【《煤层冲击地压影响因素分析案例》5100字】

煤层冲击地压影响因素分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u126煤层冲击地压影响因素分析案例 165411.1煤层开采深度 1124121.2断层活化 2130021.3褶曲构造 3200341.4巨厚岩浆岩 3280691.5相变 8284881.6孤岛工作面 9274951.7超深井开切眼 111.1煤层开采深度根据对我国冲击地压资料的调研分析，发生冲击地压的煤层单轴抗压强度一般为15～25MPa，回采工作面的应力集中系数取2，掘进工作面应力集中系数取1.5，煤层上方岩层的容重取25kN/m3，冲击地压发生的临界应力为煤层单轴抗压强度的1.5倍，则可反推回采工作面发生冲击地压的临界深度为450～750m，掘进工作面发生冲击地压的临界深度为600～1000m。若考虑地质因素及采矿条件对冲击地压的影响，回采或掘进工作面发生冲击地压的临界深度会降低，此时的深度为当量临界深度。若考虑地质因素或采矿条件导致的应力集中系数为1.5，则回采工作面发生冲击地压的当量临界深度为300～500m，掘进工作面发生冲击地压的当量临界深度为400～667m。可见，采掘空间发生冲击地压的当量临界深度小于临界深度。由于煤层沉积条件的差异性、采矿条件的多变性及地质构造分布的不均衡性，采用当量临界深度描述冲击地压与采掘深度之间的关系更有意义。当量采深是指根据采场围岩垂直应力与覆岩容重计算出的煤层开采深度，该深度通常大于煤层的实际开采深度。工作面受构造、侧向支承压力等影响，采场围岩中的垂直应力比自重应力大，相当于工作面的采深增大。如山东某矿1采区首采面（1301）及沿空面（1302）回采深度都约为800m，首采面回采过程中没有发生冲击地压，而沿空面回采过程中却发生了一次冲击地压（位置见图1.1），说明沿空面煤体中的垂直应力大于首采面煤体中的垂直应力。从图中可以看出，沿空面受到采空区侧向支承压力影响，煤体中的垂直应力大于自重应力。设受采空区侧向支承压力影响，沿空面煤体的应力集中系数为1.5，则沿空面的当量采深为1200m。1302工作面1302工作面1301采空区1302采空区冲击地压位置图1.1山东某矿“3.7”冲击地压事故位置山东某煤矿在回采3采区第一、二个条带工作面（3309、3305，见图1.1）时没有发生冲击地压，而在回采第三个条带工作面（3301）时发生1次严重的冲击地压事故，这三个条带工作面的回采深度都在950m左右。从图中可以看出，3301工作面受3309采空区、3305采空区及工作面前方断层、硐室群影响，工作面煤体中的垂直应力远远大于自重。设受上述因素影响工作面煤体的应力集中系数为1.6，则3301工作面的当量采深约为1520m。1.2断层活化断层活化是岩层运动的一种特殊形式，断层处岩层的不连续性导致断层本身的不稳定性，在高应力作用下，断层比完整岩层先行运动。如图3.4所示，随着工作面或掘进头的推进，其超前支承压力的影响范围不断向前发展，当到达断层影响区域后，断层本身构造应力与工作面超前支承压力叠加，使断层附近的支承压力增高，重新分布。断层与工作面中间位置为应力叠加高峰区，如果断层本身能够积聚能量，则叠加后的应力高峰区位置同样容易积聚较大能量。当满足冲击条件时，可能诱发冲击地压。