楊文化 來興平 王寧波 艾小斐

摘?要：急傾斜特厚煤層水平分段綜放開采條件下的強礦壓致災(zāi)日益突出，嚴(yán)重制約礦井的安全生產(chǎn)。以烏東煤礦北采區(qū)45#特厚煤層為研究背景，構(gòu)建物理相似模型，揭示了采場覆巖垮冒結(jié)構(gòu)特征，理論分析綜放面覆巖應(yīng)力傳遞特征;通過FLAC3D軟件建立三維數(shù)值計算模型，分析了急傾斜特厚煤層水平分段綜放開采后覆巖的應(yīng)力場及塑性區(qū)的變化特征。結(jié)果表明：急斜煤層賦存環(huán)境復(fù)雜，頂板不易垮落，易在采空區(qū)形成懸空頂板;+600水平分段煤層開采后，覆巖應(yīng)力重新分布，在+575水平工作面沿煤層傾向距頂板巷6～45 m的采場煤巖體內(nèi)，形成輪廓為“三角形”的應(yīng)力集中區(qū);隨開采水平不斷向深部延伸，

應(yīng)力集中程度不斷增加，礦壓顯現(xiàn)也隨之增劇。針對覆巖垮冒結(jié)構(gòu)及應(yīng)力特征，進行超前預(yù)裂爆破弱化技術(shù)，綜放工作面支架壓力和電磁輻射監(jiān)測表明：支架壓力下降了5～10 MPa，

煤巖體平均電磁輻射強度由35.5 mV下降為14.4 mV，明顯減緩了工作面強礦壓顯現(xiàn)，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)。這對類似礦井安全開采提供了值得借鑒依據(jù)。

關(guān)健詞：

礦業(yè)工程;急傾斜;強礦壓;致災(zāi)機理;超前預(yù)裂爆破

中圖分類號：TD 323

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2020）02-0221-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0205開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Disaster mechanism and prevention of strong rock pressure in steeply

inclined horizontal sublevel fully-mechanizedcaving face

YANG Wen-hua1，2，LAI Xing-ping1，2，3，WANG Ning-bo4，AI Xiao-fei3

（1.College of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.Xian University of Science and Technology-Yulin Research Institute，Yulin 719000，China;

4.National Energy Group Xinjiang Energy Company，Urumchi 830027，China）

Abstract：The disaster caused by strong pressure

in fully-mechanized horizontal sublevel caving mining in steeply inclined and extra-thick coal seam，

is increasingly prominent，which seriously restricts the safety of the mine production.Taking 45# Extra-thick Coal Seam in northern mining area of Wudong Coal Mine as the research background，the physical model is constructed，the structural characteristics of overburden caving are revealed，and the stress-transfer characteristics of fully-mechanized top-coal caving face are theoretically analyzed.A three-dimensional numerical model is established using FLAC3D，and the stress field and variation characteristics of the plastic zone of the overburden rock after the caving of the horizontal sublevel are examined.The results show that the existing environment of steep seam is very complicated，and it is not easy for the roof to collapse.Therefore，it is likely to form a hanging roof in the goaf.After the excavation of the seam in 600 m level，the overburden stress redistributed，along the inclination of 575 m level face from the roof roadway 6 m to 45 m of the slope coal and rock mass，forming a “triangular” stress concentration area;as the mining level continues to extend to the depth，the concentration area continues to increase，and the rock pressure also increases.Based on the structure and stress characteristics of overburden，the advanced pre-splitting blasting technology is utilized.The support pressure and electromagnetic radiation monitoring result indicate that the support pressure decreased by 5～10 MPa，and the average electromagnetic radiation intensity of the coal and rock decreases from 35.5 to 14.4 mV，an alleviation of the rock pressure in the working face and an indication of safe production there.This provides a reference for

the safe mining of others.

Key words：mining engineering;steeply inclined coal seam;strong pressure;disaster-causing mechanism;pre-blasting

