本文基于老石旦煤矿031604工作面为研究对象，其顶板为软岩，局部地区采深超过400 m，现对煤层中的应力集中情况进行分析，受回采需要，随着工作面031604推进，与邻近采空区031601缩面后形成不规则煤柱、及后期与采空区形成煤柱时内部应力集中情况，采用现场监测数据及FLAC数值模拟分析，运用多因素耦合法，经研究发现随着回采工作面的推进，应力集中情况由不规则煤柱中心部分逐渐转移到煤柱031604工作面实体煤一侧。结果表明在此地质条件下031604工作面不会发生冲击地压。 Based on Laoshidan Coal Mine 031604 working face as the research object, its roof is soft rock, and the mining depth in some areas is more than 400 m, the stress concentration in coal seam is analyzed. With the advance of working face 031604, irregular coal pillars are formed after con-traction with adjacent goaf 031601, and the internal stress concentration of coal pillars formed with goaf in the later stage is adopted. Based on the field monitoring data and FLAC numerical simulation analysis, using the multi-factor coupling method, it is found that with the advance of the mining face, the stress concentration gradually shifts from the irregular central part of the coal pillar to the solid coal side of the coal pillar 031604 working face. The results show that no rock burst will occur in 031604 working face under this geological condition.
本文基于老石旦煤矿031604工作面为研究对象，其顶板为软岩，局部地区采深超过400 m，现对煤层中的应力集中情况进行分析，受回采需要，随着工作面031604推进，与邻近采空区031601缩面后形成不规则煤柱、及后期与采空区形成煤柱时内部应力集中情况，采用现场监测数据及FLAC数值模拟分析，运用多因素耦合法，经研究发现随着回采工作面的推进，应力集中情况由不规则煤柱中心部分逐渐转移到煤柱031604工作面实体煤一侧。结果表明在此地质条件下031604工作面不会发生冲击地压。
软岩，不规则煤柱，冲击地压，应力集中，回采工作面
Wei Wang, Ruifeng Ji, Yi Zhao
Laoshidan Coal Mine of National Energy Group Wuhai Energy Co., Ltd., Wuhai Inner Mongolia
Received: Sep. 19th, 2020; accepted: Oct. 7th, 2020; published: Oct. 14th, 2020
Based on Laoshidan Coal Mine 031604 working face as the research object, its roof is soft rock, and the mining depth in some areas is more than 400 m, the stress concentration in coal seam is analyzed. With the advance of working face 031604, irregular coal pillars are formed after contraction with adjacent goaf 031601, and the internal stress concentration of coal pillars formed with goaf in the later stage is adopted. Based on the field monitoring data and FLAC numerical simulation analysis, using the multi-factor coupling method, it is found that with the advance of the mining face, the stress concentration gradually shifts from the irregular central part of the coal pillar to the solid coal side of the coal pillar 031604 working face. The results show that no rock burst will occur in 031604 working face under this geological condition.
Keywords:Soft Rock, Irregular Coal Pillar, Rock Burst, Stress Concentration, Mining Face
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冲击地压是一种由于受到采动影响，集聚在煤岩层中的弹性能瞬时释放而引发的动力灾害，经研究表明开采深度与冲击地压发生频率呈正相关关系，开采深度越大，冲击地压显现越频繁 [
