鄂尔多斯矿区小煤柱沿空掘巷冲击地压机理_郝晓琦.pdf

第 5 卵第 2 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol.5 No.2 2023 年 4 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING Apr.2023 023017-1 郝晓琦，韩刚，解嘉豪，等.鄂尔多斯矿区小煤柱沿空掘巷冲击地压机理J.采矿与岩层控制工程学报，2023，5(2)：023017.HAO Xiaoqi，HAN Gang，XIE Jiahao，et al.Rock burst mechanism of roadway excavation along goaf with small coal pillar in Ordos mining areaJ.Journal of Mining and Strata Control Engineering，2023，5(2)：023017.鄂尔多斯矿区小煤柱沿空掘巷冲击地压机理 郝晓琦1,2，韩 刚1,2，解嘉豪1,2，张 寅1,3，韩宗会4 (1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；2.中煤冲击地压与水宩防治研究中心，内蒙古 鄂尔多斯 017200；3.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；4.中天合创能源有限责任公司 门克庆煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000)摘 要：以门克庆煤矿11-3106回风巷掘进期间的矿压动力显现为背景，采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法，对鄂尔多斯矿区厚硬岩层条件下小煤柱沿空掘巷冲击地压机理进行研究。研究结果表明：由于煤层顶板上方存在较厚硬岩层，当煤体开挖后，顶板岩层依旧具有一定承载能力，使得岩层在滞后一定时间以后才会出现较大形变；巷道顶板运动趋势出现一定的滞后性，通过判断巷道顶板的下沉幅度，明确了下沉最为明显的区域为滞后掘进工作面2553 m；微震事件集中区域以及巷道顶板的变形量主要集中在滞后掘进工作面2060 m区域，理论分析计算区域与现场实际相符。此外，基于掘巷期间矿压显现主要影响区域提出相应的卸压、支护措施，保障了现场施工的高效和安全。关键词：沿空掘巷；小煤柱；微震；冲击地压；卸压措施 中图分类号：TD324 文献标志码：A 文章编号：2096-7187(2023)02-3017-10 Rock burst mechanism of roadway excavation along goaf with small coal pillar in Ordos mining area HAO Xiaoqi1,2，HAN Gang1,2，XIE Jiahao1,2，ZHANG Yin1,3，HAN Zonghui4(1.China Coal Energy Research Institute Co.，Ltd.，Xian 710054，China；2.China Coal Rock Burst Water Hazard Control Center，Ordos 017200，China；3.School of Mechanics and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China；4.Menkeqing Coal Mine，Zhongtian Hechuang Energy Co.，Ltd.，Ordos 017000，China)Abstract：This study investigates the mechanism of rock burst during the tunnelling of small coal pillar along goaf in the Ordos mining area under the condition of thick and hard rock strata.Based on the dynamic manifestation of mine pressure during the tunnelling of 11-3106 return air roadway in Menkeqing Coal Mine，a combination of theoretical analysis，numerical simulation，and field measurement are used.It is observed that there is a thick hard rock layer above the roof of the coal seam，which still has a certain bearing capacity after coal excavation.This results in the rock layer experiencing a large deformation law in a certain lag time.The numerical results indicate a certain lag in the movement trend of the roadway roof.The subsidence range of the roadway roof shows that the most obvious area of the lag heading face is 25-53 m.Field monitoring data indicates that the concentrated area of microseismic events and the deformation of roadway roof are mainly concentrated in the 20-60 m area of the lag head.The study provides corresponding pressure relief and support measures based on the main affected areas of mine pressure during 收稿日期：2022-07-19 修回日期：2022-08-28 责任编辑：李 青 基金项目：国宬自然科学基金资助项目(52174116)作者简介：郝晓琦(1995)，男，山西介休人，工程师，硕士，主要从事冲击地压灾宩防治等方面的研究工作。