跃进煤矿冲击危险工作面大直径卸压钻孔深度优化
2019-07-10
采用FLAC2D 数值模拟软件,以跃进煤矿25110 工作面地质条件为基础,建立了大直 径钻孔卸压深度的优化模型,结合能量传播衰减理论,得到了钻孔卸压后的冲击危险指数表达式, 在一定的参数条件下分析并比较了不同深度大直径卸压钻孔的卸压效果。研究表明:当25110 工 作面大直径卸压孔深度为45 m 时,冲击危险指数最小,卸压效果最明显。
Serial No. 602 June. 2019 现 代 矿 业 MODERN MINING 总第 602期 2019 年 6 月第 6 期 西煤炭,2018(2):17-20. 3] 马广兴. 柔模混凝土沿空留巷和切顶卸压沿空留巷对比分析 J]. 能源与环保,2018(10):185-189. 留巷成巷后的效果,采用“十字交叉法”对巷道变形 量进行观测。 2202 轨道巷实施切顶卸压沿空留巷 自 2018 年 3 月 15 日开始施工,截至目前,工作面回 采已有 800 m。 通过对观测数据分析得知,巷道顶 板位移量最大约为 80 mm,巷道底板位移量最大约 为 40 mm,巷道两帮无明显变形,成巷效果较好。 [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ 4] 侯忠杰. 对浅埋煤层“短砌体梁”、“ 台阶岩梁” 结构与砌体梁 理论的商榷[J]. 煤炭学报,2008(11):1201-1204. 5] 黄 洁,杨 壮,王火彬,等. 坚硬顶板预裂爆破切顶卸压沿空 留巷技术研究[J]. 煤炭与化工,2017(10):61-63. 6] 朱 珍,张科学,袁红平. 切顶卸压沿空留巷碎石巷帮控制技 术及应用[J]. 煤炭科学技术,2018(3):25-32. 4 结 论 ( 1)将采空区侧矸石垮塌过程分为 3 个阶段, 7] 丁 涛. 高水速凝材料隔离墙在矿井回采工作面中的应用 分别为碎矸石垮落、巷道矸石帮形成、矸石帮压实 3 个阶段。 利用矸石碎胀性,使垮落高度大于岩层厚 度,则采空区侧矸石可以被重新压实,巷道顶部岩层 与实体煤形成的承载体可以重新形成稳定结构。 [ J]. 煤矿现代化,2018(3):37-42. 8] 吕学刚. 膏体充填开采条带煤柱覆岩运移规律研究[J]. 煤炭 科技,2018(3):41-43. 9] 马广兴. 柔模混凝土沿空留巷和切顶卸压沿空留巷对比分析 [ J]. 能源与环保,2018(10):185-189. ( 2)通过对切顶卸压沿空留巷巷道现场观测, 10] 侯永鹏. 深孔爆破预裂顶板及其对综放面初采期矿压与瓦斯 影响规律的研究[D]. 太原:太原理工大学,2017. 11] 高晓将,朱建明. 综放工作面端头区弧形板形成的力学机理 分析[J]. 山西建筑,2016(3):62-64. 巷道顶板位移量最大约 80 mm,巷道底板位移量最 大约 40 mm,巷道两帮无明显变形,成巷效果较好。 参 考 文 献 12] 王文杰. 切顶卸压沿空留巷技术爆破工艺应用[J]. 煤,2018, 27(8):15-16. 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Heilongjiang Keda Xinxin Environmental Protection Tech 朱广民(1972—),男,工程师,277600 山东省济宁市微山县。 Abstract Based on the geological conditions of 通信作者 张 恒(1991—),男,博士研究生,221116 江苏省徐 Yuejin Coal Mine 25110 working face,the optimization 州市大学路 1 号。 1 02 朱广民 张 恒等:跃进煤矿冲击危险工作面大直径卸压钻孔深度优化 2019 年 6 月第 6 期 2 D model of pressure relief depth of large diameter boreholes is established by using FLAC numerical simu- lation software. Combining with the theory of energy propagation attenuation,the expression of impact risk index after pressure relief of boreholes is obtained. The pressure relief effect of large diameter pressure re- lief boreholes with different depths is analyzed and compared under certain parameters. The simulation re- sults show that the pressure relief