作资助项目 2008DFB70100 煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放研究基金资助项目 SKLCRSM09X01 中央高 校基本科研业务费专项项资金资助项目 2010QNB01 摇 摇 作者简介 沈荣喜 1976 男 陕西宁强人 讲师 博士 Tel 0516 83884695 E mail shenrongxi 126郾 com Rockburst prevention mechanism and technique of close鄄distance lower protective seam mining SHEN Rong鄄xi1 2 WANG En鄄yuan1 2 LIU Zhen鄄tang1 2 LI Zhong鄄hui1 2 1郾 State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety China University of Mining and Technology Xuzhou摇 221008 China 2郾 Faculty of Safety Engi鄄 neering China University of Mining and Technology Xuzhou摇 221116 China Abstract According to the geological condition of coal seam group in Qitaihe mining area the rockburst prevention mechanism and technique of close鄄distance lower protective seam mining were studied First by the FLAC3Dsoftware the stress strain and plastic zone regularity of protective seam mining and non鄄protective seam mining was analyzed and compared Then the rockburst prevention mechanism of close鄄distance lower protective seam mining was revealed Finally the protective face layout was considered The results show the close鄄distance lower protective seam mining ef鄄 fective to prevent rock burst and the rockburst prevention mechanism contains to reduce the stress peak value to in鄄 crease the strain to avoid the new plastic zone When the layout of protective face is rational there can produce the two effects to prevent rock burst and to retain the existing roadway Key words lower protective seam rock burst roadway layout 摇 摇 保护层开采是防治煤与瓦斯突出的有效方法 也 是一种被广泛应用的区域性防突措施 1 随着冲击 地压灾害的频发及其严重危害 2 4 保护层开采方法 也逐渐用于冲击地压的防治 曹承平 5 研究了近距 离上保护层开采的瓦斯治理方法 提出在保护层设计 走向孔抽排上邻近层卸压瓦斯 马占国等 6 通过物 理模拟试验 研究了淮南某矿下保护煤层推进过程 中 采动覆岩运动规律和被保护煤层的瓦斯抽采防突 影响 指出下保护层开采后 上覆煤层将充分卸压 其 卸压瓦斯可大量抽采 朱月明等 7 通过相似模拟实 验和数值模拟方法 研究了急倾斜煤层开采保护层防 治冲击地压的可行性 为急倾斜煤层保护层开采防冲 技术提供了一定的依据 成云海等 8 采用微地震监 测技术 研究了强冲击煤层的解放层卸压效果 并指 煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报 2011 年第 36 卷 出 对圈定的冲击危险区域预先采用防治措施 可实 现安全开采 综合现有研究可知 保护层开采不仅有 较理想的防突效果 也具有明显的防冲作用 但已有 的保护层开采研究主要集中于防突 9 11 关于防冲的 又多为远距离的保护层防冲研究 近距离的保护层开 采防冲则少有研究 在保护层开采中 被保护层的回采巷道通常是在 保护层回采结束后才掘进的 这样有利于被保护层回 采巷道的稳定 在特殊情况下 被保护层的回采工作 面 回采巷道和切眼 