工作面沖擊危險區域的多因素耦合劃分

黃河

【摘? 要】論文以撫順泰和煤炭開發有限公司泰和煤礦一層煤為研究對象，結合構造、煤柱尺寸、底煤厚度、回采特殊時期、切眼及停采線，確定工作面發生沖擊地壓的危險區域，并以此為基礎進行設計，最終實現正常采掘作業。

【Abstract】This paper takes the first layer coal of Taihe Coal Mine of Fushun Taihe Coal Development Company Limited as the research object， combines the structure， coal pillar size， bottom coal thickness， special mining period， cutting hole and stoping line to determine the dangerous area of rock burst on the working face， and designs on this basis to finally realize normal mining operation.

【關鍵詞】沖擊地壓;多因素耦合;區域預測

【Keywords】rock burst; multi factor coupling; regional prediction

【中圖分類號】TD324? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2022）01-0185-03

1 概況

1.1 礦井概況

泰和煤礦井田位于撫順煤田的東部，原龍鳳井田的北部，地理坐標為東經：123°58′23″～123°59′09″，北緯：41°51′27′～41°51′59′。走向平均長度1.845 km，南北寬1.567 km，井田面積1.644 6 km2。礦井核定生產能力90萬噸/年，2017年生產煤炭76.9萬噸，截至2017年底剩余可采儲量792萬噸。

1.2 煤層概況

本層煤采用斜井開拓方式，現有4條斜井布置在井田中央，井筒凈斷面均為14.56 m2，共分為西部和東部兩個采區，西部采區現回采第十三綜放工作面，第十五、十七、十八工作面為后備面;東部采區現回采第三工作面，回采工作面采用炮采放頂煤、整體懸移支架支護、采空區自然垮落回采工藝。泰和煤礦工作面采掘平面圖如圖1所示。

1.3 煤層賦存情況

礦區內含煤地層主要為古城子組，該組含特厚煤層即稱為一層煤或本層煤，是煤礦開采的主要煤層，該煤層分為三、四、五、六4個分層，煤層頂板為一層煤的老頂油母頁巖，全層發育一般為褐色，層狀構造，參差狀斷口，具油脂感，性脆易碎，風化后呈片狀，含有完整的動植物化石，層厚90～120 m。

1.4 煤層頂底板情況

可采主煤層由煤層及頁巖、砂巖夾石層構成，堅固性系數最小為1.0，最大為2.0，一般為1.2～1.5，屬中硬煤（巖）層，頂板是油頁巖，堅固系數為2.0，亦屬中硬巖層，一般成塊狀結構，整體性較差。底板是頁巖，其下為凝灰巖和玄武巖層，堅固性系數為3.7～6.7，一般為5.2，屬堅硬巖層，其凝灰巖具有遇水松軟、膨脹的特征。

1.5 地質構造

本層煤地質構造比較復雜，由于受原始大地構造喜馬拉雅造山運動的影響，在近南北方向擠壓力作用下，煤巖層原始狀態發生了形變，遭到破壞，并產生了較大型的褶皺與斷裂構造。

1.5.1 褶曲

東部采區：本區域煤層賦存狀態變化比較大，由南向北為一連續的緩波狀向背斜褶曲，并逐漸向北越過F1斷層，煤層抬起傾角變大，截止于F14號斷層上盤。向背斜褶曲軸線呈緩波狀，貫穿于本區東西，并由東西兩側向南偏移，呈弧形掃帚狀排列，兩端收斂，東部撒開。軸線走向方向一般在N70°～80°W或N65°～85°E變化，軸部平緩，煤層傾向NE或SE，傾角12°～35°。位于本區西部向斜褶曲構造內的南北緩背斜褶曲，由F23號斷層下盤向北傾狀，并逐漸消失于向斜北翼所代替。西翼煤層傾角：14°～18°，東翼煤層傾角：9°～17°。由于成煤基底凹凸不平，加之后期改造在兩次大的構造運動擠壓力作用下，煤層中的小型褶曲比較發育，造成本區煤巖層產狀變化較大，規律性不強，煤層厚度由南向北逐步變薄，由東向西增厚。

