興隆莊煤礦B4322邊角煤工作面沖擊礦壓綜合防治技術(shù)研究

苗磊剛,常萬眾

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院,江蘇 徐州 221116；2.兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦,山東 兗州 272100）

0 引言

邊角煤工作面在大小、形狀、巷道布置及生產(chǎn)系統(tǒng)方面與一般工作面不同，由于邊角煤工作面大部分是一般工作面設(shè)計時考慮斷層等地質(zhì)因素而不易開采的遺留部分，故邊角煤工作面通常距離斷層等復雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)較近，加之工作面尺寸較小，煤柱效應(yīng)明顯，邊角煤區(qū)域應(yīng)力集中程度往往較高，因此，邊角煤工作面較一般工作面而言，巷道圍巖穩(wěn)定性較差，沖擊礦壓事故發(fā)生的可能性也較大。

1 B4322工作面基本情況

該工作面地面位于工業(yè)廣場以西、護駕營村西南方向。在工作面地面上方為農(nóng)田，回采后將引起地面沉降。B4322工作面位于B4320南部（已回采），西部為4322綜放工作面（已回采），東靠護駕營村莊保護煤柱，設(shè)計停采線與B4320綜放工作面停采線平齊。開采-350水平，地面標高+45.5～+47.8，平均+46.6m，工作面標高-293～-352m，埋藏深度為338.5～399.8m。煤層傾角0～14°,平均6.5°。煤層結(jié)構(gòu)復雜，在距頂板2.8～3.0m發(fā)育一厚0.03m左右泥巖夾矸。煤層厚度一般在10.3～6.7m，平均8.78m，普氏硬度f=2.3。其中工作面具體布置情況如下圖1所示。

圖1 B4322工作面布置圖

2 B4322工作面圍巖應(yīng)力分布及演化規(guī)律模擬研究

2.1 B4322工作面模型的建立

根據(jù)B4322工作面的綜合地質(zhì)柱狀圖及該工作面布置平面圖，用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立了該工作面回采的FLAC3D模型[2]。根據(jù)綜放工作面具體情況建的模型圖如下圖2所示，其中共創(chuàng)建了17652個單元、205979個網(wǎng)格節(jié)點。

圖2 B4222工作面FLAC3D建模模型

B4322模型傾斜長度為650m，寬度為352m，模型高度為106.4m，整個模型的垂直深度為480m，模型頂部上覆巖層的重量為12MPa，模型的前、后、左、右、底各面均采用固支方式。

2.2 圍巖應(yīng)力分布及演化規(guī)律研究

本次主要是模擬B4322工作面受B4320采空區(qū)及左側(cè)采空區(qū)影響的應(yīng)力分布規(guī)律 ，以確定B4322工作面采場和巷道相關(guān)區(qū)的應(yīng)力分布及演化狀況，確定B4322高應(yīng)力區(qū)域的大小及其對巷道穩(wěn)定性的影響。其中在B4322巷道形成后，工作面還未回采的應(yīng)力大小如下圖3所示。

圖3 B4322巷道形成后應(yīng)力云圖分布

由圖3可以看出，B4322工作面在巷道形成后，由于受臨近采空區(qū)的影響作用，在工作面切眼左側(cè)形成了一定的應(yīng)力集中，其應(yīng)力大小為37Mpa，是原巖應(yīng)力的3.1倍。同時，由于工作面左側(cè)采空區(qū)的存在，造成B4322上順槽壓力值相對下順槽整體相對偏大，存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，也造成左側(cè)采空區(qū)殘留煤柱處于很大的應(yīng)力水平，其最大值約為60Mpa，是原巖應(yīng)力的5倍。下圖4為B4322工作面從工作面推進40m，其煤層底板的應(yīng)力狀態(tài)圖。

圖4 B4322開挖40m時垂直應(yīng)力云圖

2.3 B4322工作面開采過程中的應(yīng)力變化和分布特征

通過對B4322工作面圍巖應(yīng)力分布及演化規(guī)律模擬研究，可得出以下結(jié)論：

（1）B4322工作面在巷道形成后，受B4320工作面采空區(qū)的影響，在工作面切眼左側(cè)形成了一定的應(yīng)力集中水平，其應(yīng)力大小為37Mpa，是原巖應(yīng)力的3.1倍。同時B4322上順槽壓力值相對下順槽整體偏大，存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，采空區(qū)殘留煤柱處于很大的應(yīng)力水平，其最大值約為60Mpa，是原巖應(yīng)力的5倍。

（2）B4322工作面由于受工作面前方拐角煤柱、采空區(qū)、殘存煤柱及的影響作用，隨著工作面的逐步推進，在B4322工作面切眼到左側(cè)殘留煤柱區(qū)域的上順槽形成很大的應(yīng)力集中水平，同時工作面左側(cè)應(yīng)力水平相對右側(cè)較高。

（3）通過對邊角煤工作面圍巖應(yīng)力分布及演化規(guī)律的數(shù)值模擬可知，工作面存在不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，工作面生產(chǎn)過程中仍需加強臨近采空區(qū)、斷層、工作面超前支承壓力、殘留煤柱等的影響區(qū)監(jiān)測和防治。