0?引?言

隨著工業(yè)的發(fā)展，煤炭資源開采深度和強大的不斷增大，礦壓顯現(xiàn)越來越強烈，尤其是烏魯木齊礦區(qū)賦存的急傾斜特厚煤層開采，強礦壓問題已嚴(yán)重制約了礦井的安全生產(chǎn)[1-3]。目前關(guān)于煤層開采后覆巖垮冒結(jié)構(gòu)特征、監(jiān)測與防治措施進行了大量研究。邵小平等通過理論與現(xiàn)場監(jiān)測分析，得出了基本頂破斷的判別準(zhǔn)則，指出頂板中存在卸載拱結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)是一種“平衡-失穩(wěn)-再平衡-再失穩(wěn)”動態(tài)擴展結(jié)構(gòu)[4]。王家臣等建立了急傾斜煤層水平分段綜放頂板破斷巖塊傾倒力學(xué)模型，提出了頂板上分段為“傾倒式”破壞模式，下分段為“滑塌式”破壞模式，并提出了頂板巖快“破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變點”的判別準(zhǔn)則[5]?。鞠文君等構(gòu)建了急傾斜覆巖斷裂力學(xué)模型，得出覆巖懸臂能量展布特征，并提出預(yù)裂爆破斷頂卸壓防治技術(shù)[6]。崔峰等針對水平分段開采造成的持續(xù)性擾動作用運用數(shù)值模擬方法進行了分析，揭示本分段開采后和下分層開采后模型整體的塑性區(qū)、應(yīng)力場和位移場分布特征，并提出煤巖體爆破與注水耦合致裂技術(shù)[7-8]?。齊慶新等根據(jù)數(shù)值模擬及現(xiàn)場實踐結(jié)果得出，深孔斷頂爆破能夠從根本上改變應(yīng)力分布，降低一定范圍內(nèi)的應(yīng)力水平，以達到防治沖擊地壓的目的[9]。竇林名等基于煤巖破壞特征與現(xiàn)場多源信息的響應(yīng)關(guān)系，建立了沖擊礦壓多指標(biāo)預(yù)警技術(shù)，在時間與空間上定量描述沖擊礦壓的危險區(qū)域、狀態(tài)及等級[10]。何學(xué)秋等依據(jù)煤巖體力電耦合模型和大量現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，從理論上得出了煤巖體動力災(zāi)害預(yù)警臨界值系數(shù)與動態(tài)變化趨勢系數(shù)[11]。曹建濤等通過現(xiàn)場監(jiān)測煤巖體聲-光-電-變形等多元監(jiān)測信息，綜合分析了復(fù)雜煤巖體動力失穩(wěn)過程，并提出相應(yīng)的預(yù)測方法[12-13]。單鵬飛等對急傾斜煤巖體進行了連續(xù)加卸載和斷續(xù)加卸載力學(xué)特性實驗，通過聲發(fā)射、熱紅外、DR掃描等方法，綜合分析了急傾斜煤巖體強度劣化特征[14-16]。上述研究對于急傾斜特厚煤層安全高效開采提出了一些有益結(jié)論，但是關(guān)于急傾斜特厚煤層水平分段綜放開采強礦壓致災(zāi)機理研究相對較少。

針對復(fù)雜環(huán)境下綜放工作面強礦壓致災(zāi)機理研究，以烏東煤礦北采區(qū)+575水平45#特厚煤層為工程背景，開展了物理相似模擬實驗、理論分析、FLAC3D數(shù)值模擬研究等方法，綜合分析研究急傾斜特厚煤層綜放面強礦壓致災(zāi)機理;并提出超前預(yù)裂爆破弱化頂板防控措施，減緩綜放工作面礦壓顯現(xiàn)，實現(xiàn)安全開采。

1?工程背景

新疆烏東煤礦北采區(qū)位于八道灣向斜北翼，屬博格達北麓的山前丘陵帶，地勢南高北低，地面標(biāo)高+739.2～+934.0 m.含煤地層是中侏羅統(tǒng)的西山窯組，西山窯組地層呈北東～南西向帶狀展布，蘊藏著多組不同間距、不同厚度的急傾斜煤層，煤層傾角東緩西陡，平均45°，是一個典型的急傾斜煤層開采礦井。目前該礦正在回采+575水平45#特厚煤層，煤層厚度33 m，覆巖及底板均為泥鈣質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖。由于其特殊的賦存環(huán)境，水平分段放頂煤開采作為急傾斜特厚煤層開采的一種科學(xué)方法已成為礦區(qū)目前唯一采用的開采方式（圖1），工作面呈水平布置，工作面長度為煤層的水平厚度，回采巷道布置于頂?shù)装鍍蓚?cè)，工作面上方為為頂煤與上分段開采后殘留的煤矸。+575水平45#特厚煤層工作面分段高度25 m，機采3 m，放頂煤高度22 m，采放比為1∶7.33，上分段（+600水平）工作面分段高度20 m，采放比為1∶5.67.近年來，隨著急傾斜煤層開采深度和強度的不斷增加，烏東煤礦北采區(qū)綜放工作面及巷道系統(tǒng)穩(wěn)定性控制問題日益突出。圖2為綜放工作面發(fā)生的強礦壓破壞現(xiàn)象，影響范圍超前工作面200 m，巷道最大幫鼓量達到50 cm，瞬間發(fā)生底鼓30 cm，頂板下沉量10～35 cm，“U”型鋼棚收縮，收縮量20 cm，支柱彎曲變形。與此同時，覆巖大面積垮落充填采空區(qū)，致使采空區(qū)內(nèi)有毒有害氣體涌出至工作面和回采巷道，嚴(yán)重制約礦井的安全生產(chǎn)。礦壓災(zāi)害對急傾斜煤層的安全開采提出了新的要求，因此研究急傾斜綜放面強礦壓致災(zāi)機理與控制，具有必要性和現(xiàn)實性。