1.3褶曲构造现场实践证明，采掘工作面接近向斜轴部或翼部时，发生冲击地压的可能性较大。煤矿常见的褶皱是岩层受纵弯作用形成的，即岩层在水平挤压载荷长期作用下产生的缓慢变形。褶皱形成后，各部位的受力状态有较大差异。向斜、背斜内弧的波谷和波峰部位呈现水平压应力集中，向斜、背斜外弧的波谷和波峰部位呈现拉应力集中，翼部呈现压应力集中。根据褶皱的形成机制，可将褶皱各部位的受力状态分为5个区（见图3.9）：Ⅰ区铅直方向受拉，水平方向受压，采掘工程布置在该区域时易发生片帮；Ⅱ区铅直方向受压，水平方向受拉，采掘工程布置在该区域时易发生冒顶和冲击地压；Ⅲ区水平、铅直方向均受压，采掘工程布置在该区域时易发生冲击地压；Ⅳ区的受力状态同Ⅱ区，Ⅴ区的受力状态同Ⅰ区；褶皱翼部受到强剪作用，采掘工程布置在该区域时还易发生剪切失稳。另外，由于褶皱是受水平挤压形成的，褶皱区岩体内部存有残余应力和弹性能；弹性能释放也是褶皱诱发冲击地压的重要原因。1.4巨厚岩浆岩王楼煤矿井田内有一橄榄辉长岩侵入体，呈岩床状侵入到上侏罗统蒙阴组，厚度由0.00～163.10m，平均101.46m，呈南薄北厚，西区比东区厚，在井田的东南部被第四系剥蚀，如图3.17所示。岩浆岩侵入于煤系上覆地层的上侏罗统蒙阴组中，层位稳定，下距上侏罗统底界131.60～253.68m，平均约180m。距3上煤层顶界196.68～336.80m，平均278.93m。随着巨厚岩浆岩下方3上煤层开采面积的增大，采空区面积也逐渐增大，上覆岩层由于失去支撑，不断逐层离层垮落，当覆岩离层垮落运动发展到巨厚岩浆岩所在层位后，如果巨厚岩浆岩达到了极限跨距，当自身强度不足以支撑本身自重和上覆岩层压力时，首先在两个支撑点上表面拉坏，然后在岩梁中部下表面拉坏后断裂，如图1.2所示。由于岩浆岩厚度、硬度较大，当断裂时有可能诱发矿震型冲击地压，如图1.3所示。岩浆岩岩浆岩图1.2王楼煤矿巨厚岩浆岩剖面图巨厚岩浆岩巨厚岩浆岩层面1面2面3面n垮落带离层（a）3上煤层上方巨厚岩浆岩断裂前状态面1面1面2面3面n垮落带（b）3上煤层上方巨厚岩浆岩断裂后状态图1.3巨厚岩浆岩断裂前后状态采空区n采空区n煤柱矿震后侧支承压力矿震前侧支承压力矿震采空区2采空区1煤柱图1.4巨厚岩浆岩断裂诱发冲击地压机理示意图应用材料力学知识对巨厚岩浆岩弯拉破坏过程进行力学分析：巨厚岩浆岩下方岩层离层后其受力状态如图1.5（a）所示（图中L段处于悬空状态），岩浆岩上表面均布上覆岩层自重应力，下表面悬空区域不受力，随着远离悬空区域，下表面所受支撑力逐渐增大，直到支撑力等于岩浆岩下表面所处区域原岩应力；岩浆岩两个端部嵌固；综合上述分析，巨厚岩浆岩断裂前为嵌固梁，受力复杂，处于超静定状态，无法得出精确解；巨厚岩浆岩端部拉断后演化为类简支梁，受力情况也比较复杂。为了得到巨厚岩浆岩的极限跨距，现从工程角度进行估算。将图1.5（a）中巨厚岩浆岩端部拉断前受力模型简化为上表面只受垂直应力的嵌固梁，如图3.20（b）所示；端部拉断后演化为上表面只受垂直应力的简支梁，如图1.5（c）所示。