已经布置好 由于冲击地压的 威胁不得不采用保护层开采方法时 一方面要考虑保 护层工作面的范围和回采巷道的具体位置 另一方面 还必须考虑被保护回采巷道的稳定和留设 以往的 保护层开采防冲不会同时考虑这两方面的问题 因 此 同时考虑这两方面无疑将使保护层开采防冲的技 术难度加大 随着开采深度的增加 越来越多的矿井 逐渐由浅部向深部过渡 浅部冲击危险性较小的煤层 进入深部后可能会呈现出冲击危险性增大的特点 在 此过程中 一些矿井将面临上述保护层开采防冲 已 掘巷道留设的双重考虑 因此 考虑保护层工作面的 范围及位置的同时 也考虑被保护回采巷道的稳定与 留设 不仅能安全回收煤炭资源 避免冲击地压事故 的发生 而且能利用被保护工作面的已有回采巷道 减少掘进工程量 黑龙江龙煤集团七台河精煤集团某矿一采区 85 煤厚 1 m 倾角 24毅 平均埋深约 700 m 87 煤厚 0郾 5 m 位于 85 煤的下方 层间距约 6郾 5 m 由于一 采区 85 煤右一片区在回采过程中发生多次冲击地 压 被迫停止回采 为解决 85 煤右一片区的冲击问 题 结合 87 煤层弱冲击危险的特点 提出先采 87 煤 层 再采 85 煤右一片区的近距离下保护层开采防冲 方案 为了解下保护层工作面 87 煤右一片区 开采 对被保护工作面 85 煤右一片区 的影响规律及保护 效果 下保护工作面的合理位置 被保护工作面已掘 巷道的变形稳定 采用 FLAC3D模拟软件 分析近距离 下保护层开采的防冲机理及技术 并研究下保护层工 作面与被保护层工作面之间的位置关系 1摇 数值模型的建立 所建三维模型长 180 m 宽 120 m 高 112 m 各 层煤岩体的单元划分如图 1 所示 材料模型为弹塑 性模型 强度准则为摩尔 库仑准则 主要煤岩层 为 85 煤采高1 m 上巷毗邻采空区 直接顶为4 m 厚 的粉细砂岩 基本顶为 8 m 厚的粗砂岩 87 煤采高 0郾 5 m 层间距 6郾 5 m 87 煤直接顶为细砂岩 底板为 2 m 的粉砂岩 岩层倾角 24毅 边界条件 模拟采深 700 m 模型上边界施加 11郾 75 MPa 的垂直应力 重力加速度取 10 m s2 底边 界竖向位移和速度为 0 左右 前后边界水平位移和 速度为 0 图 1摇 模型及块体划分 Fig郾 1摇 Simulation model and block dimension 为研究近距离下保护层开采的防冲机理及其效 果 提出两种模拟方案 方案 1 下保护层开采 即先采 87 煤 后采 85 煤 方案 2 非保护层开采 即不采 87 煤 直接开采 85 煤 分别计算和比较以上两方案在掘进 回采过程 中 回采巷道和工作面围岩的位移 应力 塑性范围的 变化规律及其差别 以揭示近距离下保护层开采的防 冲机理 并确定保护工作面和被保护工作面之间的合 理位置 2摇 模拟结果分析 2郾 1摇 掘进期间模拟结果分析 巷道开挖后 围岩的应力会发生调整并重新分 布 掘进期间 由于上巷 材料道 临近采空区 其围 岩中的应力明显高于下巷 运输道 围岩的应力 图 2 中虚线是掘进期间两方案的上巷下帮 实体煤侧 煤岩体的垂直应力比较曲线 图 2摇 上巷下帮围岩的垂直应力比较 Fig郾 2摇 Vertical stress comparison of the underside surrounding rock in upper roadway 由图 2 可看出 掘进期间两方案中的巷道围岩垂 46 增刊 1沈荣喜等 近距离下保护层开采防冲机理及技术研究 直应力分布规律相似 随着与巷道下帮距离的增加 围岩的垂直应力迅速增大至峰值 然后逐渐减小并趋 于稳定 两方案围岩应力分布的主要区别在于应力 峰值的位置和大小不同 下保护层开采 方案 1 中的 垂直应力峰值出现在距巷道下帮约8 m 的实体煤处 峰值约为 21郾 8 MPa 非保护层开采 方案 2 中的垂 直应力最大值出现在 6 m 处 峰值约为 28郾 9 MPa 与原岩应力相比 方案 1 中的应力集中系数约为 1郾 25 方案 2 中的应力集中系数为 1郾 65 即方案 1 中 的应力集中程度显著低于方案 2 中的应力集中程度 这说明保护层开采方法能够降低围岩的应力集中程 度 并使应力峰值向实体煤的深处转移 此外 比较两方案的位移和塑性范围可知 掘进 期间 方案 1 中巷道围岩的位移量略大于方案 2 的位 移量 方案 1 没出现新的塑性区域 而方案 2 在巷道 附近的区域出现了塑性区域 这表明经历了下保护 层开采后的巷道围岩的变形量较大 能够释放较多的 弹性能 由以上分析可看出 掘进期间 下保护层开采能 够降低回采巷道的应力集中程度 增大巷道围岩的位 移 避免出现新的塑性区域 从而预防冲击地压的发 生 2郾 2摇 回采期间模拟结果分析 由于回采期间采动的剧烈影响 与掘进期间相 比 85 煤右一片区回采期间围岩的应力 变形及塑性 范围都发生了显著的改变 图 2 中实线为回采期间上巷围岩的垂直应力分 布曲线 由图可知 回采期间上巷围岩的垂直应力分 布规律与掘进期间相似 