国家能源集团乌海能源公司老石旦煤矿位于内蒙古自治区桌子山煤田西翼的老石旦矿区，行政区划属乌海市海南区管辖。老石旦煤矿技改完成后采用主斜井–副斜井–回风立井混合式开拓方式，采用单一水平采区式开采，共划分南采区、北一采区、北二采区，北三采区四个采区。现南采区、北一采区和北二采区已全部开采结束，并封闭完毕。矿井共布置主斜井、缓坡副斜井、回风立井三个井筒。矿井主要开采的是石炭二叠纪的12#、16#煤层，但是目前主要回采的是16#煤层北三采区的031604综采放顶煤工作面。
031604综采放顶煤工作面位于北三采区16#煤层，属稳定的中厚煤层。工作面煤层倾角1˚~4˚，煤层平均总厚度为8.8 m，纯煤平均厚度为7.5 m，含3~4层夹矸，煤层结构复杂，煤层走向为147˚，倾向为237˚。煤层可采指数为1，变异系数15%，煤层赋存较稳定，该工作面煤层较松软，局部顶板可能破碎。工作面走向全长约2500 m，工作面分南北翼部分，南翼部分走向长1060 m，北翼部分走向长1440 m，现南翼部分剩余73.8 m (含三条下山44.76 m)，北翼还未开采，031604工作面南翼部分开采时，倾斜长264 m，南翼过旧系统三条下山开采结束后，要求变为单翼开采，变成单一开采后进行缩面形成不规则煤柱，此时工作面倾斜长为213 m，近水平煤层。如下图1所示。
图1. 031604工作面模拟俯视图
自2018年6月1日至2018年6月15日，取15天数据进行分析，如下图2所示：通过统计分析可以看出整个工作面支架阻力(由于支架的工作阻力和顶板压力是一对作用力和反作用力关系，两者大小相等，方向相反)平均值在14~19 MPa之间，整个工作面最大阻力不超过25 MPa，根据《煤矿安全生产标准化》规定，工作面液压支架的初撑力不低于额定值的80%来分析，由于该工作面液压支架的额定值为32 MPa，所以工作面液压支架的初撑力均不低于25.6 MPa，从观测的支架阻力数值来看，031604工作面最大阻力不超过25 MPa，即整个工作面的顶板压力不超过25 MPa，所以均在于工作面液压支架的初撑力25.6 MPa以下，即在液压支架有效支撑范围之内，因此发生冲击地压危险性较小。
图2. 031604工作面15天支架阻力变化情况
基于回采工作面031604推进，逐渐临近采空区031601工作面，为了形成合理煤柱进行一次缩面形成80 m煤柱及与采空区031601相邻时形成30 m煤柱时煤柱中应力集中情况。
(1) 如图3：当工作面推进时，031604工作面与采空区03601工作面之间会形成80 m煤柱(图中8.54 × 106 MPa的红颜色部位为80 m煤柱所在的位置)，煤柱的应力峰值与工作面未开采时相比较，有明显升高，峰值为8.54 MPa且集中在煤柱中心部位，此时煤柱处于应力平衡状态。
图3. 031604工作面开采到缩面位置的应力分布图
(2) 如图4：031604工作面一次缩面后与031601工作面形成60 m煤柱时，煤柱中应力升高，峰值达到9.21 MPa，此时煤柱仍然处于应力平衡状态。
图4. 031604工作面缩面后开采50 m时的应力分布图
(3) 如图5：031604工作面一次缩面后继续推进与031601采空区形成30 m煤柱，其煤柱的应力峰值为9.20 MPa，应力峰值集中在031604实体煤一侧，此时煤柱应力平衡。
图5. 031604工作面缩面后开采200 m时的应力分布图
(4) 如图6：031604工作面推进与031601采空区形成200 m长30 m宽煤柱时，煤柱的应力峰值下降到8.94 MPa，此时30 m煤柱区域应力集中较小，应力峰值集中在031604实体煤一侧，此时煤柱应力平衡。
图6. 031604工作面缩面后开采400 m时的应力分布图
通过对031604工作面的危险因素进行评定，并对其评定结果计算 [
计算的到的冲击地压危险因素指数为Wt1
| 序号 | 影响因素 | 因素说明 | 因素分类 | 评估指数 | 该项取值 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | W1 | 同一水平煤层冲击地压 发生历史次数/n | n = 0 | 0 | 0 |
| n = 1 | 1 | ||||
| 2 ≤ n < 3 | 2 | ||||
| n ≥ 3 | 3 | ||||
| 2 | W2 | 开采深度/h | h ≤ 400 m | 0 | 0 |
| 400 m < h ≤ 600 m | 1 | ||||
| 600 m < h ≤ 800 m | 2 | ||||
| h > 800 m | 3 | ||||
| 3 | W3 | 上覆裂隙带内坚硬厚层岩层距煤层的距离/d | d > 100 m | 0 | 0 |
| 50 m< d ≤ 100 m | 1 | ||||
| 20 m < d≤ 50 m | 2 | ||||
| d ≤ 20 m | 3 | ||||
| 4 | W4 | 煤层上方100 m范围 顶板岩层厚度特征参数/Lst, | Ls < 50 m | 0 | 0 |
| 50 m < Lst ≤ 70 m | 1 | ||||
| 70 m < Lst ≤ 90 m | 2 | ||||
| Lst > 90 m | 3 |
| 5 | W5 | 开采区域内构造引起的 应力增量与正常应力值之比/ γ = ( σ g − σ ) / σ | g ≤ 10% | 0 | 1 |
|---|---|---|---|---|---|
| 10% < g ≤ 20% | 1 | ||||
| 20% < g ≤ 30% | 2 | ||||
| g > 30% | 3 | ||||
| 6 | W6 | 煤的单轴抗压强度/Rc | Rc ≤ 10 MPa | 0 | 1 |
| 10 MPa < Rc ≤ 14 MPa | 1 | ||||
| 14 MPa < Rc ≤ 20 MPa | 2 | ||||
| Rc > 20 MPa | 3 | ||||
| 7 | W7 | 煤的弹性能指数/WET | WET < 2 | 0 | 1 |
表1. 地质条件影响冲击地压危险状态的因素及指数
U Ι c = { 0.5 Ι c Ι c ≤ 1.0 Ι c − 0.5 1.0 < Ι c < 1.5 1.0 Ι c ≥ 1.5 (式1)
