工作面沖擊地壓危險性分析

杜 忠

(山西汾西礦業(yè)集團水峪煤業(yè),山西 孝義 032300)

1304工作面開采深度達(dá)到440 m，為了確定其沖擊危害的程度，通過實驗室對煤巖樣品進行應(yīng)力測定；對頂板巖性、采深影響、圍巖構(gòu)造等因素引起沖擊威脅的可能性進行分析，分析結(jié)果表明，1304工作面具有弱沖擊危害。但是采用綜合指數(shù)法對工作面沖擊危險性進行評價，評價結(jié)果表明，1304工作面具有強沖擊威脅，其中的開采技術(shù)因素是工作面沖擊危險主要原因，工作面周圍的采空區(qū)及其位置附近的斷層起主要影響作用。工作面在開采過層中應(yīng)加強在靠近采空區(qū)及斷層處的安全管理。

沖擊地壓；斷層；危險性評價

1 工程概況

1304工作面開采3下煤層，工作面處于-518 m水平，地面標(biāo)高平均+34.64 m。3下煤層平均厚度6.05 m，煤層傾角0°～8°，平均5°，層里結(jié)構(gòu)簡單。工作面頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

直接充水含水層煤3下頂板砂巖，最大導(dǎo)高范圍內(nèi)(96.2 m)頂板砂巖厚22.31 m～38.57 m，平均厚度30.86 m。

由于采空區(qū)積水距1304工作面較遠(yuǎn)(最小距離188 m)，1304工作面標(biāo)高-408.4 m～-380.1 m，故采空區(qū)積水對回采無影響。掘進期間工作面兩順槽、切眼及聯(lián)絡(luò)巷共有18條正斷層，頂板裂隙發(fā)育，沿裂隙面出現(xiàn)涌水，最大為25 m3/h，其余所揭露的斷層均未出現(xiàn)明顯涌水現(xiàn)象。預(yù)計回采期間涌水形式為頂板淋水及采空區(qū)涌水，以采空區(qū)涌水為主。

1304工作面回采過程中正常涌水量40 m3/h～60 m3/h，最大涌水量150 m3/h。

1304工作面位于1301、1302、1303工作面南面，輔順原則根據(jù)JF62斷層確定，膠順根據(jù)KFl7斷層和風(fēng)氧化帶確定，切眼的位置由KFl7斷層確定。

根據(jù)六采區(qū)南部區(qū)域煤層的賦存情況，結(jié)合現(xiàn)有的巷道布置，確定開采六采區(qū)南部區(qū)域煤層利用原六采區(qū)新增輔運巷、六采區(qū)南部邊界巷作為輔助運輸、進風(fēng)之用。在六采區(qū)新增輔運巷以西40 m再布置一條新增膠帶巷，用作回風(fēng)、煤流運。

2 煤層和圍巖沖擊傾向性判別

2.1 沖向性測定

為確定工作面煤層和其圍巖的沖擊傾向性，本文在1304工作面的煤層和巷道中取樣，并制作成圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣。在巖石力學(xué)實驗室進行煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)測定，并得到其沖擊傾向性[1-2]。

由測定結(jié)果可知，3下煤動態(tài)破壞時間53.81 ms、單向抗壓強度15.87 MPa、沖擊能指數(shù)4.82、彈性能指數(shù)4.55?？梢哉J(rèn)為該工作面煤樣具有弱沖擊傾向性[3]。

巖層的沖擊傾向性評定按照我國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》MT/T 866-2000，由實驗室?guī)r樣實驗得出的結(jié)果進行評價。1304工作面頂板巖層的彎曲能量指數(shù)為14.05 kJ，評定該層煤的頂板巖層為具有弱沖擊傾向性[4]。

2.2 煤巖沖擊動力現(xiàn)象

礦井自正式投產(chǎn)以來，從2003年開始，六采區(qū)的幾個工作面煤巖多次發(fā)生沖擊地壓情況，尤其是2004年，6303工作面開采進行到1290.5 m時，工作面煤壁前方巷道突然出現(xiàn)沖擊礦壓的情況，巨大的聲響之后，巷道內(nèi)充滿煤塵，煤幫瞬間突出1.8 m左右。2005年，6303工作面再一次出現(xiàn)沖擊礦壓情況，巨大的響聲之后巷道內(nèi)充滿煤塵，煤壁前11.6 m～47.0 m處煤幫突出200 mm～900 mm不等，井巷頂板下沉500 mm左右，底板鼓起250 mm～600 mm，破壞單體支柱27根，破壞十字頂梁15個。之后，6303工作面巷道又出現(xiàn)了幾次小型的沖擊礦壓，給工作面安全高效生產(chǎn)帶來了很大威脅。

3 工作面沖擊地壓主要影響因素分析

3.1 頂板巖性

1304工作面直接頂?shù)膸r性是粉砂巖，厚度大約1.4 m，基本頂巖性為細(xì)砂巖及中砂巖，厚度大約在20.8 m。底板巖性為泥巖、粉砂巖，厚度約為3.7 m。如果頂板為堅硬厚層砂巖，則其容易出現(xiàn)懸頂情況，尤其是在頂板破碎滑脫過程中，產(chǎn)生大量的彈性能，彈性能突然劇烈釋放可造成劇烈震動，有可能形成地質(zhì)災(zāi)害[5]。

