一側采空工作面沖擊危險性研究與分析

李新文

（大同煤礦集團鐵峰煤業有限公司，山西 大同 037200）

1 工程背景與數值模擬

1.1 工程背景

增子坊煤礦8305工作面位于十八采區東側，西鄰8304工作面采空區，東側為實體煤，南至設計停采線，工作面寬度為150m，走向推進長度為2264m。工作面所采煤層為具有中等沖擊危險的煤層。工作面布置方式如圖1所示。

圖1 8305工作面布置圖

1.2 模型建立

數值模擬采用FLAC3D模擬軟件。分析8305工作面一側8304工作面采空條件下工作面應力分布特征，著重研究相鄰8304采空區對8305工作面輔助順槽、膠帶順槽及8305工作面在回采期間的應力分布規律。

數值計算模型如圖2所示，模型尺寸長(x) ×寬（y）×高（z）為600×616×270m。8305工作面西側是8304工作面采空區。留設3.5m的保護煤柱，掘進4m寬的8305輔助順槽和8305膠帶順槽，開采8305工作面。設計數值模型時，以研究區域內C4-10鉆孔柱狀圖為依據，按柱狀圖顯示煤層開采厚度2m，直接頂、基本頂等巖層均按柱狀圖的平均厚度給定，模型巖石力學參數如表1所示。

模型采用摩爾-庫倫彈塑性模型，模型側邊界施加水平梯度應力，模型施加水平應力為8.72MPa，梯度應力0.0125MPa；模型頂部為自由邊界，施加13.25MPa的均布載荷。

圖2 數值計算模型

表1 煤巖物理力學參數表

2 應力演化規律及危險性分析

2.1 工作面掘進期間應力演化危險性分析

8305工作面輔助順槽，采用沿空掘巷，煤柱寬度為3.5m，當掘進面推進不同距離時，應力分布圖見圖3、圖4，支承壓力峰值、應力集中系數見表2。

圖3 順槽掘進200m后的應力分布云圖

圖4 順槽掘進360m后的應力分布云圖

表2 輔順掘進不同距離支承壓力及應力集中系數變化

由圖3、圖4可知，8304工作面采空區側向應力峰值向深部轉移，巷道在應力降低區掘進，巷道圍巖處于卸壓狀態，彈性能釋放，沖擊地壓危險性相對降低。

膠帶順槽在掘進期間，推進到不同距離時，支承壓力峰值、應力集中系數的變化見表3。

表3 膠順掘進不同距離支承壓力及應力集中系數的變化

由表2和3可知，輔助順槽在掘進過程中，超前支承壓力在27.85～36.27MPa之間，應力集中系數為1.56～2.07。膠帶順槽在掘進過程中，超前支承壓力在18.85～19.49MPa之間，應力集中系數在1.06～1.09之間。輔助順槽掘進過程與膠帶順槽相比較，受采空區側向應力作用影響相對較大，應加強防護措施。

2.2 工作面回采期間應力演化危險性分析

工作面推進至不同距離時，采動煤層應力分布圖如圖5、圖6所示，工作面上端頭前方高應力集中區應力峰值、應力集中系數如表4所示。

由表4可知，工作面回采過程中，相鄰8304采空區寬度增大時，8305工作面上端頭前方高應力峰值由47.16MPa變化為49.91MPa，應力集中系數由2.65變化為2.80。工作面中部前方支承應力由36.82MPa變為37.72MPa，應力集中系數由2.07變化為2.12。因此，當采空區寬度增大時，對工作面上端頭影響大于工作面中部區域。當工作面推進至200m時，應加強圍巖應力監測及輔助順槽巷道支護。

表4 回采不同距離超前支承壓力及應力集中系數的變化

2.3 工作面回采期間對順槽的影響

工作面回采過程中超前支承應力與膠順和軌順的距離關系圖見圖7。

圖7 工作面上下端頭超前應力峰值與推進距離關系曲線圖

由圖5可知，受8304工作面采空區影響，8305工作面回采過程中上端頭前方應力集中峰值穩定在45～49.91MPa之間，而工作面下端頭的超前應力峰值穩定在32～36MPa之間。上端頭應力峰值整體大于下端頭，輔助順槽受采空區影響大于膠帶順槽。因此，采空區對8305輔助順槽維護存在較大的影響，應加強沖擊危險監測與預警。

3 防治措施

3.1 監測方案

8305工作面回采期間，監測方案主要采用鉆屑法監測。主要監測地點劃定為中等沖擊危險或微震監測及現場礦壓觀測異常區域，回采工作面超前60m兩順槽。鉆孔直徑為42～45mm，孔深10m；巷道幫部間距20m，弱沖擊危險區域每推進30～50m實施一次，中等沖擊危險區域每推進10～30m實施一次。

施工方法采用壓風動力鉆打孔，采用螺紋式聯接的麻花鉆桿，每節長1.0m、Ф42mm的鉆頭。用膠結袋收集鉆出的煤粉，用測力計稱量煤粉的重量，每鉆進1m測量1次鉆屑量。主要檢測每米鉆孔的鉆屑量，單位kg。采用專用表格記錄打眼地點、時間、鉆屑排出量，以及打眼過程中出現的鉆桿跳動、卡鉆、吸鉆、劈裂聲和微沖擊等動力現象。

3.2 防治方案

工作面回采期間主要采用煤體大直徑鉆孔卸壓技術與煤體卸壓爆破技術進行沖擊地壓防治。首先通過大直徑鉆孔卸壓技術，使煤巖體應力集中程度下降或將高應力轉移到煤體深處，起到預卸壓效果。在施工卸壓鉆孔后，需采用鉆屑法檢驗，對鉆屑量和鉆屑過程的動力現象進行綜合分析，若發現煤屑量超標或存在動力現象（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15m。直至鉆屑檢測正常。如果在此基礎上仍不能消除沖擊危險，繼續采用煤體爆破進行卸壓處理，在卸壓爆破后，采用煤粉鉆孔等方法在爆破孔周圍一定區域內檢測爆破的卸載效果（或事先埋設鉆孔應力計）。如果煤粉量指標低于沖擊危險值，即認為煤層已達到了卸載的效果，否則說明煤層仍具有沖擊危險，應實施二次卸載的效果爆破。

4 結論

（1）8305工作面回采時期間，輔助順槽受采空區影響大于膠帶順槽。應加強對輔順的監測防護工作。

（2）當采空區寬度增大時，工作面上端頭應力集中系數達到2.80，應加強輔助順槽圍巖應力監測及巷道支護。

（3）工作面回采過程中，主要采用鉆屑法進行沖擊地壓監測。防治方法主要采用大直徑鉆孔卸壓技術與煤體爆破技術。為保證工作面安全高效回采，還應配合微震、應力在線監測等方法進行沖擊地壓監測與防治。