斷層附近工作面沖擊危險性評價及解危技術分析

李楊楊，韋 一

(1.山東能源淄礦集團唐口煤業公司，山東 濟寧 272055；2.山東省煤炭技術服務公司，山東 濟南 250022)

0 引言

華豐煤礦2409工作面有2條較大斷層貫穿于兩順槽之間，根據礦壓理論[1-3]，在工作面回采過程中，當工作面臨近斷層時，工作面的支承壓力及頂板運動將會受到斷層的影響，如果預防不及時，將會導致局部應力集中及頂板的劇烈運動，有可能引發沖擊地壓的發生。因此，針對2409工作面工程概況，采用綜合指數法對工作面進行沖擊危險等級評價，并應用大直徑鉆孔卸壓，降低工作面沖擊危險，防止了沖擊地壓的發生。

1 工程概況

2409工作面位于華豐井田西翼五水平前組一采區西部第一區段，上下限標高分別為-750～-840 m，工作面平均走向長度870 m，傾斜長160 m，傾角31°～34°，由東向西推采。工作面所采3煤在本區為一結構較為簡單的厚煤層，煤厚變異系數28%，為較穩定煤層，煤層傾角31°～34°，平均32°，硬度系數f=1.5～2.5，單向抗壓強度10.8～25.5 MPa，自然含水率2%。3煤直接頂為2.5 m粉細砂巖，密度2.75 t/m3，單向抗壓強度69.5 MPa，抗拉強度3.8 MPa。基本頂總厚度為78 m，其中第一分層22 m，為中細和中粗砂巖，第二分層56 m，為中細砂巖。基本頂之上為70 m泥巖和紅土層，紅土層之上為厚500 m以上的堅硬砂礫巖。直接底為4.4 m厚的中砂巖，密度2.64 t/m3，孔隙率1.98%，含水率0.47%，單向抗壓強度74.2 MPa，抗拉強度7.08 MPa，抗彎強度36.4 MPa。

圖1 2409工作面平面圖

2 沖擊危險綜合指數法定量評價

2.1 地質因素及指數

根據以往學者結合斷層沖擊地壓的影響因素制定了見表1采掘工作面部分地質條件下影響斷層沖

表1 地質條件影響斷層沖擊地壓危險狀態的因素及指數

擊地壓危險狀態的因素與指數[1-2]。可通過式1確定。

(1)

式中：Wt1—沖擊地壓危險指數；Wimax—表1中第i個地質因素中的最大指數值；Wi—采掘工作面周圍第i個地質因素的實際指數；n1—地質因素的數目。

表2 開采技術條件影響沖擊地壓危險狀態的因素及指數

2.2 開采技術因素及指數

學者結合臨近斷層工作面引起沖擊地壓的開采因素，確定了相對應的沖擊地壓危險指數，可由式2確定[1-2]。

(2)

式中：Wt2—開采技術因素確定的沖擊地壓危險指數；Wimax—表2中第i個開采技術因素的危險指數最大值；n2—開采技術因素的數目。

2.3 工作面沖擊危險性定量評價

根據這2個指數，用式3就可確定出采掘工作面周圍沖擊地壓危險狀態等級評定的綜合指數Wt。

Wt=max{Wt1,Wt2}

(3)

對沖擊的危險程度按評定其等級的綜合指數法可定量化分為5級，相應的劃分標準及應采取的對策見表3[3-5]。

2409工作面3煤及頂底板巖層通過煤科總院北京開采研究所巖石力學實驗室的沖擊傾向性測定，測定結果認為：3煤下部屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性的煤層；3煤上部屬于Ⅲ類，為具有強沖擊傾向性的煤層；3煤頂板屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性的巖層。