HHLq1=QUOTE1nmiγiq2=QUOTE1nmiγi+HγHq2=QUOTE1nmiγi+HγHMRRM(a)悬臂状态巨厚岩浆岩受力状态(b)嵌固状态（c）简支状态图3.20巨厚岩浆岩初次断裂力学分析根据材料力学知识，嵌固梁的极限跨度计算公式为：QUOTEMA=MB=112qL2+12mγL2=112γ简支梁的极限跨度计算公式为：QUOTEMA=MB=112qL2+12mγL2=112γ式中，q为巨厚岩浆岩上覆岩层自重应力，q=γh=15.6MPa（h取622m，h取25KN/m3），H为巨厚岩浆岩厚度，取104m；RT为巨厚岩浆岩抗拉强度，取7MPa；将参数分别代入式（4-2）、（4-3）计算得出巨厚岩浆岩嵌固状态下的极限跨度L1=99m，简支状态下的极限跨度L2=80m。巨厚岩浆岩发生断裂运动时推采工作面个数分析：根据覆岩空间结构理论，上覆岩层运动高度约为采空区倾向长度一半，则连续开采工作面宽度为558m（巨厚岩浆岩到煤层距离的2倍）时覆岩运动就会发展到巨厚岩浆岩而使其达到的极限跨距（80~99m），则巨厚岩浆岩发生断裂运动时推采工作面最大个数为：工作面采宽为150m时，为4个；工作面采宽为180m时，为3个；工作面采宽为240m时，为2个；工作面采矿300m是，为1个。由于地质条件复杂，巨厚岩浆岩距离3上煤层高度并不同一，厚度也不一致，具体连续采到第几个工作面时巨厚岩浆岩出现运动还需根据临场监测数据确定，上述仅为估算结果。实际工作面推采中一定要加强工作面前方煤体应力和地表岩移监测，时刻关注巨厚岩浆岩动向，以提前采取措施，防止发生冲击地压事故。结合王楼煤矿现场开采情况进行分析：12310孤岛工作面埋深889～916m，煤层厚度为1.3~4m，平均2.1m，倾角5～10°，煤层具有弱冲击倾向，单轴抗压强度12.32MPa；煤层直接顶为厚6m的铝土质泥岩，基本顶为厚50m的中砂岩；煤层上方300m为厚度135m的岩浆岩；直接底为厚3m的炭质泥岩，基本底为厚47m的细砂岩；巷道宽度5m，高度2.7m，采用锚网索梯刚性强支护；工作面西部为12312采空区，倾向长度135m，东部为12306和12304采空区，两个采空区倾向长度和为295m；12310工作面走向长平均为1061m，倾向长300m，如图3.21所示。由于采深较大，且为孤岛开采，当工作面推采323m时，面前3条巷道变形严重，巷帮鼓出超过0.5m，顶板锚杆拉断，顶板最大下沉可达1.4m，底鼓最大可达0.3m。12310孤岛工作面推采过程中的微震监测情况如图3.22所示，地表下沉情况如图3.23所示。结合图3.22~3.23中微震监测、地表岩移观测和工作面前方煤体应力监测结果，12310工作面开采后4个采空区的倾向长将增大到约730m，导致巨厚岩浆岩的运动，从而使得工作面前方应力集中程度增大，这是巷道产生大变形，甚至产生冲击危险的原因。12310孤岛12310孤岛工作面12312采空区12306采空区12304采空区图1.612310孤岛工作面平面图（a）微震事件平面显示4040-400-8080120160200240280320360距工作面距离/m12310工作面12312采空区12306采空区12304采空区巨厚岩浆岩（b）微震事件剖面投影显示图1.712310孤岛推采过程中的微震监测情况图1.812310孤岛中部监测点地表下沉曲线1.5相变煤层相变是指煤层厚度、硬度、煤质等发生变化。研究表明，煤层相变带是应力集中区，当采掘工作面接近相变带时，易发生煤炮、冲击地压等动力现象。沉积环境变化、构造运动是相变产生的主要原因。煤层发生相变后，周围岩体的应力状态也发生改变。