但应力的峰值有了较大的增 长 并且应力峰值的位置会向远离巷道的实体煤深处 转移 下保护层开采 方案 1 中的垂直应力峰值出 现在距 巷 道 下 帮 约 11 m 的 实 体 煤 处 峰 值 为 30郾 5 MPa 应力集中系数为 1郾 74 非保护层开采 方 案 2 中的峰值出现在巷道下帮 7 m 的煤体处 峰值 约为 43郾 8 MPa 应力集中系数为 2郾 5 比较两方案可 知 方案 1 中应力峰值仅为方案 2 应力峰值的 69郾 6 并且峰值的位置距离材料道下帮更远 即下 保护层开采使被保护工作面及其回采巷道都处于不 利于冲击地压发生的应力状态 巷道围岩的位移量在回采期间有了显著的增长 方案 1 中巷道围岩的位移量为方案 2 位移量的 1郾 2 倍 这表明方案 1 中的回采巷道经过了下保护层采动 后 围岩结构发生了变化和调整 能够释放较多的弹 性变形能 不利于弹性能的积聚 此外 在回采期间 工作面周围的煤岩体由于受 采动的剧烈影响 部分煤岩体将发生塑性变形 一般 来说 塑性范围越大 围岩越不稳定 发生冲击地压的 可能性越大 比较两方案回采期间的塑性范围可知 方案 1 中的围岩由于在保护层开采过程中已经发生 了塑性变形 回采期间只有小范围的围岩发生了新的 塑性变形 而方案 2 中尽管工作面中部有结构较完整 的弹性区 但其它大部分范围的围岩在回采过程中逐 渐发生了塑性变形 这表明下保护层开采方案在回 采期间发生冲击地压的可能性较小 根据两方案掘进和回采期间围岩的应力 位移和 塑性范围的比较和分析可知 下保护层开采能够使被 保护工作面及巷道围岩的应力峰值显著减小 并使应 力峰值的位置 应力集中区 远离巷道 由于下保护 层的采动 被保护工作面的围岩发生了较大的变形 释放了弹性能 经过下保护层开采的影响后 被保护 工作面及巷道围岩在回采中不易再次发生塑性破坏 从而防止冲击地压的发生 3摇 保护层巷道的布置 在下保护工作面 87 煤右一片区 回采后 只有 下保护层回采巷道与被保护层回采巷道的空间位置 满足一定的关系 如图 3 所示 才能使被保护工作面 85 煤右一片区 完全处于卸压区域内 否则 由于 巷道空间位置的不合理 被保护层的回采巷道会处于 下保护层巷道的支承压力峰值区内 不仅难以维护巷 道的稳定 还会加剧冲击地压的发生 图 3摇 下保护工作面采后的卸压图 Fig郾 3摇 Plastic zone of protective face after mining 为提高被保护工作面的防冲效果 被保护工作面 应布置在下保护工作面的保护范围 卸压范围 内 即被保护工作面的上 下巷应分别位于下保护层工作 面上 下巷的内侧 当被保护工作面和下保护层工作 面的回采巷道之间的水平距离满足一定关系时 不仅 能够保证被保护工作面完全处于卸压区域内 还能保 证被保护工作面内已掘出的巷道位于下保护层工作 面的弯曲下沉带内 使巷道围岩发生较均匀的整体下 沉 利于原有巷道的保留 根据计算结果 如图 4 所 56 煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报 2011 年第 36 卷 示 87 煤右一片区 下保护层工作面 上巷与 85 煤右 一片区 被保护工作面 上巷之间的水平间距 S2应大 于 9 m 对应的上山卸压角 啄 约为 40毅 下巷间的水 平间距 S1应大于 7 m 对应的下山卸压角 茁 约为 55毅 可使被保护工作面取得较理想的防冲效果 87 煤采高 0郾 5 m 其垮落带高度约为 3 5 m 85 煤距离 87 煤约 6郾 5 m 故而在 87 煤右一片区回采过 程中 85 煤右一片区基本位于 87 煤右一片区的裂隙 带和弯曲下沉带 因此 只要预先对 85 煤右一片区 的原有回采巷道采取一些必要的加强支护措施 就能 使原有巷道经受 87 煤右一片区的回采并保留下来 以备 85 煤右一片区回采时使用 图 4摇 保护层和被保护层巷道的位置关系 Fig郾 4摇 Position relation of the protective and the protected roadway 由于一采区 85 煤右一片区的回采巷道和终采线 位置已经确定 故而下保护层工作面 87 煤右一片 区 的设计和布置 要参照 85 煤回采巷道 终采线的 位置而确定 使整个 85 煤右一片区都处于 87 煤右一 片区的塑性区内 以确保 85 煤右一片区的卸压效果 从安全出发 尽管 87 煤为弱冲击倾向 但在其掘进 回采过程中 也应采取一些防冲措施 例如煤层注水 等 此外 在 87 煤右一片区 下保护工作面 的掘进 回采期间 可封闭 85 煤右一片区 待 87 煤右一片区 回采结束且采空区基本稳定后 再对 85 煤右一片区 的回采巷道进行维修 如此布置的优点 淤 利用 85 煤右一片区已有的巷道 可减少回采巷道的掘进工作 量 于使 85 煤右一片区的弹性能得到释放 降低 85 煤右一片区回采期间发生冲击的概率或等级 4摇 结摇 摇 论 1 近距离下保护层开采防冲的机理是围岩应 力峰值 