西部采區：本區煤層賦存狀態變化比較大，由南向北為一連續的緩波狀向背斜褶曲，并逐漸向北越過F11、F3、F2斷層，煤層抬起向南傾斜傾角變大，一般在10°～65°變化并截止于F18、F13號斷層。向背斜褶曲軸線呈緩波狀，貫穿于本區東西，并由東西兩側向南偏移，呈弧形分布，東西撒開，中間收斂。軸線走向方向一般在N45°E，N80°W，呈波狀分布，向西傾伏角為12°～21°，向東傾伏2°～8°，軸部平緩，煤層傾向NW、NE或SE，傾角7°～65°。由于成煤基底凹凸不平，加之后期改造在兩次大的構造運動擠壓力作用下，煤層中的小型褶曲比較發育，并造成本區煤巖層產狀變化較大，規律性不強，煤層厚度由南向北逐漸變薄，由東向西增厚。

1.5.2 斷層

東部采區：本區在近南北方向擠壓力的作用下，產生了F14、F24、F15、F23及F1、F9較大型斷裂構造，其中F14、F23為本區南北邊界斷層，由于這些斷裂構造的破壞和影響，并派生數條較小的斷層及近東西向，向背斜褶曲。大多數斷層為北西向斷層，近相間平行斜列，大多數斜交斷層被走向斷層切割。區內大多數斷層為NW向斷層，傾向NE，少部分斷層為NE向斷層，傾向SE。

由于這些斷層的存在，從而促使煤層發生了不同程度的破壞，并將煤層切割數段。主要影響采區設計及回采的主要斷層為：F24、F7、F12、F4、F2、F1、F11、F9號斷層。這幾條斷層在走向、傾向、傾角、斷層落差上變化較大，多數斷層及煤層賦存狀態向本區東部擴展，但控制程度不夠、依據不足，只有F24號斷層由勘探鉆孔70-1號控制，其他斷層根據-530 m、-570 m水平原龍鳳礦掘進的東大巷實踐或推測判斷而確定。

西部采區：本區在近南北方向擠壓力的作用下，產生了F18、F13、F24、F23及F3、F8、F9較大型斷裂構造，其中F18、F13為本區北部邊界斷層。由于這些斷裂構造的破壞和影響，并派生數條較小的斷層及近東西向和南西向，向背斜褶曲。由于后期改造在近東西方向擠壓力作用下，從而促使斷裂構造更加復雜，大多數斷層為北西向斷層。同時本區向背斜褶曲變化復雜，西部褶曲逐漸向中部抬起而尖滅，東部褶曲由東向西傾伏并逐漸向南西方向發展截止于F23號斷層及F16斷層。

由于這些斷層的存在，從而促使煤層發生了不同程度的破壞，并將煤層切割數段。主要影響采區設計及回采的主要斷層為：F23、F3、F4、F8、F9、F10、F5、F23、F29、F31等斷層。這幾條斷層在走向、傾向、傾角、斷層落差上變化較大，并派生數條較小的斜交或近平行的斷層，也將給二幅回采帶來不利的因素。

2 沖擊危險區域的多因素耦合劃分

2.1 多因素耦合分析法

為了更加準確地指導沖擊地壓危險預測、監測和防治工作，需對未采區域進行不同沖擊地壓危險評價，劃分危險區域。

2.2 煤層沖擊危險因素

根據實踐和相關研究，分析沖擊區域的壓力分布狀態及其值的高低，對防治沖擊地壓具有重要作用。多數情況下，巷道和采面圍巖的應力越高越集中，該區域越容易積聚大量的彈性能，更容易引發沖擊地壓。

2.2.1 煤柱尺寸

煤柱是產生應力集中的地點，孤島形和半島形煤柱可能受幾個方向集中應力的疊加作用，使得煤柱附近煤體應力集中程度大，因而在煤柱附近最易發生沖擊地壓。區段煤柱留設尺寸影響煤柱及巷道圍巖的應力分布。