图3.24所示为煤层与冲刷层交界处的应力分布情况。从图中可以看出，由于煤层硬度比冲刷层的硬度大，煤层中产生应力集中；当采掘工作面逐渐接近相变带时，采掘扰动应力与冲刷带形成的支承压力叠加，从而诱发冲击地压；煤层硬度、煤质变化诱发冲击地压的机理与之相同。褶皱、断层的形成通常伴有煤层厚度、倾角的变化。煤层厚度、倾角变化的力学机理是应力集中。根据地质力学的观点，煤层厚度变薄或倾角变大处往往是应力集中处。因此，当采掘工作面接近这些区域处，易产生应力叠加，有可能导致冲击地压的发生。1.6孤岛工作面随着孤岛的开采，孤岛一侧采空区面积继续增大，覆岩运动高度也继续增大，更高位覆岩重力向未开采孤岛转移，当第n个孤岛采毕后，第n+1孤岛上的应力分布演化为“拱形”，如图3.32（c）所示，此时该孤岛的应力集中程度达到了冲击地压发生的临界水平，从而导致该孤岛不可采，之后，放弃第n+1孤岛，从第n+2孤岛开始采，直至又采到不可采孤岛，依此循环，直至该区域可采孤岛采毕。孤岛孤岛1孤岛2孤岛n+1采空区1采空区2（a）孤岛开采前覆岩空间结构及孤岛应力分布孤岛2孤岛2采空区1采空区2采空区3孤岛n+1（b）孤岛1开采后覆岩空间结构及孤岛应力分布采空区采空区1采空区2采空区3孤岛n+1采空区4（c）孤岛n开采后覆岩空间结构及孤岛应力分布图1.9区域孤岛开采中覆岩空间结构演化及对应孤岛应力通过分析上述区域孤岛开采过程中的覆岩空间结构演化，可以看出，无论是可采孤岛，还是不可采孤岛，孤岛两侧采空区在达到充分采动之前上方覆岩空间结构都形成垮落带、离层带和未动带，该三带的发展程度决定了孤岛的应力集中程度，基于此建立孤岛应力分布的力学模型如图所示。从图中可以看出，垮落带对孤岛应力的影响主要为图中蓝色虚线内岩层组，该组内每层岩层重量的一半由孤岛承担，另一半由采空区矸石承担；离层带为脱离上方未动带的岩层组，该带内每层岩层一半的重量由孤岛承担，另一半由采空区另一侧的支撑体承担；未动带为未出现离层的岩层组，其对孤岛施加均匀应力且基本等于上覆岩层自重应力。已垮落岩层岩移线已垮落岩层岩移线触矸线离层带未动带欲垮落岩层岩移线孤岛孤岛采空区αβLHh1h2h4h3图1.10估算孤岛应力分布的力学模型以王楼煤矿12310应力孤岛工作面为例，采用上述方法对12310孤岛的冲击危险性进行分析：12310孤岛平均埋深903m，煤层倾角5～10°，厚度2.1m，具有冲击倾向，单轴抗压强度12.32MPa；煤层直接顶为厚6m的铝土质泥岩，基本顶为厚50m的中砂岩，煤层上方约300m为厚度135m的岩浆岩，除此之外无大厚度坚硬岩层；直接底为厚3m的炭质泥岩，基本底为厚47m的细砂岩；工作面西部为12312采空区，倾向长度135m，东部为12306和12304采空区，两个采空区倾向长度之和为295m；12310孤岛倾向长300m，如图1.11所示。1231212312采空区12310孤岛12306采空区胶带巷轨道巷中间巷12304采空区图1.1112310孤岛平面图根据12312、12306和12304采空区倾向尺寸，很明显看出12310孤岛两侧采空区宽度小于1.2~1.4倍的采深，因此处于非充分采动阶段。从图中可以看出，12310孤岛应力分布呈“马鞍形”分布，则该孤岛可采。目前虽然在推采过程中出现巷道变形、锚杆、锚索断裂、底鼓等矿压显现现象，但通过实