得出影响冲击地压的地质因素为Wt1 = 0.41。
(1) 根据开采技术条件、开采历史，煤柱、停采线等这些开采历史和开采技术因素(表2)，确定相应的影响冲击地压危险状态的指数，从而为冲击地压的预测预报和危险性评估，冲击地压的治理提供依据 [
| 序号 | 影响因素 | 因素说明 | 因素分类 | 评估指数 | 评估取值 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | W1 | 保护层的卸压程度 | 好 | 0 | 0 |
| 中等 | 1 | ||||
| 一般 | 2 | ||||
| 很差 | 3 | ||||
| 2 | W2 | 工作面距上保护层开采 遗留的煤柱的水平距离hz | hz ≥ 60 m | 0 | 1 |
| 30 m ≤ hz < 60 m | 1 | ||||
| 0 m ≤ hz < 30 m | 2 | ||||
| hz < 0 m (煤柱下方) | 3 | ||||
| 3 | W3 | 工作面与临近采空区的关系 | 实体煤工作面 | 0 | 1 |
| 一侧采空 | 1 | ||||
| 两侧采空 | 2 | ||||
| 三侧及以上采空 | 3 | ||||
| 4 | W4 | 工作面长度Lm | Lm > 300 m | 0 | 1 |
| 150 m ≤ Lm < 300 m | 1 | ||||
| 100 m ≤ Lm < 150 m | 2 | ||||
| Lm < 100 m | 3 |
| 5 | W5 | 区段煤柱宽度d | d ≤ 3 m，或d ≥ 50 m | 0 | 3 |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 m < d ≤ 6 m | 1 | ||||
| 6 m < d ≤ 10 m | 2 | ||||
| 10 m < d < 50 m | 3 | ||||
| 6 | W6 | 留底煤厚度td | td = 0 m | 0 | 0 |
| 0 m < td ≤ 1 m | 1 | ||||
| 1 m < td ≤ 2 m | 2 | ||||
| td > 2 m | 3 | ||||
| 7 | W7 | 向采空区掘进的巷道， 停掘位置与采空区的距离Ljc | Ljc ≥ 150 m | 0 | 无 |
| 100 m ≤ Ljc < 150 m | 1 | ||||
| 50 m ≤ Ljc < 100 m | 2 | ||||
| <50 m | 3 | ||||
| 8 | W8 | 向采空区推进的工作面，停采线与采空区的距离Lmc | Lmc ≥ 300 m | 0 | 无 |
| 200 m ≤ Lmc < 300 m | 1 | ||||
| 100 m ≤ Lmc < 200 m | 2 | ||||
| Lmc < 100 m | 3 | ||||
| 9 | W9 | 向落差大于3 m的断层推进的工作面或巷道，工作面或迎头与断层的距离Ld | Ld ≥ 100 m | 0 | 0 |
| 50 m ≤ Ld < 100 m | 1 | ||||
| 20 m ≤ Ld < 50 m | 2 | ||||
| Ld < 20 m | 3 | ||||
| 10 | W10 | 向煤层倾角剧烈变化(>15˚)的向斜或背斜推进的工作面或巷道，工作面或迎头与之的距离Lz | Lz ≥ 50 m | 0 | 无 |
| 20 m ≤ Lz < 50 m | 1 | ||||
| 10 m ≤ Lz < 20 m | 2 | ||||
| Lz < 10 m | 3 | ||||
| 11 | W11 | 向煤层侵蚀、合层或厚度变化部分推进的工作面或巷道，接近煤层变化部分的距离Lb | Lb ≥ 50 m | 0 | 无 |
| 20 m ≤ Lb < 50 m | 1 | ||||
| 10 m ≤ Lb < 520 m | 2 | ||||
| Lb < 510 m | 3 |
表2. 开采技术条件影响冲击地压危险状态的因素及指数
(2) 根据影响冲击地压危险状态的开采技术因素，经计算冲击地压危险指数为0.24。
(3) 用下式来确定采掘工作面周围开采技术条件对冲击地压危险状态的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数Wt2 [
W t 2 = ∑ i = 1 n 2 W i ∑ i = 1 n 2 W i max (式2)
(4) 以上给出了采掘工作面周围地质因素和采矿技术因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数Wt1和Wt2的具体表达式，根据这两个指数，用下式就可以确定出采掘工作面周围冲击地压危险状态等级评定的综合指数Wt [
W t = max { W t 1 , W 2 } (式3)
(5) 式中，Wt为某采掘工作面的冲击地压危险状态等级评定综合指数，以此可以圈定冲击地压危险程度 [
根据以上分级，确定031604工作面冲击危险综合指数为0.24，为无冲击危险。
(1) 分析了老石旦煤矿031604工作面地质条件和开采条件的多因素耦合影响因素，以支架数据分析可知：无强烈开采扰动条件下不会发生冲击地压事故。
(2) 采用FLAC3D数值模拟分析了老石旦煤矿031604工作面开采过程中的应力分布及其演化规律；分析了031604工作面推进和采空区形成不规则煤柱中的应力集中情况。
(3) 采用综合指数法对老石旦煤矿031604工作面冲击地压危险性进行了评估，结果表明，老石旦煤矿031604工作面不具备发生冲击地压的可能性，属于无冲击地压危险矿井，按照常规管理进行开采即可。
王 玮,冀瑞锋,赵 艺. 软岩煤层不规则煤柱对冲击地压的影响Influence of Irregular Coal Pillars in Soft Rock Seam on Rock Burst[J]. 矿山工程, 2020, 08(04): 468-475. https://doi.org/10.12677/ME.2020.84059