effect of large diameter pressure relief boreholes with different depths when the depth of large diameter pressure relief hole in 25110 working face is 45 m,the impact risk index is the smallest and the pressure relief effect is the most obvious. Keywords Rock burst,Large diameter borehole,Numerical simulation,Borehole optimization,Pres- sure relief effect 冲击地压是指井巷或工作面周围岩体,由于弹 工作面,地面标高为 551 ~ 596 m,煤层顶板标高为 394 ~ 451. 7 m,采深约 1 000 m。 该工作面井下位 置及其与四邻的关系可描述为:东为 23 采区下山保 护煤柱,西为 25 采区下山保护煤柱,北为 25090 综 采工作面(一分层已采),南为 25 区下部未开采煤 层。 25110 工作面巷道布置如图 1 所示。 从整体来 看,25110 工作面煤层平缓,地质构造简单,在接近 切眼处煤层有起伏,对回采稍有影响。 该工作面构 造简单,地压大,易底鼓、片帮和冒顶,因此冲击地压 现象会更加明显。 性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现 [ 1] 象,常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象 。 目 前对冲击地压的治理方法主要有大直径钻孔卸压、 顶板爆破和煤层注水等防治措施,其中,大直径钻孔 卸压技术具有操作简单、安全性好、易于控制等优点 [ 2] 而被广泛应用 。 但随着煤矿开采逐渐转为深部 开采,应力逐渐升高,原有的钻孔参数已经无法满足 现阶段的卸压要求。 因此有必要对大直径钻孔参数 [ 3] 进行优化。 刘红岗等 借助数值模拟工具,研究了 钻孔卸压的作用机理及应力场重新分布的过程,发 现合理布置卸压孔能够使巷道两帮围岩发生结构性 预裂破坏,使得围岩内高应力不断向深部转移;贾传 [ 4] 3D 洋等 采用室内试验与 FLAC 数值模拟方法研究 了钻孔卸压的全过程,认为裂纹扩展贯通导致的应 力释放是钻孔卸压的根本原因,并对钻孔直径和间 [ 5] 距参数影响进行了分析;李金奎等 基于 ADINA 有 限元数值模拟软件,根据某矿的实际开采条件建立 了 ADINA 有限元模型,模拟分析了卸压钻孔深度分 别为 3,5,8 m 条件下巷道垂向应力的分布特征,不 同钻孔深度卸压效果分析表明,卸压钻孔深度越大, 图 1 25110 工作面巷道布置示意 2 冲击地压显现情况 跃进煤矿 25110 工作面下巷由于受到 F16 逆冲 [ 6] 卸压效果越明显;易恩兵等 运用有限差分模拟软 件 FLAC 分析了软及硬煤层条件下的大直径钻孔卸 压效果,认为在软煤层中钻孔卸压效果优于硬煤层。 现阶段,对钻孔参数的研究主要集中在定性阶 段,无法有效指导跃进煤矿 25110 工作面安全生产。 因此,本研究根据该矿 25110 工作面实际地质条件, 采用数值仿真技术,对不同钻孔深度下大直径卸压 钻孔的卸压效果进行对比分析,确定合理的钻孔深 度,为该矿 25110 工作面安全开采提供保障,同时也 为同类矿井选择合理的大直径卸压钻孔参数提供借 鉴。 断层及工作面回采影响,自 2009 年 7 月份工作面开 始回采以来,共发生了 4 次比较典型的冲击现象。 特别是 2011 年 3 月 1 日上午 10 时 09 分 59 秒,当 时工作面已回采 188 m,25110 工作面下巷发生冲击 地压,震级为 3. 4 级,能量为 1. 45×108 J。 此次冲击 事件影响范围较广,23130 工作面及地面均有震感, 从工作面现场观察,破坏严重区域位于下巷 330 ~ 352 m 区域,25110 工作面下巷 210 ~ 410 m 段,合计 200 m 受到冲击影响。 3 大直径钻孔卸压深度优化 1 25110 工作面地质概况 3. 1 模型建立及参数取值 25110 工作面是跃进煤矿 25 采区右翼第 6 个 根据跃进煤矿 25110 工作面实际地质条件建立 1 03 总第 602 期 现代快3彩票官网 2019 年 6 月第 6 期 了数值模型,模型宽 200 m,高 85 m,顶部顶部施 加20. 5 MPa 的初始应力,具体结构模型见图 2,模 型共分为 6 层,分别为砾岩、砂质泥岩、泥岩、煤、泥 岩和砂岩,各分层的岩体力学参数见表 1。 巷道截 面尺寸(宽×高)为 6 m×5 m。 表 1 煤岩力学参数 岩层 名称 强度/ MPa / GPa 单向抗压 弹性模量 泊松 内聚力 内摩擦角 密度 3 比 / MPa / (°) / (kg/ m ) 砾岩 砂质泥岩 35. 