沿?cái)鄬娱_采工作面沖擊危險(xiǎn)分析及防治技術(shù)研究

李新文

（大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 大同 037200）

1 工程背景與數(shù)值模擬

1.1 工程背景

增子坊煤礦5300工作面位于礦井中南部，開采煤層為山西組3煤，地面標(biāo)高為+43.87～ +44.98m，平均采深為849 m。工作面寬230 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為634.3 m，為五采區(qū)北翼首采工作面，西部靠近DF46畢垓斷層，斷層落差為16～43 m，工作面沿?cái)鄬踊夭伞?/p>

1.2 模型建立

采用FLAC3D軟件對(duì)5300工作面開采過程中的應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律進(jìn)行了模擬研究，觀測(cè)斷層附近巷道圍巖應(yīng)力變化情況，為沖擊危險(xiǎn)分析提供依據(jù)，模型如圖1所示。

在數(shù)值模型中，根據(jù)Z8鉆孔柱狀圖參數(shù)，煤層開采高度即按柱狀圖顯示的平均值給定，直接頂、基本頂?shù)葞r層均按實(shí)際平均厚度給定。模型范圍：640 m（長(zhǎng)）× 784 m（寬）× 166 m（高），煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。模型左右前后邊界施加水平約束，即邊界水平位移量為零；模型底部邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移量均為零；模型頂部為自由邊界，施加19.42 MPa的均布載荷。

2 應(yīng)力演化規(guī)律及危險(xiǎn)性分析

2.1 工作面開采過程應(yīng)力演化分析

通過研究工作面推進(jìn)至不同距離時(shí)，工作面上端頭前方高應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力峰值、應(yīng)力集中系數(shù)、工作面中部超前支承應(yīng)力峰值、應(yīng)力集中系數(shù)及下端頭前方應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力峰值、應(yīng)力集中系數(shù)的變化情況，對(duì)工作面開采過程中的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行分析，具體數(shù)據(jù)見表2。

圖1 三維數(shù)值模型

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)表

表2 工作面開采過程中超前支承壓力及應(yīng)力集中系數(shù)

由表1可知：隨著工作面向停采線的推進(jìn)，5300工作面上端頭前方高應(yīng)力峰值工作面中部前方支承壓力及工作面中部超前支承壓力峰值呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。在推進(jìn)工作面612 m時(shí)工作面上端頭超前支承壓力峰值及中部超前支承壓力峰值最大。受畢垓斷層構(gòu)造影響，上端頭處于高應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與防范。

2.2 順槽在掘進(jìn)過程中應(yīng)力演化規(guī)律

由圖2可知：受畢垓斷層的影響，運(yùn)輸順槽圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力峰值穩(wěn)定在28.76MPa～29.81MPa之間，對(duì)5300運(yùn)輸順槽具有較大的影響，應(yīng)加強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與預(yù)警；軌道順槽應(yīng)力峰值穩(wěn)定在24.06MPa～24.95MPa之間，軌道順槽受畢垓斷層的影響相對(duì)較小。

圖2 順槽掘進(jìn)過程中圍巖應(yīng)力變化

2.3 工作面在回采過程中對(duì)順槽的影響

由圖3可知，受畢垓斷層的影響，5300工作面上端頭處于高應(yīng)力狀態(tài)，超前支承應(yīng)力峰值穩(wěn)定在42.18 MPa～61.90 MPa之間，對(duì)5300運(yùn)輸順槽維護(hù)存在較大的影響，應(yīng)加強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與預(yù)警；下端頭的超前應(yīng)力峰值穩(wěn)定在35.72 MPa～57.96 MPa之間，軌道順槽受畢垓斷層的影響相對(duì)較小。

圖3 工作面上下端頭超前應(yīng)力峰值與推進(jìn)距離關(guān)系

3 沖擊地壓監(jiān)測(cè)與防治措施

3.1 監(jiān)測(cè)方案

5300工作面回采期間，主要采用鉆孔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面前方采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)及特定區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并繪制應(yīng)力變化曲線，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反映采煤工作面煤體應(yīng)力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力超限預(yù)警區(qū)域，采用鉆屑法對(duì)預(yù)警區(qū)進(jìn)行檢驗(yàn)。

根據(jù)5300工作面的布置特點(diǎn)及構(gòu)造特征，工作面前方200m范圍內(nèi)，壓力傳感器在兩順槽內(nèi)自工作面前方30m開始布置，軌道順槽受畢垓斷層影響，斷層煤柱應(yīng)力集中程度較高，在軌道兩幫安裝壓力傳感器，運(yùn)輸順槽壓力傳感器安裝在回采實(shí)體煤側(cè)，強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)20m一組，中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)30m一組。每組兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距0.5～2m，埋設(shè)深度分別為8m、14m，對(duì)工作面回采影響巷道危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)預(yù)警。

3.2 防沖措施

5300工作面回采產(chǎn)生的超前支承壓力與相鄰采空區(qū)側(cè)向支承壓力疊加，使巷道圍巖應(yīng)力進(jìn)一步升高，聚積大量的彈性能，故需在巷道掘進(jìn)卸壓的基礎(chǔ)上對(duì)巷道周圍煤體進(jìn)一步卸壓。卸壓的力度根據(jù)微震監(jiān)測(cè)和鉆屑法監(jiān)測(cè)的結(jié)果來確定。

沿工作面兩回采巷道實(shí)體煤側(cè)分別打卸壓孔，超前卸壓距離不低于200 m。弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)鉆孔間距為3 m，中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)鉆孔間距為2 m，強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)鉆孔間距1 m。鉆孔直徑150 mm，孔深不小于20 m，距巷道底板1.2 m，垂直煤壁，與掘進(jìn)時(shí)所打卸壓孔間隔布置，打鉆時(shí)避免鉆入頂?shù)装鍘r層。

在預(yù)處理后，需采用鉆屑法檢驗(yàn)，對(duì)鉆屑量和鉆屑過程的動(dòng)力現(xiàn)象進(jìn)行綜合分析，若發(fā)現(xiàn)煤屑量超標(biāo)或存在動(dòng)力現(xiàn)象（震頂、煤炮、沖擊等），采用加密大直徑鉆孔進(jìn)行卸壓解危，在原大直徑鉆孔之間增加一個(gè)大直徑鉆孔，孔深20 m。

4 結(jié)論

（1）5300工作面沿?cái)鄬踊夭蓵r(shí)，靠近斷層的運(yùn)輸順槽附近區(qū)域?yàn)閺?qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)?；夭善陂g應(yīng)加強(qiáng)對(duì)運(yùn)輸順槽的監(jiān)測(cè)預(yù)警，減小鉆屑監(jiān)測(cè)孔間距，及時(shí)測(cè)試煤粉量，當(dāng)煤粉超標(biāo)時(shí)及時(shí)采取卸壓措施，加強(qiáng)巷道支護(hù)，保證安全生產(chǎn)。

（2）工當(dāng)工作面推進(jìn)612m時(shí)，上端頭和中部超前支承應(yīng)力最大，分別為69.1MPa、56.4MPa，處于高應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與防范，做好安全防護(hù)措施。

（3）工作面回采期間，主要防沖措施為鉆孔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)與煤體大直徑鉆孔卸壓技術(shù)。為保證工作面安全作業(yè)，還應(yīng)實(shí)施煤體卸壓爆破及底煤松動(dòng)爆破等解危措施并且制定相關(guān)危險(xiǎn)治理方案，保證安全高效生產(chǎn)。