根據2409工作面地質因素及開采技術條件，采用綜合指數法評定其沖擊危險性指數，分析見表4。

表4 由2409工作面地質條件確定的沖擊危險狀態評定指數

2409工作面掘進、回采技術因素影響下的沖擊危險性指數Wt2=0.44，判定為弱沖擊危險性，主要影響因素為沿空掘巷煤柱寬度等，見表5。

通過綜合比較分析，認為2409工作面沖擊危險狀態等級評定為中等偏弱的沖擊危險性，沖擊危險指數為Wt=max{Wt1,Wt2}=0.56，其中，采區地質因素影響較重。在2409工作面正式回采生產后，工作面的開采深度及斷層構造將起主要的影響作用。

表5 由工作面開采技術條件確定的沖擊危險狀態評定指數

3 工作面卸壓解危技術

3.1 大直徑鉆孔卸壓數值模擬研究

數值模型的建立：為了研究大直徑鉆孔卸壓機理，為大直徑鉆孔卸壓方案的現場實施提供理論依據，本文選用FLAC3D數值軟件，研究鉆孔直徑、間距對卸壓效果的影響，模型前、后、左、右均施加水平約束，底部施加垂直約束。模擬過程中采用莫爾-庫倫屈服準則，模型物理力學參數見表6。

表6 模型參數取值

鉆孔直徑對卸壓效果的影響：取鉆孔間距3 m，孔深20 m，采深800 m不變，通過分析鉆孔直徑分別為50 mm、100 mm及200 mm時卸壓效果，研究鉆孔直徑對卸壓效果的影響。圖2～4表示不同鉆孔直徑時Szz方向應力等值線圖。

圖2 鉆孔直徑50 mm Szz等值線圖

圖3 鉆孔直徑100 mm Szz等值線圖

由圖2～4可知，鉆孔卸壓后，在鉆孔周圍應力發生重新分布，使得應力集中區向深部轉移，鉆孔直徑越大，應力降低區范圍越廣，卸壓效果越明顯；鉆孔直徑越大，卸壓后在煤體中重新形成的應力增高區范圍越小，卸壓效果越好，再次發生沖擊危險的可能性越低。

鉆孔間距對卸壓效果的影響：取鉆孔直徑100 mm，孔深20 m，采深800 m不變，通過分析鉆孔間距分別為1 m、3 m及5 m時卸壓效果，研究鉆孔間距對卸壓效果的影響。通過觀測，實施鉆孔卸壓后，煤層最大主應力明顯降低，由20 MPa降低到6 MPa左右，且在鉆孔周圍形成明顯的應力降低區；不同的鉆孔間距，卸壓效果差別極大，當孔間距為1 m時，應力降低區(6 MPa)全面連接，形成一個連續、閉合的降壓區域，卸壓效果較好，隨著鉆孔間距的增加，該降壓區域逐漸喪失連續性，直至形成相互獨立的非連續區域，卸壓效果不斷變差。

3.2 大直徑鉆孔卸壓現場實施方案

根據以上數值模擬研究，至斷層距離30～40 m時，沖擊危險最為強烈。以上述大直徑鉆孔數值模擬成果為指導，對華豐煤礦2409工作面進行現場大直徑鉆孔卸壓解危。

運輸巷卸壓施工：卸壓鉆孔直徑110 mm，巷幫兩側孔深15～20 m，鉆孔距巷道底板1.2 m，平行煤層方向，呈三花跟布置，卸壓范圍為工作面前方300 m，卸壓鉆孔布置如圖5和圖6所示。

圖5 卸壓鉆孔剖面圖

圖6 卸壓鉆孔平面圖

材料巷卸壓施工：材料巷僅對內幫實施大直徑鉆孔卸壓，留設小煤柱護巷，煤柱側暫不需采取卸壓措施，煤壁鉆孔參數同運輸巷。

4 結語

運用綜合指數法定量評價確定了華豐煤礦2409工作面沖擊危險等級狀態，根據該工作面的地質條件，判定具有中等沖擊危險性，根據其開采技術因素，判定為弱沖擊危險性，最終綜合判定其具有中等偏弱的沖擊危險性。通過數值模擬，研究了鉆孔直徑、間距對卸壓效果的影響。結果表明，鉆孔直徑越大，間距越小，卸壓效果越好，并以此提出對2409工作面進行現場大直徑鉆孔卸壓方案。