3 B4322邊角煤工作面沖擊礦壓綜合防治技術(shù)

為防治B4322邊角煤工作面礦壓沖擊事故災(zāi)害，在采煤面超前支護應(yīng)力影響范圍內(nèi)應(yīng)保證超前工作支護，在工作面巷道幫提前使用直徑大的鉆孔進行預卸壓，對于采用鉆屑法預測超過指標臨界值的區(qū)域需要采用卸壓解除危險，卸壓方法主要采用大直徑鉆孔技術(shù)、煤層注水技術(shù)和卸壓爆破技術(shù)，在應(yīng)力高的區(qū)域優(yōu)先選用大直徑鉆孔卸壓技術(shù)，如果條件允許也可采用煤層注水技術(shù)。

3.1 超前支護

B4322工作面超前支承應(yīng)力影響范圍內(nèi)，煤巖體承受較大的靜載荷，具有較高的沖擊危險性，可采用超前支護技術(shù)，上下順槽出口超前支護距離L≥60m。上下巷道均使用工字鋼和單體支柱配合使用加強支護。所有支立的單體支架必須堅固有力，達到支撐力，走向方向采用成線穿繩聯(lián)鎖布置。兩巷支護高度H≥ 2.3m，行人通道寬度L≥ 0.7m，上下巷道變形嚴重的地方應(yīng)及時維修改造，保證巷道必需的通風斷面和暢通的安全出口，保證生產(chǎn)安全。進、回風巷兩幫鼓幫變形時，單體支柱側(cè)向會增加受力，必須及時改柱，防止支柱折斷或支柱失去支護作用危及生產(chǎn)安全。

3.2 大直徑鉆孔卸壓

對于采用電磁輻射技術(shù)預測異常，且鉆屑監(jiān)測數(shù)值達到或超過臨界值的位置，應(yīng)該在該區(qū)域前后各50m左右的范圍采用大直徑鉆孔卸壓，在回采工作面上或巷道兩幫打直徑100mm以上，孔深10～50m的卸壓孔時，間距范圍1.5～2.0m，鉆孔應(yīng)布置在采高中部，和煤壁垂直布置。在掘進工作面采用此技術(shù)時，按每10m2斷面布置一個卸壓鉆孔，在斷面的中心位置布置打孔，方向要平行于煤壁或按規(guī)定的方向布置。

3.3 煤層注水

該技術(shù)是向煤層實體注水，利用壓力水的物理化學作用，濕潤煤體，降低強度，降低煤層的沖擊危險性，使高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移向煤體深部，將煤層內(nèi)可以逆轉(zhuǎn)的彈性能轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢赡孓D(zhuǎn)的塑性能，從而達到降低危險的作用，同時還可以起到降塵目的。在工作面B4322開采之前，在工作面進、回風巷側(cè)煤壁內(nèi)進行壓力注水，提前軟化煤體，減少沖擊傾向性，提高誘發(fā)沖擊的條件，注水時長保持為3個月。

3.4 卸壓爆破

經(jīng)過大直徑鉆孔卸壓后采用鉆屑監(jiān)測或電磁輻射技術(shù)判斷仍處于高應(yīng)力的區(qū)域，可以采用煤層卸壓爆破技術(shù)處理。卸壓爆破布置在異常區(qū)的60m范圍內(nèi)，爆破孔間距為20m，采用煤電鉆機或者風動鉆機，麻花鉆桿配合 mm鉆頭進行施工鉆孔，深度控制在10～15m，和煤壁垂直布置。在B4322工作面煤壁前方的煤體，在利用大直徑鉆孔卸壓后經(jīng)鉆屑監(jiān)測或電磁輻射技術(shù)預測仍為高應(yīng)力時，也可利用爆破卸壓技術(shù)，爆破區(qū)域為工作面前方100m左右的位置。在使用煤體卸壓爆破等技術(shù)解除危險后，可通過鉆屑法進行效果檢驗，根據(jù)對比爆破前后的鉆屑量來判斷是否解除了沖擊危險性，若依然存在危險，則繼續(xù)在原來的鉆孔之間進行爆破，然后再檢驗效果，直到解除危險為止。

4 小結(jié)

（1）通過模擬、分析研究得出拐角煤柱區(qū)、斷層、臨近采空區(qū)、殘留煤柱、工作面超前支承壓力影響區(qū)是B4322邊角煤工作面沖擊危險的主要影響因素，這些因素綜合影響的區(qū)域是重點沖擊危險區(qū)域。因此對沖擊危險區(qū)域應(yīng)加強監(jiān)測，對于形成的高應(yīng)力狀態(tài)要及時卸壓，防止沖擊的發(fā)生；

（2）采用超前支護、大直徑鉆孔卸壓、煤層注水和卸壓爆破措施等措施防治沖擊礦壓具有顯著的效果，為B4322邊角煤工作面的安全回采提供了保障。

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