沿斷層開采工作面沖擊危險分析及防治技術研究

李新文

（大同煤礦集團鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 大同 037200）

1 工程背景與數(shù)值模擬

1.1 工程背景

增子坊煤礦5300工作面位于礦井中南部，開采煤層為山西組3煤，地面標高為+43.87～ +44.98m，平均采深為849 m。工作面寬230 m，推進長度為634.3 m，為五采區(qū)北翼首采工作面，西部靠近DF46畢垓斷層，斷層落差為16～43 m，工作面沿斷層回采。

1.2 模型建立

采用FLAC3D軟件對5300工作面開采過程中的應力場演化規(guī)律進行了模擬研究，觀測斷層附近巷道圍巖應力變化情況，為沖擊危險分析提供依據(jù)，模型如圖1所示。

在數(shù)值模型中，根據(jù)Z8鉆孔柱狀圖參數(shù)，煤層開采高度即按柱狀圖顯示的平均值給定，直接頂、基本頂?shù)葞r層均按實際平均厚度給定。模型范圍：640 m（長）× 784 m（寬）× 166 m（高），煤巖物理力學參數(shù)見表1所示。模型左右前后邊界施加水平約束，即邊界水平位移量為零；模型底部邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移量均為零；模型頂部為自由邊界，施加19.42 MPa的均布載荷。

2 應力演化規(guī)律及危險性分析

2.1 工作面開采過程應力演化分析

通過研究工作面推進至不同距離時，工作面上端頭前方高應力集中區(qū)應力峰值、應力集中系數(shù)、工作面中部超前支承應力峰值、應力集中系數(shù)及下端頭前方應力集中區(qū)應力峰值、應力集中系數(shù)的變化情況，對工作面開采過程中的危險區(qū)域進行分析，具體數(shù)據(jù)見表2。

圖1 三維數(shù)值模型

表1 煤巖物理力學參數(shù)表

表2 工作面開采過程中超前支承壓力及應力集中系數(shù)

由表1可知：隨著工作面向停采線的推進，5300工作面上端頭前方高應力峰值工作面中部前方支承壓力及工作面中部超前支承壓力峰值呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。在推進工作面612 m時工作面上端頭超前支承壓力峰值及中部超前支承壓力峰值最大。受畢垓斷層構造影響，上端頭處于高應力狀態(tài)，應加強監(jiān)測與防范。

2.2 順槽在掘進過程中應力演化規(guī)律

由圖2可知：受畢垓斷層的影響，運輸順槽圍巖處于高應力狀態(tài)，應力峰值穩(wěn)定在28.76MPa～29.81MPa之間，對5300運輸順槽具有較大的影響，應加強沖擊危險監(jiān)測與預警；軌道順槽應力峰值穩(wěn)定在24.06MPa～24.95MPa之間，軌道順槽受畢垓斷層的影響相對較小。

圖2 順槽掘進過程中圍巖應力變化

2.3 工作面在回采過程中對順槽的影響

由圖3可知，受畢垓斷層的影響，5300工作面上端頭處于高應力狀態(tài)，超前支承應力峰值穩(wěn)定在42.18 MPa～61.90 MPa之間，對5300運輸順槽維護存在較大的影響，應加強沖擊危險監(jiān)測與預警；下端頭的超前應力峰值穩(wěn)定在35.72 MPa～57.96 MPa之間，軌道順槽受畢垓斷層的影響相對較小。

圖3 工作面上下端頭超前應力峰值與推進距離關系

3 沖擊地壓監(jiān)測與防治措施

3.1 監(jiān)測方案

5300工作面回采期間，主要采用鉆孔應力在線監(jiān)測系統(tǒng)對工作面前方采動應力場及特定區(qū)域應力場進行實時監(jiān)測，記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)并繪制應力變化曲線，實時準確反映采煤工作面煤體應力，及時發(fā)現(xiàn)應力超限預警區(qū)域，采用鉆屑法對預警區(qū)進行檢驗。

根據(jù)5300工作面的布置特點及構造特征，工作面前方200m范圍內(nèi)，壓力傳感器在兩順槽內(nèi)自工作面前方30m開始布置，軌道順槽受畢垓斷層影響，斷層煤柱應力集中程度較高，在軌道兩幫安裝壓力傳感器，運輸順槽壓力傳感器安裝在回采實體煤側(cè)，強沖擊危險區(qū)20m一組，中等沖擊危險區(qū)30m一組。每組兩個測點，間距0.5～2m，埋設深度分別為8m、14m，對工作面回采影響巷道危險區(qū)域進行實時應力在線監(jiān)測預警。

3.2 防沖措施

5300工作面回采產(chǎn)生的超前支承壓力與相鄰采空區(qū)側(cè)向支承壓力疊加，使巷道圍巖應力進一步升高，聚積大量的彈性能，故需在巷道掘進卸壓的基礎上對巷道周圍煤體進一步卸壓。卸壓的力度根據(jù)微震監(jiān)測和鉆屑法監(jiān)測的結果來確定。

沿工作面兩回采巷道實體煤側(cè)分別打卸壓孔，超前卸壓距離不低于200 m。弱沖擊危險區(qū)鉆孔間距為3 m，中等沖擊危險區(qū)鉆孔間距為2 m，強沖擊危險區(qū)鉆孔間距1 m。鉆孔直徑150 mm，孔深不小于20 m，距巷道底板1.2 m，垂直煤壁，與掘進時所打卸壓孔間隔布置，打鉆時避免鉆入頂?shù)装鍘r層。

在預處理后，需采用鉆屑法檢驗，對鉆屑量和鉆屑過程的動力現(xiàn)象進行綜合分析，若發(fā)現(xiàn)煤屑量超標或存在動力現(xiàn)象（震頂、煤炮、沖擊等），采用加密大直徑鉆孔進行卸壓解危，在原大直徑鉆孔之間增加一個大直徑鉆孔，孔深20 m。

4 結論

（1）5300工作面沿斷層回采時，靠近斷層的運輸順槽附近區(qū)域為強沖擊危險區(qū)。回采期間應加強對運輸順槽的監(jiān)測預警，減小鉆屑監(jiān)測孔間距，及時測試煤粉量，當煤粉超標時及時采取卸壓措施，加強巷道支護，保證安全生產(chǎn)。

（2）工當工作面推進612m時，上端頭和中部超前支承應力最大，分別為69.1MPa、56.4MPa，處于高應力狀態(tài)，應加強監(jiān)測與防范，做好安全防護措施。

（3）工作面回采期間，主要防沖措施為鉆孔應力在線監(jiān)測與煤體大直徑鉆孔卸壓技術。為保證工作面安全作業(yè)，還應實施煤體卸壓爆破及底煤松動爆破等解危措施并且制定相關危險治理方案，保證安全高效生產(chǎn)。