2?綜放開采覆巖垮冒及應(yīng)力特征

急傾斜特厚煤層綜放開采強礦壓致災(zāi)是一個復(fù)雜的物理力學(xué)過程。物理相似模擬實驗是基于事物與現(xiàn)象之間的相似特征，在相似模型上探討和認(rèn)識地層移動規(guī)律的一種科學(xué)實驗，廣泛應(yīng)用于采礦工程領(lǐng)域[17-20]。以典型復(fù)雜難采特厚煤層烏東煤礦+575水平45#特厚煤層為工程背景，揭示急傾斜特厚煤層水平分段綜放開采覆巖垮冒特征及其演化規(guī)律。實驗得出，當(dāng)+600水平煤層開采后，覆巖依次發(fā)生彎曲-離層-斷裂等實驗現(xiàn)象。由于巖層傾角45°，上覆巖層沿煤層法線方向作用于基本頂?shù)膽?yīng)力僅為垂直應(yīng)力的0.71，且頂板巖層為堅硬的粉砂巖（f=3.5～4.0），因此頂板巖層很難在自重條件下及時發(fā)生充分?jǐn)嗔芽迓洌纬缮喜繎铱盏念悺皟A斜平頂拱”臨時結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。隨工作面的推進及開采水平向深部的延伸，該臨時結(jié)構(gòu)不斷被新的平衡體系取代并向上位巖層移動，“傾斜平頂拱”內(nèi)巖體蛻變應(yīng)力向采空區(qū)卸載并通過上方巖層傳遞演化致災(zāi)，這是一個典型的彈性拱在周期荷載作用下的共振彎曲和支座坍塌引起的非線性動力學(xué)問題。

+600水平開采前，+575水平工作面覆巖初始應(yīng)力特征如圖3（b）所示。圖中在不考慮水平應(yīng)力作用下，上覆巖層垂直向下的作用力為σ1，隨著深度的增加σ1越來越大，σ1呈梯形分布;由于急傾斜煤層覆存特征，以及頂板沿法向垮落方式的特殊性，因此主要考慮σ1沿頂板的法向分力σ2.+600水平工作面開采之后，由于形成類“傾斜平頂拱”臨時結(jié)構(gòu)，覆巖應(yīng)力重新分布，該結(jié)構(gòu)下拱腳應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，在+575頂板內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，覆巖應(yīng)力重新分布如圖3（c）所示。在應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，煤巖體受高應(yīng)力的作用，產(chǎn)生拉斷破壞與剪切破壞，局部形成塑性區(qū)。這時巷道圍巖的變形特征以塑性破壞與流變?yōu)橹鳎瑫r集中應(yīng)力向圍巖四周傳遞，使塑性區(qū)范圍不斷擴大，最終該塑性區(qū)與巷道松動圈導(dǎo)通。由于塑性區(qū)內(nèi)煤巖體承載能力下降同時受回采工作面采動影響，使采場支護系統(tǒng)所受應(yīng)力增大，當(dāng)采場支護體系不足以支撐該應(yīng)力時，將在工作面兩側(cè)巷道內(nèi)發(fā)生底鼓、幫鼓等強礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象;隨著開采水平不斷向深部延伸，覆巖懸頂范圍不斷增大，同時應(yīng)力集中程度不斷升高，礦壓顯現(xiàn)也隨之增劇;應(yīng)力集中程度達到覆巖承載極限強度時，將瞬間發(fā)生大面積頂板垮冒，對工作面煤體及圍巖內(nèi)產(chǎn)生巨大沖擊力，工作面及巷道內(nèi)發(fā)生支架立柱壓死、“U”型鋼棚變形等強礦壓破壞;同時垮冒覆巖充填采空區(qū)，致使采空區(qū)內(nèi)有毒有害氣體涌出至工作面，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。

