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遗留煤柱影响下工作面冲击地压防治技术

2025-03-09 95 上传者：管理员

摘要：济宁三号煤矿183_下05综放工作面部分位于上分层遗留煤柱下方，同层局部留有区段宽煤柱，造成工作面局部应力集中程度高，巷道变形严重，底鼓量大，冲击风险极高。采用三维数值模拟，分析了遗留煤柱区域的应力集中程度，针对上覆遗留煤柱及同层煤柱分别采取了顶板深孔爆破卸压措施及大直径钻孔卸压措施，并结合多种监测手段，综合判定冲击危险性，采取相应治理措施，确保了工作面安全回采，取得了良好的应用效果。

关键词：
上覆遗留煤柱
冲击地压
区段宽煤柱
地应力
构造应力
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近年来,许多矿井因早期开采布局不合理而在井田内形成遗留煤柱,使附近区域应力集中明显,覆岩空间结构复杂,给煤炭资源回收和冲击矿压防治提出了新的挑战[1-3]｡实践表明,上分层遗留煤柱应力集中区域异常,对下分层工作面的安全回采造成很大威胁[4],同层区段宽煤柱留设不合理,也会增加相邻工作面应力集中程度,并随着采深的加大,地应力和构造应力随之增大,地质条件更加复杂,极易发生冲击地压事故,当煤层群为近距离煤层群时,其影响将会更严重[5-7]｡

济宁三号煤矿开采3上及3下煤层,平均煤层间距25m,183下05工作面受上分层不规则遗留煤柱及同层区段宽煤柱叠加影响,在回采至遗留煤柱阶段巷道变形严重,底鼓量大,冲击风险极高｡采用三维数值模拟方法分析遗留煤柱应力集中情况,回采时针对性地采取多种监测及卸压措施,保证了该工作面安全回采｡

1、工作面概况

济宁三号煤矿位于山东省西南部济宁市南郊石桥乡境内,微山湖畔,西北距济宁市14km,东北距兖州市32km｡矿井为省属煤矿,隶属于兖州煤业股份有限公司,行政区划属济宁市任城区所辖,企业经济类型为股份制,矿山规模为大型矿井｡

济宁三号煤矿183下05工作面位于十八采区西北部,平均埋深805m｡工作面为“刀把”工作面,“刀把”段宽度214m,“扩面”段宽度280m,走向推进长度1965m｡工作面平均厚4.19m,平均煤层倾角4°｡

183下05工作面上方为183上05采空区､183上06采空区和东侧相邻的183上04采空区,与3上煤层间距25m｡3上煤层部分区域煤层厚度较小,为不可开采区域,导致183上06工作面布置不规则,并且与相邻的183上04采空区之间存在宽度不等的煤柱,183上06(北)采空区与相邻的183上04采空区区间煤柱宽度约为118m和212m｡由于183下04工作面开采范围大于183上04工作面,导致二者之间的煤柱宽度减小为62.6m和156m(见图1)｡

图1183下05工作面采空关系示意图

2、数值计算模型

由于十八采区3上煤层开采边界残留煤柱对工作面开采影响较大,本次模拟建立了183上04､183上06和183上07工作面及其煤柱,研究分析183下05工作面开采以及上方煤柱叠加影响区段宽煤柱应力分布及塑性区发育情况,利用FLAC3D数值模拟软件建立三维数值模型(见图2)｡三维数值模型倾向宽约1100m,走向长1500m,模型高166m,模型两侧采用固定边界,并施加应力边界条件,模型顶部施加均布载荷,用以模拟其上方未模拟的岩层重量,模型底部施加固定边界｡

图2三维数值模型

3、区段宽度煤柱采动应力分布规律

3.13上煤层开采遗留区段煤柱应力分布情况

3上煤层工作面开采后,采场应力重新分布,在采空区四周煤岩体上形成应力集中,即支承压力(见图3)｡并且采空区侧向应力叠加处,应力集中程度较为显著,其中区段煤柱便是其中之一｡根据十八采区开采设计,183上06(北)采空区与相邻的183上04采空区区间煤柱宽度约为118m和212m｡由于183下04工作面开采范围大于183上04工作面,导致二者之间的煤柱宽度减小为62.6m和156m｡区段煤柱两侧采空区侧向支承压力作用在煤柱,造成应力集中程度较高(见图4)｡183上06(北)采空区开采后,较窄的煤柱应力峰值为56.9MPa,应力集中系数为3.36,而183上04工作面侧受183下04工作面开采顶板卸压影响,应力集中程度不显著｡

图33上煤层支承压力分布云图(单位:Pa)

图4183上06采空区与183上04采空区间煤柱支承压力分布曲线

现场实践及相关研究表明,近距离煤层群开采时,上煤层集中应力会通过底板岩层向底板传播,在底板相应位置造成应力集中(见图5)｡由于183下04工作面开采,造成该侧的区段煤柱应力集中程度较高,支承压力峰值达到44.5MPa,应力集中系数为2.26,而183下05工作面侧受3上煤层煤柱支承压力影响,应力峰值约为47.6MPa,应力集中系数为2.87｡