沖擊地壓危險會在頂板為堅硬、厚層砂巖時增高。在1304工作面堅硬、厚層砂巖距煤層的距離大約為21 m，其小于50 m，沖擊危險指數(shù)為3。頂板巖層厚度特征參數(shù)Lst計算見式(1)：

Lst=∑hiri

(1)

式中：hi為頂板第i種巖層的總厚度，m；ri為巖層的弱面遞減系數(shù)。

由公式(1)可知，頂板巖層厚度特征參數(shù)Lst=∑hiri=1.4+20.8=22.2。由于頂板巖層厚度特征參數(shù)小于50，可知，其沖擊地壓危險指數(shù)為0。

3.2 采深的影響

1304工作面采深約為440m。根據(jù)大量實踐資料說明，開采深度小于或者等于350m時，通常沒有沖擊地壓危險，因為此時煤巖體中聚集的彈性能較??；開采深度在350m～500m時，煤巖體中聚集了較高的彈性能使之具有一定的幾率會發(fā)生煤巖沖擊，沖擊可能性系數(shù)會增加。從上述條件可知，1304工作面有可能出現(xiàn)沖擊地壓的情況。

3.3 煤的沖擊傾向性

煤體的沖擊傾向性可以作為煤體出現(xiàn)沖擊破壞強弱的一種評定標(biāo)準(zhǔn)，因煤體的沖擊地壓傾向是其的物理性質(zhì)，是煤自身就擁有的、內(nèi)在的性質(zhì)[4]，所以，煤體的傾向性越大出現(xiàn)沖擊的概率就越大，煤體的傾向性越小出現(xiàn)沖擊地壓的概率就越小。經(jīng)過實驗室對煤巖樣的測定可知，1304工作面的煤和煤巖的沖擊地壓傾向性危險結(jié)果見表2、表3。

表2 1304工作面煤樣沖擊傾向性結(jié)果

表3 1304工作面煤巖混合沖擊傾向性結(jié)果

1304工作面煤厚在2.0m～7.2m，煤厚變化較大，煤厚及其幅度與沖擊地壓傾向性密切相關(guān)，煤厚變化上下幅度越大，沖擊地壓傾向性就越高，就越容易發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害[5]。所以，該工作面沖擊地壓傾向性受到的煤厚及其幅度變化因素影響較高。

3.4 構(gòu)造影響

1304工作面煤層趨勢為南高北低，軸向NS，幅度7m。1304工作面采掘期間探測出共有正斷層17個，其密度是278條/km2，斷層的孕育主要是NNW方向，有79%左右，然后是SEE方向，有21%左右。有幾個代表性的斷層位置如第128頁圖1，這部分?jǐn)鄬訉黾庸ぷ髅鏇_擊危險性概率。斷層會引起回采范圍內(nèi)的應(yīng)力構(gòu)造集中。

3.5 開采因素影響

輔順臨近3個工作面的采空區(qū)，形成的煤柱寬度從25m～48m不等，通過數(shù)值模擬及圍巖移動情況分析，煤柱的存在可導(dǎo)致煤巖體應(yīng)力集中，增大了沖擊礦壓發(fā)生的可能性。

圖1 工作面內(nèi)斷層分布

4 綜合指數(shù)法對工作面沖擊危險性評價

4.1 自然地質(zhì)條件確定的沖擊礦壓危險性評定指數(shù)及評價

通過1304工作面影響因素可知，如表4所示由地質(zhì)因素得到的沖擊地壓危險性指數(shù)。

表4 自然地質(zhì)條件確定的沖擊礦壓危險性評定指數(shù)

由1304工作面地質(zhì)因素的沖擊地壓危險性指數(shù)，可知其有中等沖擊危險性。影響沖擊危險的重要因素為煤的沖擊傾向性、煤層距堅硬頂板的距離、回采范圍內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力集中。

4.2 開采技術(shù)條件確定的沖擊礦壓危險性評定指數(shù)及評價(見表5)

根據(jù)1304工作面開采技術(shù)條件的沖擊地壓危險性指數(shù)，可知其有強沖擊危險。影響沖擊危險的重要因素是工作面附近的采空區(qū)及工作面附近有斷層并且和斷層比較近。

4.3 綜合指數(shù)確定及評價

由綜合分析認(rèn)為，1304工作面沖擊礦壓危險性為強沖擊，由沖擊危險指數(shù)可知，其中的開采技術(shù)因素是工作面沖擊危險主要原因，工作面周圍的采空區(qū)及其位置附近有斷層起主要影響作用。

5 結(jié)論

本文通過實驗室對煤巖樣測試，鑒定其沖擊傾向性強弱，結(jié)果為，煤體為弱沖擊，頂板為弱沖擊；描述了礦井已經(jīng)發(fā)生的沖擊地壓動力現(xiàn)象，表明沖擊地壓現(xiàn)象對工作面的安全生產(chǎn)帶來了很大的威脅。

分析了1304工作面的沖擊因素。自然地質(zhì)條件的主要影響因素為煤層的沖擊傾向性、煤層距堅硬頂板的距離、回采范圍內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力集中。開采技術(shù)條件的主要影響因素為工作面附近的采空區(qū)及工作面和斷層較近。

1304工作面地質(zhì)和開采條件因素影響下的沖擊危險性指數(shù)分別為，具有中等沖擊危險性和具有強沖擊危險性。由綜合分析，認(rèn)為1304工作面沖擊礦壓危險性等級為強沖擊。

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