在沖擊危險性評價與預測過程中，應重點考慮大巷保護煤柱、采區巷道保護煤柱及回采巷道保護煤柱對沖擊危險程度的影響。

2.2.2 底煤厚度

泰和煤礦煤層巷道布置不留設底煤，大大降低了底煤留設造成的沖擊地壓危險性。但在斷層區域，會留有部分底煤，因此實際生產過程中應針對留底煤區域采取底板卸壓措施。

2.2.3 回采特殊時期劃分

第一，工作面老頂初次來壓與周期來壓;第二，工作面覆巖“見方”垮落;第三，工作面過斷層及褶曲軸部期間。

2.2.4 切眼及停采線位置

切眼及停采線位置對于初、末采期間沖擊危險影響顯著，受工作面停采線及后期鄰近工作面停采線的影響，應力集中程度高，應加強停采線附近的監測，對該區域應采取措施，防治沖擊地壓的發生。此外，護巷煤柱段應為沖擊危險重點防范區域。

2.3 工作面開采分析

分析沖擊區域的壓力分布狀態及其值的高低，對防治沖擊地壓具有重要作用。多數情況下，巷道和采面圍巖的應力越高越集中，該區域越容易積聚大量的彈性能，更容易引發沖擊地壓。所以，在一定的采掘范圍內，分析應力集中程度的大小和應力的變化對進行沖擊危險程度評價，確定沖擊危險區域，以采取及時的防治措施具有重要意義。

2.3.1 工作面開采模擬方案

為了更好地研究-440 m水平的應力分布狀況及其變化規律，以東部區正在開采的第三工作面為例進行數值模擬，考慮到東部區第三工作面南部緊鄰第一工作面采空區，停采線靠近采區上山，第三工作面回采區域的應力分布受第一工作面采空區的影響。因此，為了較為真實地反映第三工作面和巷道的受力情況，對第三工作面附近區域巷道的采掘工作面工況分別進行了模擬。

2.3.2 數值模型建立

①計算模型。充分考慮第三工作面采場及其相鄰采空區、巷道的應力分布和變化情況，建立的模型尺寸為：160 m×420 m×60 m，選取模型第三工作面底板右下角為零點建立，采空區寬度30 m，上下順槽為5 m，考慮到應力的影響范圍，下順槽向外擴展25 m為左右邊界。②邊界條件。基于地應力實測結果，最大水平主應力σmax=15.3 MPa。隨著埋深的增加，模型Z方向所受到的約束力呈現增加的趨勢，假設該點在煤層巷道底板處，第三工作面最大埋深h為612 m。模型水平主應力大小為：σmax=γh×h=15.3 MPa，h=612 m，γh=2.5×104 N/m3，則σh1=σh-γh×h0=13.8 MPa，σh2=σh+γh×h0=16.8 MPa。模型豎直應力為：由于σv=15.3 MPa，根據巷道底板上部煤巖體參數（厚度和密度），則模型頂面豎直應力為：σv1=σv-ρ2h2-ρ3h3=14.27 MPa。因此，模型的前后邊界為固定位移約束，模型的左右和上下邊界條件如圖2所示。

