綜放采場沿空區段巷道底板沖擊地壓防治及工程實踐

高曉彬

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

0 引 言

從我國能源的生產和消費結構看，在未來數十年內，煤炭作為我國的主導能源不可替代。然而，數據顯示，我國煤礦平均開采深度正在以每年8-12m的速度增加[1]。隨著淺部資源逐漸消耗殆盡，深部開采勢在必行。深部煤層具有賦存復雜、承壓大、構造活躍等問題，動力災害發生頻繁，嚴重程度加劇。其中，沖擊地壓問題尤為突出。

在中國學術期刊網內檢索2001-2017年17年間的沖擊地壓相關文獻，共檢索論文533篇，涉及礦井121個，發生在回采工作面、掘進巷道和回采巷道的沖擊地壓數量分別為16個、48個和57個，巷道沖擊地壓約占87%的比例。由此可見，近年來絕大多數沖擊地壓災害都發生在巷道中，因此治理巷道底板沖擊地壓的發生，對有效防治沖擊地壓意義重大。

1 沖擊地壓影響因素分析

煤巖體開挖后，應力平衡瞬間被破壞，沖擊地壓便是煤巖體應力失衡后發生猛烈破壞的一種動力現象，其誘發因素既有煤巖體本身的力學性質影響，又有外力影響。

1.1 開采深度

巖體在三軸應力狀態下，其內部集聚有大量彈性能，根據能量守恒，沖擊地壓發生時，變形彈性能將全部對煤巖體做功使其產生破壞和運動。由此推導出沖擊地壓發生的臨界深度：

式中：Rc為煤巖體的單向抗壓強度；γ為容重；調整系數，λ為側壓系數。

從式（1）可以看出，沖擊地壓臨界深度H與煤巖體的單軸抗壓強度Rc、容重γ以及側壓系數λ有關，不同礦井沖擊地壓發生的臨界深度不同。開采深度越大，沖擊地壓發生的可能性越大，發生次數越頻繁。

1.2 地質構造

據統計，發生在構造帶（主要指斷層、褶皺、相變）附近的沖擊地壓占所有沖擊地壓發生次數的70%以上[2]。

因構造帶附近水平應力較高，側壓系數增大，從上式（1）可以看出，側壓系數λ越大H越小，構造帶減小了沖擊地壓發生的臨界深度，增加了沖擊地壓發生的可能性。

1.3 采煤方法

采煤方法對沖擊地壓的影響主要表現在支承壓力分布的影響范圍上。如圖1所示，與單一煤層開采相比，綜放開采一方面使超前支承壓力的分布范圍增大，應力峰值降低，增大了壓力分布范圍，有利于防止沖擊地壓；另一方面，裂隙區的增大改變了煤體的力學性質，使得煤體內的彈性能在釋放時得以消耗和緩沖，在一定程度上降低了沖擊危險性。

圖1 綜放與單一煤層開采支承壓力分布對比

1.4 巷道布置

巷道布置對沖擊地壓的影響主要在于是否人為造成應力的集中或疊加，要避免形成“孤島”或“半島”的現象，引起應力集中。

2 沖擊地壓防治措施

目前，我國煤礦防治沖擊地壓的方法主要有局部主動解危方法和區域性防范方法[3][4]，其中前者包括斷頂、斷底爆破、底板開槽卸壓等，后者包括優化巷道布置、開采保護層等。

1）局部主動解危方法。深孔斷頂卸可以造成厚層堅硬頂板的預先斷裂，削弱厚層頂板的連續性，減小壓力集中，以減弱或消除沖擊地壓危害。

2）區域性防范方法。采用采礦優化設計方法能夠從源頭上消除或減小應力集中程度，降低沖擊危險。如利用上區段采空區頂底板壓力釋放的優點，將下區段回風巷布置于卸壓位置，有沿空留巷、錯位布置等。

3 工程實踐

某礦采用斜井多水平開拓方式，礦井采用分組開采方式，4#、6#煤層為一組，平均傾角為33°，6#煤作為保護層開采，已開采至-1010m。4#煤層平均厚度為6.4m，曾多次發生沖擊地壓。1412工作面采用綜采放頂煤方法開采，本次工程實踐為1412工作面區段回風巷的防沖設計。

3.1 沿空巷道底板防沖設計

根據2-3節分析，本次實踐擬采用優化巷道布置的思路來完成1412工作面區段回風巷的防沖設計。

1）方案一。方案一考慮把沿空巷道布置在上工作面運輸巷正下方，即無煤柱布置方式，同時減少了資源浪費，具體布置方式見圖2。

圖2 方案一沿空巷道布置圖

2）方案二。因采深較大，僅靠解放6#煤不能完全消除沖擊地壓發生的可能性，方案二考慮尋找“假解放層”，將1412回風巷向1411采空區下方內錯布置，具體布置方式見圖3。

圖3 方案二沿空巷道布置圖

3.2 數值模擬

根據該礦地質資料，利用FlAC3D數值模擬考察兩種方案下1412回風巷的變形情況、應力云及塑性區分布。

1）兩種方案圍巖應力分布考察。

圖4 兩種方案下開巷道圍巖應力云分布圖

由圖4對比可以看出，方案一1412回風巷圍巖承壓較大，在支護完整的情況下，必然造成底板壓力集聚，進而引起沖擊地壓。方案二1412回風巷圍巖應力整體偏低，圍巖承壓分布均勻，有利于防止沖擊地壓。

2）兩種巷道圍巖塑性區考察。

由圖5可見，巷道開挖后，巷道周圍圍巖表現不同程度的破壞，方案二的塑形破壞區遠比方案1的大，也就表明圍巖對沖擊的緩沖能力較強，這對于防止沖擊地壓是極其有利的。

3）兩種方案下超前支承壓力考察。

由圖6對比可以看出，方案二工作面前方最大支承壓力較小，有利于巷道維護。

圖6 兩種方案超前支承壓力分布圖

4）兩種方案最大底鼓量考察。

圖7 兩種方案工作面后方50m處最大底鼓量對比

由圖7對比可以看出，兩種開采方式下頂底板位移量均相對較小，但方案二后期底鼓量增加較少，有利于巷道維護。

4 結 論

1）沖擊地壓臨界深度與煤巖體的單軸抗壓強度、容重以及側壓系數有關，不同礦井沖擊地壓發生的臨界深度不同。開采深度越大，沖擊地壓發生的可能性越大，發生次數越頻繁。

2）在開采有沖擊危險性的煤層時，應做好前期的地質探查工作，盡量避免巷道布置于較大的構造帶內。合理布置工作面，合理選擇采煤方法可在一定程度上規避沖擊危險性。

3）巷道優化布置對于工作面超前支承壓力峰值大小、位置影響較大。合理的巷道布置，對于分散支承壓力、緩沖圍巖應力效果比較明顯，應力分布相對均衡。

4）防沖巷道布置方案下，底鼓量均較小，有利于巷道的維護。