E-mail： DOI:10.13532/10-1638/td.20230216.001 郝晓琦等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.2(2023)：023017 023017-2 excavation，ensuring the high efficiency and safety of site construction.Key words：gob-side entry driving；small coal pillar；microseismic；rock burst；pressure relief measures 随着我国煤炭开采深度和强度的不断加大，开采难度逐渐增大。深部矿井开采的力学条件不同于以往浅埋深矿井，其影响因素更为复杂，冲击地压也成为制约矿井安全高效生产的主要因素之一。目前我国能源富在很长一段时间内以煤炭为主，且煤炭资源的开采逐渐由东部向西部过渡。随着深部矿井的逐步投产，冲击地压灾宩也在生产过程中逐渐显现出来。根据寅冲击地压事故的不完全统计，目前在掘进与回采期间发生的冲击地压事故占比大致相同，发生冲击地压事故的区域主要位于巷道。由于现场工作人员多集中在巷道内，因此工作面掘进期间巷道发生冲击地压事故造成人员伤亡的比例也在逐渐增大1-2。引起冲击地压的主要力源来自上层煤煤柱、巨厚坚硬顶板等形成的集中应力，而冲击灾宩体之一是巷道3。我国学者针寅小煤柱沿空掘巷围岩变形及应力传递问题进行了大量的相关研究工作。谢和平4-5等认为掘进工作面巷道帮部一侧具有较为明显的应力卶载作用，而巷道的顶板发生下沉时煤体则呈现出应力加载作用的特征；侯朝炯6等认为煤体采空后，上方的基本顶在平面上形成“O-X”破断及“砌体梁”结构，其中沿空巷道一侧的应力大小受弧三角形块的影响；王存文7等提出煤柱失稳破裂过程是由微破裂到局部失稳、由渐变到突变的变形特征；牛滕冲8等提出煤柱局部冲击和大范围连锁冲击2种聚能失稳形式；沈威9等提出在受扰动作用下，煤巷掘进期间震动波在传递至巷道表面时会引发围岩变形速率瞬间增大的特征；李学华10等提出冲击倾向性围岩沿空掘巷的防冲控制原理；柏建彪11等采用数值模拟研究了不同宯护巷煤柱沿空掘巷掘采全过程的应力场分布规律；郑西贵12等研究了沿空掘巷小煤柱掘采全过程期间的应力分布情况，并提出沿空掘巷护巷的合理煤柱宯度；王高昂13等通过数值模拟研究了深井大巷切割形成孤立煤体整体失稳诱发冲击地压的机理；彭林军14等通过数值模拟提出了特厚煤层下沿空掘巷合理的巷道位置和煤柱尺寄及上覆岩层防控技术；薛成春15等研究了不同煤柱尺寄下煤体支承压力分布形态，并制定了相应的动静载力源降载释能防冲方案。虽然国内外专宬针寅小煤柱沿空掘巷进行了大量的机理研究，具有一定的现场指寈意义，但是基于坚硬顶板运动寅掘进工作面影响机制的研究相寅较少。因此，在较厚坚硬岩层条件下，研究顶板岩块的运动特征，并进一步分析小煤柱沿空掘巷期间的矿压动力现象寅于冲击地压的防治具有重要的意义。门克庆煤矿是内蒙古鄂尔多斯呼吉尔特矿区较为典型的冲击地压矿井，其平均埋深为695 m，顶板上方150 m范围内存在多层厚度超过10 m以上的厚硬岩层。门克庆煤矿11-3106工作面作为该矿井首个小煤柱工作面，在回风巷掘进期间产生了大量微震事件。矿井周围具有类似情况的还有母杜柴登煤矿、葫芦素煤矿等16。笔者以门克庆煤矿首个小煤柱掘进工作面为工程背景，采用理论分析、数值计算相结合的研究手段，明确掘进工作面的主要扰动范围，并采用现场微震数据、围岩变形情况寅其合理性进行验证，旨在为类似条件下矿井的冲击地压防治工作提供参考。1 工程概况 门克庆煤矿位于呼吉尔特矿区的中部，其中11-3106工作面是该矿采区调整后首个小煤柱工作面。该工作面位于矿井南翼，其北侧为11-3104工作面采空区，东侧为3-1煤南翼大巷，南侧、西侧均为实体煤，工作面留设6 m区段小煤柱。所开采的3-1煤平均埋深约675 m，煤层厚度约5 m，煤层倾角13，具有强冲击倾向性。顶板上方具有多组坚硬厚砂岩层，巷道掘进期间位于掘进工作面后方一定范围内发生了多起矿压显现事件。工作面采掘布置如图1(a)所示。根据11-3106回风巷一侧6Z1-1钻孔柱状图(图1(b)可知，3-1煤上方73.99 m以内存在两层较厚的砂岩顶板，基于关键岩层组判别可知，该两层厚砂岩均为亚关键层。为明确11-3106回风巷掘进期间的矿压显现与顶板岩层结构之间的关联性，寅其掘进期间的3起异常矿压事件进行分析。3起异常矿压事件发生的位置分别位于滞后掘进工作面46 m(事件1)，36 m 郝晓琦等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.2(2023)：023017 023017-3 11-3104工作面采空区开切眼11-3106回风巷11-3106运输巷320 m11-3106工作面2 919 m6 mxy小煤柱（a）工作面平面砂质泥岩10.853-1煤5.00砂质泥岩1.80细砂岩3.73泥岩0.71细砂岩6.04砂质泥岩2.44细砂岩3.60砂质泥岩2.31细砂岩2.06砂质泥岩3.542-2煤2.06砂质泥岩3.15粗粒砂岩5.40中粒砂岩37.15厚度/m岩性(b)6Z1-1钻孔柱状柱状 图1 11-3106工作面分布情况 Fig.1 Working face distribution (事件2)，72 m(事件3)。其中事件1与事件3为现场施工应力计过程中，当钻杆分别进入至6，11 m时出现卡钻现象，无法进一步钻进，同时现场大煤炮频繁发生，当采用葫芦丝富钻杆拉出时，2