位移 塑性范围 3 因素的综合作用结果 下保 护层的开采使被保护工作面及其巷道围岩的应力峰 值显著减小 并使应力峰值的位置远离工作面和巷道 表面 由于保护层的采动 被保护工作面的围岩发生 了较大的位移 从而能够尽可能多的释放岩体内部的 弹性能 下保护层的开采使上部被保护层的煤岩体结 构发生变化 预先产生了塑性区域 在后期的掘进 回 采过程中不易再次发生塑性破坏 从而避免了冲击弹 性能的积聚 2 与掘进期间相比 近距离下保护层开采防冲 的作用在回采期间更加明显 经过保护层的开采 被 保护工作面的应力峰值可降低约 30 且应力峰值 的位置向煤体的深处转移 被保护工作面的煤体在回 采过程中基本没有出现新的塑性区域 3 保护层工作面的位置对保护效果有直接的 影响 为保证保护效果 被保护工作面应处于保护工 作面的卸压区内 85 煤下保护层的上山卸压角约为 40毅 下山卸压角约为 55毅 当保护工作面和被保护工 作面的空间位置关系合理时 能使被保护工作面达到 防冲 已掘回采巷道易于保留的双重目的 参考文献 1 摇 邵景忠 区域性防治瓦斯突出措施 解放层的分类 作用原 理及应用 J 煤炭技术 2008 27 6 91 92 Shao Jingzhong Measures of regional prevention and cure gas out鄄 burst classify function and application of releasing coal seam J Coal Technology 2008 27 6 91 92 2 摇 窦林名 何学秋 煤矿冲击矿压的分级预测研究 J 中国矿业 大学学报 2007 36 6 717 722 Dou Linming He Xueqiu Technique of classification forecasting rock burst in coal mines J Journal of China University of Mining Technology 2007 36 6 717 722 3 摇 何学秋 聂百胜 王恩元 等 矿井煤岩动力灾害电磁辐射预警 技术 J 煤炭学报 2007 32 1 56 59 He Xueqiu Nie Baisheng Wang Enyuan et al Electromagnetic emission forecasting technology of coal or rock dynamic disasters in mine J Journal of China Coal Society 2007 32 1 56 59 4 摇 王恩元 刘晓斐 冲击地压电磁辐射连续监测预警软件系统 J 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 2009 28 1 17 20 Wang Enyuan Liu Xiaofei Continuous monitoring and warning soft鄄 ware system of electromagnetic radiation for rock burst J Journal of Liaoning Technical University Natural Science 2009 28 1 17 20 5 摇 曹承平 近距离上保护层开采的实践 J 煤炭科学技术 2006 34 4 33 35 Cao Chengping Practices in coal mining under top protection strata with closed distance J Coal Science and Technology 2006 34 4 33 35 6 摇 马占国 涂摇敏 马继刚 等 远距离下保护层开采煤岩体变形 特征 J 采矿与安全工程学报 2008 25 3 253 257 Ma Zhanguo Tu Min Ma Jigang et al Rock mass deformation char鄄 acteristics for coal mining at remote lower protective seam J Jour鄄 nal of Mining Safety Engineering 2008 25 3 253 257 7 摇 朱月明 张玉林 潘一山 急倾斜冲击地压防治的可行性研究 J 辽宁工程技术大学学报 2003 22 3 332 333 Zhu Yueming Zhang Yulin Pan Yishan Feasible research on pre鄄 vention of rock鄄burst in dip鄄slopping coal seam J Journal of Liaon鄄 66 增刊 1沈荣喜等 近距离下保护层开采防冲机理及技术研究 ing Technical University Natural Science 2003 22 3 332 333 8 摇 成云海 姜福兴 张兴