图5183下06采空区与183上04采空区间煤柱支承压力分布曲线

3.2区段宽煤柱应力分布情况

183下05工作面开采后,采动应力重新分布,并在采空区四周煤岩体上产生集中应力｡受183下05工作面侧向支承压力影响,区段宽煤柱上的应力进一步增大｡183下04工作面侧的区段煤柱应力集中程度较高,支承压力峰值达到74.4MPa,应力集中系数为3.7,而183下05工作面侧受3上煤层煤柱支承压力和本工作面侧向支承压力叠加影响,应力峰值约为60.3MPa,应力集中系数为2.99｡上述应力集中对区段宽煤柱影响较大,加之工作面开采扰动影响,区段宽煤柱易出现失稳,诱发冲击地压(见图6)｡

图6183下05工作面区段宽煤柱支承压力分布曲线

综上所述,由于183下05工作面辅顺二段留设宽煤柱在采空区侧向支承压力作用下,区段煤柱应力集中显著,因此区段宽煤柱中部存在残余应力弹性核区,煤柱极易发生失稳,造成冲击地压事故｡

4、遗留煤柱影响下工作面冲击地压监测方案

4.1弹性波CT探测

弹性波CT探测技术,即无损探测的采矿地球物理方法,该技术工作原理是利用地震波射线对工作面的煤岩体进行透视,通过地震波走时的观测,对工作面的煤岩体进行成像｡地震波传播通过工作面煤岩体时,煤岩体上所受的应力越高,震动传播的速度就越快｡通过震动波速的反演,可以确定工作面范围内的震动波速度场的分布规律,根据速度场的大小,可确定工作面范围内应力场的大小｡

在183下05工作面推进至遗留煤柱区域前500m提前进行探测,设备安装在183下05工作面辅助运输顺槽,放炮点设置在183下05工作面运输顺槽｡探头间距按10m设计,炮点间距按10m设计,每孔装药量300g｡采用弹性波CT探测技术进一步探明183下05工作面遗留煤柱区超前应力分布情况,评价工作面冲击危险程度,便于针对性采取卸压措施｡

4.2SOS微震监测

在183下05工作面遗留煤柱区1500m范围顺槽底板上布置5个SOS微震测点,测点环状包围遗留煤柱区域,测点间距不大于500m,用于监测遗留煤柱区的低频高能震动事件,当单个震动事件能量大于1.0×105J,或1d内震动次数超过60次时,立即停止生产,采取解危卸压措施｡

4.3KJ551高精度微震监测

在183下05工作面遗留煤柱区500m范围两顺槽顶板上分别布置3个高精度微震测点,测点环状包围遗留煤柱区域,测点间距不大于150m,用于监测遗留煤柱区的中高频段､低能量震动事件,当每日单个微震事件最大能量Emax>1.0×104J､每日微震事件总能量Esum>1.0×105J､e值3d内连续增加且第3天e值增幅大于50%｡3个条件满足2个及以上条件时,判别有发生冲击地压的危险｡

4.4KJ743应力在线监测

在工作面超前300m范围遗留煤柱帮安装KJ743应力在线监测系统,每组2个测点,分为浅孔和深孔,深度分别为8､14m,组间距20m,测点间距1.5m,用于监测浅部及深部遗留煤柱区应力状态,当浅孔应力大于14MPa或深孔应力大于16MPa时,应立即停止生产,采取解危治理措施｡

5、遗留煤柱影响下工作面冲击地压治理方案

5.1顶板深孔爆破卸压

对遗留煤柱区域进行顶板深孔爆破卸压,爆破孔方向朝向煤柱帮侧,主要目的是释放煤柱上方顶板弹性能,避免能量积聚发生冲击地压事故｡爆破参数:孔径φ80mm,孔深35m,装药量35kg,孔间距10m,使用高强度水胶药柱,超前工作面350m施工｡183下05工作面顶板深孔爆破卸压示意图,如图7所示｡

图7183下05工作面顶板深孔爆破卸压示意图(单位:m)

5.2煤层大直径钻孔卸压

在遗留煤柱区域采帮及区段宽煤柱帮实施大直径钻孔卸压,间距1m,孔径φ150mm,超前工作面300m施工｡钻孔距巷道底板1.5m,平行煤层方向,垂直巷道煤壁,顺层打眼,钻孔单排布置,钻孔深度20m,钻孔直径φ150mm｡183下05工作面大直径预卸压示意图,如图8所示｡

图8183下05工作面大直径预卸压示意图

采取顶板深孔爆破卸压及煤层大直径钻孔卸压后,采用上述监测手段进行效果检验,不超过预警值时证明卸压效果良好,可正常组织生产｡183下05工作面在综合采取监测和卸压措施后,安全通过遗留煤柱区,未发生冲击地压事故｡

6、结语

(1)近距离煤层下行开采过程中,上覆煤柱会造成下部煤层在开采之前处于高应力状态,同层区段煤柱宽度过大会进一步增加邻面的应力集中程度｡