2.3.3 模擬結果

為了研究工作面回采前后采場周圍應力的變化規律，結合現場工作面開采順序，模擬掘進第三工作面上下順槽、工作面分布開采過程中應力場分布情況。

①研究平面的選取。應力集中區域分為豎直應力集中區域和水平應力集中區域。為了便于研究不同應力的集中區域分布規律，分別對第三工作面上下順槽掘進和工作面推進過程中的應力集中區域進行分析，并得出：煤層豎直應力集中區域在順槽頂板中部附近，煤層水平應力集中區域為上下順槽的兩幫處。②第三工作面上下順槽掘進后應力集中區域分布。對第三工作面上下順槽進行數值模擬，得出煤層應力云圖和應力分布曲線。由于上下順槽的開挖，對采掘周圍巖體進行了擾動，應力重新分布，形成了應力集中區域。第一，豎向應力集中區域分布。豎向應力從下順槽到上順槽逐漸降低，下順槽附近應力最大為13.77 MPa。這是由于第一工作面煤層開采后，圍巖壓力已經釋放，順槽附近應力重新分布，逐漸達到平衡。當第三工作面下順槽在煤層中掘進，掘進后導致采區邊界圍巖應力重新分布，礦山壓力向實體煤側轉移，內部支承壓力明顯升高。離采空區距離愈遠，應力受采空區影響愈小，采場應力逐漸增大。由于第一工作面已回采完畢，頂板巖層基本穩定，對第三工作面影響較小，且第三工作面整個采場內應力集中程度較大，因此，第三工作面中部應力集中區發生沖擊地壓的可能性較大。第二，水平應力集中區域分布。煤層中部出現水平應力集中，最大值達到5.77 MPa，上、下部順槽全長段水平應力均較小。由于第一工作面采空區的影響，下巷水平應力影響范圍較大。向煤層內部延伸，大大增加了水平應力的集中程度，造成水平應力迅速增加，中部位置應力最大。巷道開挖后，頂板、底板一定的范圍內水平應力急劇增加，不利于圍巖的穩定性。煤層中部水平應力很大，集中系數很高，易發生沖擊地壓，造成頂板的冒落、底板隆起。③第三工作面推進過程中應力集中區域分布。第一，豎向應力集中區域分布。隨著工作面的推進，煤層頂板的豎向應力最大值呈現先減小后增大的趨勢，應重點對高應力區進行卸壓，預防沖擊災害發生。第二，水平應力集中區域分布。水平應力主要集中在煤層中部和兩幫，隨著工作面的推進，應力集中不斷發生變化。綜上所述，重點應對煤層中部進行卸壓，保證工作面開采過程中的安全穩定，對下巷底板采取加強支護，防止底鼓的發生。上下巷兩幫壓力較大且不穩定，應防止偏幫的發生。

3 結語

通過危險區的多因素疊加，危險區域及其危險性等級將隨工作面的具體接續計劃而變化，監測、支護亦可隨其動態調整。①針對第十七、八工作面西側下幅區域，即待開采區域Ⅰ，由于上幅已經開采，起到了保護層作用，大大降低了其設計開采的沖擊危險性，劃分為無沖擊危險區域。②集中巷兩側煤柱區域，此區域是孤島煤柱，即待開采區域Ⅱ，主要沖擊危險區域包括孤島效應、斷層危險區，整體劃分為中等危險區域，局部大斷層、兩側采空區邊界劃分為強沖擊危險區域。③第十三工作面，現采區域Ⅲ，該區域主要包括斷層危險區、空區邊界效應、遺留煤柱危險區等，整體劃分為弱危險區域，局部大斷層分布區劃分為中等沖擊危險區域，其中，原龍鳳礦7402工作面采空區下保護層卸壓區域可劃分為無沖擊危險區域，龍鳳礦7402東停采線為強沖擊區域。④第十五工作面區域，即待開采區域Ⅳ，該區域已進行兩順布置，因此受開采技術條件影響的沖擊危險因素較大，該區主要受到周圍采空區分布、斷層分布的影響，整體劃分為弱沖擊危險區域，局部大斷層分布區劃分為中等沖擊危險區域。⑤第三工作面區域，即開采區域Ⅴ，該區域已經進行兩順布置，因此受開采技術條件影響的沖擊危險因素較大，該區主要受到斷層分布、停采線位置、聯絡巷及巷道交叉、留設底煤、第一工作面采空區和巷道錯層交叉的影響，整體劃分為弱沖擊危險區域。⑥第六工作面區域，即待開采區域Ⅵ，該區域尚未進行兩順布置，因此受開采技術條件影響的沖擊危險因素較少，該區主要受到斷層、煤柱拐角、區段煤柱、底煤、采空區邊界的影響，整體劃分為中等沖擊危險區域。