無煤柱沿空留巷圍巖穩(wěn)定性分析

無煤柱沿空留巷圍巖穩(wěn)定性分析

0沖擊側(cè)向圍巖防沖機(jī)理本文以華豐煤礦1410工作面和運(yùn)輸主干道為工程背景，研究了華豐煤礦不同樓層沿拱無礦柱開采技術(shù)，并對(duì)影響方向上的圍巖防沖機(jī)理進(jìn)行了研究?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明,采用沿空留巷的無煤柱開采技術(shù),加之打卸壓孔等控制手段,可使應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊傾向性圍巖沿空巷道穩(wěn)定性的有效控制,巷道掘進(jìn)和回采期間變形量小,無沖擊地壓事故發(fā)生,滿足生產(chǎn)要求。1平巷、下平巷生長(zhǎng)狀況華豐煤礦1410工作面長(zhǎng)160m,1411工作面長(zhǎng)143m,1410工作面上平巷標(biāo)高在-830m,下平巷標(biāo)高在-920m,埋深940~1030m,1411工作面上平巷標(biāo)高在-920m,下平巷標(biāo)高在-1010m,埋深1040~1130m,煤厚度為5.8~6.4m,平均厚為6.3m,平均傾角32°,硬度系數(shù)f=1.5~2.5,孔隙率4.38%,單向抗壓強(qiáng)度10.8~25.5MPa,直接頂為粉砂巖,平均厚度2.7m,基本頂為中砂巖,平均厚度9.2m,厚層狀,層理發(fā)育,直接底為粉砂巖,平均厚度2.1m。在工作面東部600m范圍內(nèi)有3個(gè)100m×160m的頂板砂巖富水區(qū),依據(jù)1409工作面的開采情況,此階段頂板淋水會(huì)明顯增大,具體巷道布置方案如圖1所示。2工作面壓砌與上覆壓力傳遞特性根據(jù)1410的地質(zhì)資料計(jì)算充填系數(shù)N,直接頂厚度h=6m,煤厚為6.8m,得N=h/7=0.88,說明1410工作面未填滿,同時(shí),直接頂上方為堅(jiān)硬巖層,形成咬合較穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu),結(jié)合質(zhì)量三因子理論和礦壓理論,可知老頂會(huì)形成巖梁結(jié)構(gòu),老頂上覆壓力主要由煤壁上方老頂和采空區(qū)的老頂承載,最終傳遞到煤壁和采空區(qū)上,由此確定結(jié)構(gòu)如圖2所示。此結(jié)構(gòu)以1410工作面運(yùn)輸順槽為支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)和下沉,1410巷道附近煤體壓酥破碎,1410工作面運(yùn)輸順槽及圍巖承受的老頂壓力和沖擊壓力一部分傳遞到采空區(qū),一部分向下傳遞到1411工作面回風(fēng)順槽,1411工作面回風(fēng)順槽為煤巖巷道,西側(cè)幫部為煤體,在本工作面開采過程中,受到本工作面超前支承壓力和上一工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ臄_動(dòng),極易造成煤巖體內(nèi)應(yīng)力突變,巷道壓垮甚至發(fā)生沖擊破壞。而采用無煤柱防治沖擊地壓的方案,1411工作面回風(fēng)順槽上方的破碎松軟煤體和1410工作面運(yùn)輸順槽作為軟弱夾層,將應(yīng)力重新分布并轉(zhuǎn)移至1410采空區(qū),在有沖擊的情況下,沖擊波在經(jīng)過1410工作面運(yùn)輸順槽及其圍巖和底板煤層的吸收、緩沖和轉(zhuǎn)移作用,將應(yīng)力和能量釋放到1410工作面采空區(qū)。3影響軸向巖的無柱開采和圍巖控制技術(shù)的適用原理3.1沖擊地壓防治對(duì)策無煤柱開采技術(shù)一直是礦山動(dòng)力災(zāi)害領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一,其根本原因是完全消除或者減小了發(fā)生沖擊地壓的主體(煤柱),同時(shí)降低具有沖擊性或者具備沖擊條件的巷道圍巖體內(nèi)部應(yīng)力集中狀況,在圍巖應(yīng)力達(dá)到煤巖體承載極限之前將其能量釋放,因此,防治沖擊地壓的思路主要有降低巷道圍巖體內(nèi)部應(yīng)力集中狀況,提高圍巖及其支護(hù)體的能量承載極限等。