3?綜放面頂板應(yīng)力分布特征數(shù)值模擬分析

隨著計算機的發(fā)展和數(shù)值模擬軟件日漸臻熟，數(shù)值模擬分析方法已成為解決采礦工程問題的主要研究手段之一[21-25]。其中FLAC3D適用于模擬煤巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)特征，并對工程煤巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)致災(zāi)進行預(yù)測。

3.1?數(shù)值計算模型及參數(shù)

依據(jù)+575水平45#煤層工作面的地質(zhì)資料與開采方法，構(gòu)建三維數(shù)值計算模型（圖4）。模型主要研究+600水平開采后+575水平覆巖應(yīng)力變化特征，因此設(shè)計模型尺寸水平長度133 m，垂直高度100 m，工作面推進長度60 m.模型中煤巖體采用brick單元，共生成94 517個單元，62 474個節(jié)點。網(wǎng)格體中所有區(qū)域為Mohr-Coulomb plasticity model本構(gòu)模型，上邊界面為自由邊界面，底面約束垂直位移，四周約束水平移動。同時為了實現(xiàn)原型中實際的應(yīng)力賦存條件，在模型上邊界面添加2.65 MPa垂直應(yīng)力。在+575水平綜放工作面頂板沿傾向布置應(yīng)力監(jiān)測點，分析研究+600水平開采后對+575水平分段頂板應(yīng)力變化特征。依據(jù)現(xiàn)場布局和采掘關(guān)系，首先對+600水平（段高20 m）進行開挖，模型達到初始平衡后，再掘出+575水平工作面回采巷道。

煤巖層受節(jié)理、裂隙、地下水以及斷層等構(gòu)造的影響，一般室內(nèi)巖石力學(xué)實驗測得的參數(shù)是相應(yīng)工程巖體的3～5倍。依據(jù)烏東煤礦煤巖力學(xué)實驗測試結(jié)果，對其參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整后，運用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準(zhǔn)則進行模擬計算。模型賦參見表1.

3.2?數(shù)值模擬計算結(jié)果與分析

煤層開采后導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，圖5揭示了+575水平分段工作面開采前煤巖體垂直應(yīng)力分布特征。從圖5（a）可以看出，+575水平工作面頂板巖體內(nèi)應(yīng)力明顯高于其他位置煤巖體內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在沿煤層傾向距頂板巷6～45 m的范圍內(nèi)，呈“三角形”輪廓，其應(yīng)力值處于8.0～9.4 MPa之間，應(yīng)力集中系數(shù)K=2.5～3.0，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在+575水平沿煤層傾向距頂板巷27 m位置。受頂板巖層內(nèi)高應(yīng)力影響，工作面煤體靠頂板一側(cè)應(yīng)力較高，處于4.0～7.0 MPa范圍內(nèi)，而靠近底板側(cè)煤體內(nèi)應(yīng)力受上分段開采，處于3.0 MPa以內(nèi)。采空區(qū)上方頂板巖層與松散體為低應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，大部分區(qū)域處于原巖應(yīng)力狀態(tài)（原巖應(yīng)力值為2.6～3.0 MPa），局部由于失去支撐呈拉應(yīng)力狀態(tài)。

圖5（b）反映了煤巖體內(nèi)水平應(yīng)力分布特征，總體看水平應(yīng)力應(yīng)力集中程度較小，僅在采空區(qū)下方頂板巖層內(nèi)形成小范圍的應(yīng)力集中，集中區(qū)應(yīng)力值處于5.0～7.0 MPa范圍內(nèi)（原水平應(yīng)力值為2.0～3.0 MPa），大部分區(qū)域煤巖體內(nèi)應(yīng)力小于4.0 MPa.采空區(qū)下方煤體與底板巖層內(nèi)水平應(yīng)力低于0.5 MPa.采空區(qū)上方煤巖體內(nèi)水平應(yīng)力值相對較高，處于3.0～6.0 MPa范圍內(nèi)。

在上分層+600工作面回采影響下，+575水平工作面煤巖體應(yīng)力場發(fā)生改變。圖5（c）反映了+575水平分段工作面開采前煤體及圍巖塑性區(qū)分布特征。從圖5（c）可知，塑性區(qū)主要分布在工作面煤體及松散體內(nèi)，破壞形式以拉剪破壞為主。其中，松散體塑性區(qū)范圍最大，且大部分區(qū)域處于已剪切破壞狀態(tài);煤體塑性區(qū)主要分布在待開采分層，大部分區(qū)域處于正剪切破壞狀態(tài);頂板塑性區(qū)范圍相對較小，處于受拉破壞狀態(tài)，在采空區(qū)上方局部范圍內(nèi)出現(xiàn)塑性區(qū)。由此可以推斷，+600水平分段煤層開采后，采空區(qū)頂板主要發(fā)生拉裂破壞，+575水平工作面煤體受屈服程度高，主要受剪切破壞狀態(tài)。

