段高对坚硬煤岩体能量影响分析

7段高对坚硬煤岩体能量影响分析采段高在煤层倾角较大、特厚、开采方式特殊和地质条件复杂的制约下急倾斜煤岩体容易失稳诱发冲击地压对巷道和工作面有较大破坏性危及煤矿安全生产和职工安全1文中以乌东煤矿北采区+575水平43#煤层为研究对象通过数值计算和理论分析确定开采段高为乌东煤矿北采区绿色安全、科学、高效开采提供理论依据开也为我国类似矿井的安全开采提供技术1矿井及工作面概况新疆乌东煤矿矿井设计生产能力为6.0Mt/a设计服务年限为78.7a用北采区+575水平43#煤层西翼工作面长度672m可采长度540m开工作面平均宽度33m机采3.0m放顶煤22m采放比1:7.1#工作面东部为掘进工作面开南部为煤层顶板北部为煤层底板上部为+600水平西翼工作面的采空区经鉴定：43#煤层动态破坏时间平均值为164ms冲击能量指数平均值为2.75弹性能量指数平均值为3.74单轴抗压强度平均值为13.81MPa顶底板岩层弯曲能量指数平均值分别为47.73kJ、46.30kJ开综合判断认为43#煤层及其顶底板均具有弱冲击倾向性2数值计算模型的设计与构建根据乌东煤矿北采区现场地质调研收集的资料建立FLAC³数值计算模型(图1)用模型尺寸为长600m、宽96m、高350m并构建至地表用模型共划分网格581880个、节点602070个开按照乌东煤矿北采区开采顺序对模型开挖用为限制模型在水平方向上的位移开施加约束力于模型两侧达到固定边界的效果垂直方向不做限制模型底部对水平和垂直方向上的位移进行限制用运用FLAC³D空单元对模型各水平工作面进行开挖#在采取不同段高对+575水平43#煤层工作面进行开挖完成后州调取模型应力场和能量场并对其分布特征及演化规律加以分析确定开3煤岩体弹性能演化理论分析国内外专家学者对冲击地压能量理论研究进行总结得出：煤岩体中积聚的弹性能是冲击地压发生所需能量的主要来源用假设煤岩体单元为各向同性介质用且在推导过程中煤岩体没有互相交换热量(2-4煤岩体单元在采场应力环境下所受能量场作用的总能量表达式如式(1)所示：将胡克定律引入式(1)推导可得：所以开煤岩体在没有热量交换和劣化损伤的前提8乌东煤矿北采区历史上采取过15m、18m、19m、(a)15m段高模型垂直应力分布(c)20m段高模型垂直应力分布43#煤层工作面应具有合理的段高取值。通过对历史开采情况分析并与矿方探讨，对15m、18m、20m、25m四种分段高度方案进行数值计算与分析，确定工作面段高取值。4.1不同段高下坚硬煤岩体应力场分布特征由图2可知：工作面在段高为15m时，垂直应力极值为15.7MPa,为四种方案中的最大值，集中分布于43#煤层与45#煤层顶板侧，且层间岩柱区域应力明显发生动力灾害，对工作面安全生产带来危害。在18m、20m和25m段高开采后的垂直应力经岩层有效传递，但传递效果大不相同。段高为18m时，43#煤层顶板侧有较大范围应力集中现象；在段高为20m和25m开采后应力集中位置没有明显变化，但25m段高时应力集中极值为14.4MPa,为四种方案中的最小值，且25m段高时应力传递路径较其他三种方案较广。(b)18m段高模型垂直应力分布(d)25m段高模型垂直应力分布由图3分析可知：段高为15m时，煤岩体弹性能积聚主要集中在煤层中，极值为9.54×10⁴J。层间岩柱区域弹性能最大值为5.0×10⁴J,明显低于其他段高，且43#煤层上覆岩层和煤层中间岩柱区域低能扩散的面积也小于其他段高。此现象表明，段高为15m时，能量并未进行有效传导，不利于冲击地压防治。在18m段高，弹性能极值为9.46×10⁴J,煤层中积聚的能量通过地层均有传导与扩散。段高为20m时，弹性能极值为9.28×10⁴J,且能量传导范围大于上述两种方案，低能扩散区域面积明显大于15m和18m段高。在25m段高，弹性能极值为8.88×10⁴J,本水平两煤层的顶板均处于“低能扩散区”,同时两煤层未开采部分及岩柱下部均处于“高能传导区”,岩柱中积聚能量的范围较大，说明相比其他段高，能量通过岩层有效传导，且能量值处于6.0×10⁴~8.0×10J之间，明显小于其余三种段高时能量积聚值。因此，从弹性能传导扩散角度出9改变工作面开采段高会导致顶板及层间岩柱发生弯曲变形，导致弹性能积聚，而这恰是冲击地压发生的能量源头。因此，工作面段高取值对坚硬煤岩体能量的积聚、传导与释放均有重要影响。在急倾斜特厚煤层开采中，水平分段放顶煤开采具有不可替代性。相关研究和现场可行性实践结果表明“椭球体放顶煤理论”对急倾斜煤层工作面段高合理确定有指导作用⁵1,把相关数据代入式(4),算出急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤开采合理段高为25m乌东煤矿北采区开采的43#煤层具有冲击倾向性，从冲击地压致灾源头的能量角度切入，建立数值计算模型，对不同段高