高瓦斯高含水期孤岛面开采煤与冲击地压耦合作用下的矿井动力灾害分析

高瓦斯高含水期孤岛面开采煤与冲击地压耦合作用下的矿井动力灾害分析

平山矿区的平坦部分主要由煤和砖瓦突出引起。然而，随着采矿深度的增加，围岩电压上升，影响矿山压的问题逐渐暴露，随着深度的增加，呈现出一种复杂的矿工动态破坏。在地压影响和煤炭影响之间的共同作用下，复杂的矿工动态破坏已成为平顶山矿区面临的主要安全风险。1工作面布置难点平顶山天安煤业股份有限公司八矿现开采的戊9.10煤层为突出煤层,煤层瓦斯压力1.7MPa,瓦斯含量18m3/t;煤层平均厚度4.5m,倾角平均10°;戊9.10煤层顶板为灰色砂质泥岩,上部为戊8煤层,与戊8煤层间距3.4m~8.8m。该区段共揭露断层13条,落差在0.4m~3.8m。即将开采的戊9.10-12160工作面埋深在610m~710m左右,新布置四条巷道,从上至下依次布置风巷、高位抽排巷、高位中间巷、机巷,其中风巷、机巷沿戊9.10煤层,高位抽排巷、高位中间巷沿戊8煤层。该工作面临近的戊9.10-12140和戊9.10-12180工作面都已采空,使得戊9.10-12160工作面为孤岛开采,应力集中程度高。工作面巷道布置如图1所示。鉴于该孤岛面存在高瓦斯、高地应力和多断层等诸多复杂地质条件,煤与瓦斯突出、冲击地压及二者耦合作用下的复杂矿井动力灾害成为掘进和回采的重大安全隐患。由于与戊9.10-12160工作面相邻的戊9.10-12180布置有沿戊8煤层的外错尾巷,长度943m,戊9.10-12160工作面机巷长度1148m,因此机巷由外向里943m巷道掘进期间可以利用该外错尾巷的卸压作用,减少冲击地压与突出事故的发生。为了能使戊9.10-12160工作面机巷处于外错尾巷的卸压范围内,它与外错尾巷的水平间距应尽可能小,但是,水平间距越小煤柱损失越大。因此,通过数值模拟找出机巷与外错尾巷的合理水平间距,既有利于巷道掘进安全,又能最大限度回收煤柱。2支护结构及模型计算数值模拟选用FLAC数值模拟软件,模拟对象为平煤集团八矿戊9.10-12160孤岛面机巷开挖情况,巷道一侧为实体煤,另一侧为采空区,其模型选取沿煤层走向为x轴方向,铅锤向上为y轴方向。在x轴方向上,采空区侧取50m,实体煤侧取90m。在y轴方向上顶板取28.5m,上边界加均布载荷,简化模型结构,底板取27.0m。巷道宽为4m,高3m。计算模型的尺寸为140m×60m,巷道围岩本构关系采用摩尔-库仑模型,计算模型运行8000步,模型处于平衡状态。模拟方案选用机巷与外错尾巷中线对中线水平间距4m、5m、6m和8m四个方案进行模拟,如图2。通过数值模拟得到如下结论:机巷与外错尾巷中对中水平间距为5m~8m时,机巷护巷煤柱应力高于原岩应力(数值模拟原岩应力为17.6MPa);水平间距为4m时,机巷处于外错尾巷的卸压区域,机巷护巷煤柱位于原岩应力以下。3最小能量wmin根据岩石力学公式,力学单位体积煤体积储的弹性能(应变能密度)为:式中:Em为单位体积煤体积储的弹性能,J;σ1为最大水平主应力,MPa;σ2为垂直主应力,MPa;σ3为最小水平主应力,MPa;μ为煤体的泊松比;E为煤体的弹性模量,GPa。发生冲击与突出的最小能量为:式中:En为煤体(瓦斯)释放的能量,即固体、气体或二者的复合能量,J;Wmin为煤体破坏的最小能量,J;Wmin=σc2/2E或Wmin=τc2/2G;σc为单轴抗压强度,MPa;τc为单轴抗剪强度,MPa;G为剪切模量,MPa。假设在煤体(瓦斯)能量作用下,破碎煤体的最低初始速度为vmin,则破碎煤体的最小动能为:式中:Umin为发生动力灾害的最小动能,J;ρ为破碎煤体的平均密度,kg/m3;vmin为破碎煤体的最低初始速度,m/s。机巷处于应力较低区域时,由于巷道周围煤体所受的垂直主应力σ2的降低,单位体积煤体积储的弹性能也将减少,如果Em<En,则冲击与突出不会发生。4巷道围岩瓦斯进出速率根据数值模拟结果,现场实际施工戊9.10-12160孤岛面机巷与外错尾巷中对中水平间距5m,掘进期间采用钻屑量和瓦斯涌出初速度法预测冲击地压和突出危险性,机巷外段943m(有卸压巷)共测试188次,超标3次,全部为瓦斯涌出初速度超标,最大值为qmax=7.92L/min,超标率占1.6%,此段巷道掘进只在预测超标段施工措施孔,掘进速度快;机巷外段205m(无卸压巷)共测试41次,超标7次,其中瓦斯涌出初速度超标2次,最大值为qmax=11.97L/min,钻屑量超标4次,最大值Smax=14kg/m,超标率占17.1%,此段巷道掘进不论超标与否直接施工措施孔,超标段加密钻孔,掘进速度较慢。5外错尾巷效果好通过以上数值模拟、理论分析和现场实践可以看出,在有戊9.10-12180外错尾巷的机巷外段,机巷与外错尾巷中对中水平间距5m,由于外错尾巷的卸压作用,原岩应力得到释放,地应力降低到原岩应力以下,同时,该区段戊9、10煤层卸压膨胀,瓦斯通过层间裂隙排放至外错尾巷,瓦斯压力梯度减小,降低了突出与冲击的危险性。因此,外错尾巷起到了能量释放的作用,防治冲击(下转第43页)地压和