25 泥岩 20. 00 -1 煤层 14. 43 52. 05 42. 16 0. 20 29. 00 26. 88 0. 15 24. 70 40 35 28 25 28 42 2 600 2 600 2 500 1 350 2 500 2 700 4. 00 2. 00 4. 00 0. 35 0. 40 0. 35 6. 00 1. 68 6. 00 2 泥岩 砂岩 20. 00 67. 33 48. 19 0. 20 31. 00 3 . 2 数值计算方案 首先对数值模型进行初始应力平衡,模型平衡 后在巷道的右帮距底板 1. 2 m 处打大直径钻孔,大 直径钻孔孔径 120 mm,孔深分别为 15,30,45,60 m;然后对不同孔深的模型分别监测其垂直应力,其 中 30 m 大直径钻孔模型如图 2 所示(为确保显示清 晰,图中对大直径钻孔的直径进行了适当放大)。 图 2 30 m 卸压孔模型 3 . 3 模拟结果及分析 如图 3 可知,巷道中未打卸压孔时,巷道两侧垂 直应力呈对称分布,垂直应力峰值位于距巷帮 13 m 的深部煤体中,最大垂直应力为 34 MPa。 打完卸压 孔后,该处垂直应力降低至 32 MPa,但在卸压孔末 端表现出明显的应力升高现象。 为进一步探究卸压孔末端引起的应力升高作用 对卸压效果的影响,对不同深度卸压孔的末端设置 了垂直应力水平监测线,监测结果见图 4。 由图 4 可知:大直径卸压钻孔末端呈现出明显的应力集中 现象,并且 15 m 卸压钻孔的最大应力峰值甚至超过 了 34 MPa,达到 40. 7 MPa,随着卸压钻孔深度的增 1 04 朱广民 张 恒等:跃进煤矿冲击危险工作面大直径卸压钻孔深度优化 2019 年 6 月第 6 期 由于高应力区域中心与巷帮的距离不同,因此高应 力区域的能量释放传递到巷帮时的衰减程度也不 [ 7] 同,那么卸压效果也将不同。 已有研究表明 ,能 量衰减与传播距离成乘幂关系,因此得到钻孔卸压 后的冲击危险指数表达式为 - η -η2 1 k = a1 l1 + a2 l2 , 式中,k 为钻孔卸压后的危险指数;a1 为高应力区域 2 的面积,m ;l1 为高应力区域 1 的中心与巷帮的距 1 图 3 未打卸压孔时最大垂直应力处的水平监测线 离,m,本研究取 13 m;η1 为高应力区域 1 的中心到 加,卸压钻孔末端的垂直应力峰值逐渐降低,并且垂 直应力峰值逐渐向深部煤体转移。 这说明煤壁施工 大直径卸压钻孔能够将垂直应力峰值向煤体深部转 移,并且卸压孔越长,钻孔末端的垂直应力峰值越 小。 巷帮的能量衰减指数;a2 为高应力区域 2 的面积, 2 m ;l2 为高应力区域 2 的中心与巷帮的距离,m;η2 为高应力区域 2 的中心到巷帮的能量衰减指数。 为简便分析,在不考虑能量衰减差异情况下取 η1 =η2 =0. 5,并将表 2 中的数据代入式 1 可得,无卸 压钻孔、15 m 深卸压钻孔、30 m 深卸压钻孔、45 m 深卸压钻孔、15 m 深卸压钻孔卸压后的冲击危险指 数分别为 16. 66、9. 63、9. 57、9. 42、10. 27。 可见,当 卸压钻孔深度为 45 m 时,冲击危险指数最小,卸压 效果最明显,说明卸压孔深度在一定范围内增加有 利于冲击地压控制,当超过一定深度后卸压效果将 下降,甚至可能增加冲击危险。 4 结 语 图 4 卸压孔处的水平监测线 以跃进煤矿 25110 工作面地质条件为基础,建 目前运用数值模拟软件评判冲击地压危险性 时,往往根据采场范围内的应力值大小来判断,即应 力值越高危险性越大,但是由于冲击地压诱发机理 的复杂性,并且井下地质条件各不相同,因此运用某 点应力值大小判断冲击地压的危险性显然不够全 面。 为此,通过划分出高应力区,比较高应力区的面 积值大小来判断冲击地压的危险性,会比依据某点 的应力值进行判断更为合理。 为较全面比较不同卸 压孔深度的卸压效果,以 30 MPa 为高应力区的临 界应力值,各模型高应力区的面积值如表 2 所示,其 中高应力区域 1 为距巷道右帮 13 m 位置、垂直应力 值高于 30 MPa 的应力区域,高应力区域 2 为钻孔末 端位置、垂直应力值高于 30 MPa 的应力区域。 表 2 模型高应力区的面积值 立了大直径钻孔卸压深度的优化模型,结合能量传 播衰减理论,得到了钻孔卸压后的冲击危险指数表 达式,并在一定的参数条件下分析并比较了不同深 度大直径卸压钻孔的卸压效果。 研究认为当卸压孔 深度为 45 m 时,冲击危险指数最小,卸压效果最明 显,当超过一定深度后卸压效果将下降,甚至可能增 加冲击危险。 参 考 文 献 [1] 许胜铭,姜福兴,陈涌泉. 开切眼附近冲击地压发生机理及防 治技术研究[J]. 煤炭科学技术,2015,43(1):37-40. 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