不同埋深下采煤工艺对采场应力调控及能量释放的影响机制

摘要

随着我国煤炭资源深部开发程度提高，高地应力与复杂覆岩结构诱发冲击地压灾害日益突出，严重制约着矿井的安全、高效开采.鄂尔多斯矿区作为典型深部厚煤层富集区，综放与综采2种开采工艺下采场动力显现及巷道围岩响应特征存在显著差异，综放、综采与动力显现的关联效应及其在不同埋深区域的适应性有待深入研究.为此，以营盘壕煤矿2215综采工作面与2102综放工作面为研究对象，构建了采场支承压力理论模型，解析获得了不同开采工艺下支承压力峰值计算方法；通过PFC数值仿真计算，查明了不同开采工艺、不同埋深条件下不同层位岩层弹性应变能积聚与释放特征，揭示了综放与综采动力显现差异的形成机制.结果表明：综放开采能将部分近场岩层弯曲破断所突释的弹性能以顶煤损伤及破碎耗能机制缓冲，这种机制限制了近场弹性能向煤壁前方传递，从而在源头上降低了综放工作面超前支承压力峰值.在300～800 m埋深范围内，综放工作面超前支承压力峰值普遍降为综采工作面的87.9%～93.8%，顶煤在压缩破碎过程中有效吸收和消纳了近场岩层断裂释能，减弱了近场应力集中程度.相较于综采，综放开采时近场厚硬岩层不同区位弹性应变能释放量显著降低，这与两矿井现场微震实测结果即综放工作面在初次来压、单见方及双见方各阶段均呈现出“低能级、低频次”特征相一致.埋深超过600 m后，综放较综采在深部开采中表现出明显更优的近场能量调节与冲击地压防控作用.本研究可为深部厚煤层安全开采工艺选择与动力灾害防控提供参考.

关键词

深部 / 冲击地压 / 综放开采 / 综采开采 / PFC

基金资助

国家自然科学基金项目(52204107,52525401); 中国博士后科学基金第74批面上项目(2023M742944)