綜上所述，綜放面強礦壓致災(zāi)機理為：在急傾斜煤層復(fù)雜的地質(zhì)賦存條件下，煤層開采后，頂板巖層很難在自重條件下及時垮落，而形成懸空頂板，覆巖應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致下分段工作面采場煤體及圍巖內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象（應(yīng)力集中系數(shù)SFC=2.5～3.0）。

在巷道開挖和工作面回采擾動影響下，使得巷道支護系統(tǒng)所受應(yīng)力驟增，而引發(fā)底鼓、幫鼓等礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象;隨開采水平不斷向深部延伸，應(yīng)力集中程度不斷增大，礦壓顯現(xiàn)也隨之增劇，集中應(yīng)力達到頂板巖層的極限承載強度時，頂板產(chǎn)生大面積的垮落，形成強礦壓事件。

4?工程現(xiàn)場應(yīng)用

4.1?強礦壓防治方案

針對烏東煤礦復(fù)雜的地質(zhì)條件，通過工程實踐在+575水平45#煤層西翼工作面頂板巷實施超前預(yù)裂爆破，每排施工3個孔徑108 mm的爆破孔，呈扇形布置，排距為12 m，超前預(yù)裂爆破36 m.考慮端頭支架和開采擾動會對巷道頂部形成破碎區(qū)域，同時便于頂板管理和確保安全開采，超前預(yù)裂爆破孔封孔長度為20 m，裝藥長度20 m.1#，2#炮孔目的為破碎頂板，降低覆巖應(yīng)力集中區(qū)，同時剝離巖石充填采空區(qū)，3#炮孔目的為增加或增大頂板巖體裂隙，促進頂板斷裂垮落。超前預(yù)裂爆破方案如圖6所示。

超前預(yù)裂爆破采用涂膠基質(zhì)炸藥一次起爆，黃土和馬麗散對其孔口進行封堵。爆破孔參數(shù)見表2.

4.2?現(xiàn)場實施效果評價

通過對+575水平綜放工作面超前預(yù)裂爆破方案實施前后支架壓力和煤巖體內(nèi)電磁輻射強度進行記錄，分析礦壓控制效果。支架壓力和煤巖體電磁輻射強度監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制如圖7所示，從圖7可知，超前預(yù)裂爆破方案實施前，工作面支架壓力大部分在35 MPa以上，部分超過40 MPa;煤巖體電磁輻射強度4次超過預(yù)警值57 mV，最高監(jiān)測數(shù)據(jù)63 mV，平均電磁輻射強度35.5 mV.超前預(yù)裂爆破方案實施后，大部分支架壓力在30～35 MPa以內(nèi)，平均下降5～10 MPa;煤巖體電磁輻射強度最高監(jiān)測數(shù)據(jù)為25 mV，平均電磁輻射強度14.4 mV，較方案實施前下降21.1 mV.工作面支架壓力和電磁輻射強度統(tǒng)計結(jié)果表明，+575水平45#特厚煤層工作面實施頂板超前預(yù)裂爆破弱化技術(shù)后，明顯緩減了工作面煤巖體內(nèi)的應(yīng)力集中程度，有效的控制了工作面強礦壓問題，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

5?結(jié)?論

1）急傾斜特厚煤層水平分段綜放開采，頂板巖層很難在自重條件下及時垮落，形成懸頂現(xiàn)象，覆巖應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致下分段工作面采場煤巖體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中。隨著開采深度的增加和采掘擾動影響，集中應(yīng)力達到頂板巖層的極限承載強度時，頂板發(fā)生大面積的垮落，形成強礦壓事件。

2）數(shù)值模擬研究表明，受+600水平開采影響，在+575水平工作面沿煤層傾向距頂板巷6～45 m的采場煤巖體內(nèi)，形成輪廓為“三角形”的應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)K=2.5～3.0，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在沿煤層傾向距頂板巷27 m的位置。

3）采用超前頂板預(yù)裂爆破弱化技術(shù)后，綜放工作面支架壓力下降了5～10 MPa，煤巖體平均電磁輻射強度由35.5 mV降至14.4 mV，明顯減緩了工作面煤巖體應(yīng)力集中程度，保障了工作面的安全生產(chǎn)。

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