本文結(jié)合華豐煤礦實(shí)踐情況,提出了在無煤柱護(hù)巷的基礎(chǔ)上,同時(shí)采取煤層超前注水卸壓防沖、危險(xiǎn)區(qū)爆破卸壓防沖和提高圍巖及其支護(hù)體的抗沖強(qiáng)度等防范措施,共同降低1411工作面及其回風(fēng)順槽圍巖采動(dòng)過程中發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)的可能性。3.2圍巖防沖技術(shù)(1)煤體的物理化學(xué)性質(zhì)煤層超前注水就是在工作面前方一定位置打一定數(shù)量的鉆孔,通過水的作用使煤體的物理化學(xué)性質(zhì)等發(fā)生改變,破壞煤體的整體性。依據(jù)華豐煤礦實(shí)際情況,確定孔深42m,孔距20m,注水孔角度與煤層傾角相同,孔口距離底板0.3m,每個(gè)鉆孔的注水量Q=169m3,注水示意圖見圖3。(2)爆破卸壓范圍確定危險(xiǎn)區(qū)爆破卸壓開采就是在沖擊地壓可能發(fā)生的危險(xiǎn)區(qū)域,采取爆破卸壓的方法,切斷煤巖體前后的聯(lián)系,破壞巖層整體性,同時(shí),使煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂隙,使應(yīng)力重新分布,向深部轉(zhuǎn)移。炮孔的間距決定了卸壓效果的好壞。根據(jù)危險(xiǎn)區(qū)爆破卸壓破碎區(qū)和裂隙區(qū)相關(guān)參數(shù)公式,確定爆破卸壓的范圍,可根據(jù)危險(xiǎn)區(qū)爆破卸壓破碎區(qū)和裂隙區(qū)相關(guān)參數(shù)公式計(jì)算。斷頂、斷底爆破使傾向支承壓力高峰位置向煤體深部轉(zhuǎn)移,降低了沖擊地壓發(fā)生的可能性和危險(xiǎn)性;沿走向形成了一個(gè)弱面,使得煤巖體超前斷裂,降低巷道圍巖應(yīng)力,特別是降低了傾向支承壓力對(duì)巷道圍巖的作用。4里氏0.5級(jí)以上礦震分布華豐煤礦4#煤層屬于嚴(yán)重沖擊地壓傾向煤層,采用BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)1411上平巷進(jìn)行監(jiān)測(cè),檢測(cè)結(jié)果如圖4、圖5所示。通過對(duì)比1411上平巷有煤柱支護(hù)和現(xiàn)有支護(hù)段掘進(jìn)工作面掘進(jìn)過程中發(fā)生沖擊地壓的情況及里氏0.5級(jí)以上礦震分布情況,可以看出,在原支護(hù)段條件下,1411上平巷掘進(jìn)過程中發(fā)生的里氏0.5級(jí)以上的礦震9次,其中里氏0.6、0.8、1.1、1.3、1.6級(jí)各1次,里氏0.9、1.8級(jí)各2次,釋放能量為7.98×106J,多發(fā)生在上平巷圍巖的深部,未誘發(fā)破壞性沖擊地壓。在改進(jìn)支護(hù)條件下,1411掘進(jìn)過程中只發(fā)生1次里氏0.8級(jí)礦震,釋放能量為3.26×105J,都發(fā)生在上平巷圍巖的深部,沒有誘發(fā)破壞性沖擊地壓。因此,華豐煤礦通過開采上、下解放層,把1411上平巷布置在1410采空區(qū)正下方地應(yīng)力卸壓區(qū)域內(nèi)掘進(jìn),里氏0.8級(jí)以上礦震減少了87%,釋放能量減少96%。5覆巖空間結(jié)構(gòu)參數(shù)分析及工程實(shí)踐效果(1)依據(jù)工程實(shí)踐和理論分析確定在1411工作面直接頂與垮落矸石形成“巖-矸”結(jié)構(gòu)特征,側(cè)向老頂形成“巖-梁”結(jié)構(gòu)特征;通過質(zhì)量三因子理論和礦壓理論,確定覆巖空間結(jié)構(gòu)力學(xué)模型;(2)通過數(shù)值分析模擬,研究了工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植继卣?從峰值區(qū)域大小和塑性區(qū)的角度分析有煤柱和無煤柱支護(hù)下煤體沖擊傾向性