工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的多因素耦合劃分

黃河

（鐵法煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司曉南礦，遼寧 鐵嶺 112700）

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(biāo)為東經(jīng)：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(chǎn)能力90 萬噸/年，2017年生產(chǎn)煤炭76.9 萬噸，截至2017年底剩余可采儲(chǔ)量792 萬噸。

1.2 煤層概況

本層煤采用斜井開拓方式，現(xiàn)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(gè)采區(qū)，西部采區(qū)現(xiàn)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(qū)現(xiàn)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(hù)、采空區(qū)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。

圖1 泰和煤礦工作面采掘平面圖

1.3 煤層賦存情況

礦區(qū)內(nèi)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(gè)分層，煤層頂板為一層煤的老頂油母頁巖，全層發(fā)育一般為褐色，層狀構(gòu)造，參差狀斷口，具油脂感，性脆易碎，風(fēng)化后呈片狀，含有完整的動(dòng)植物化石，層厚90～120 m。

1.4 煤層頂?shù)装迩闆r

可采主煤層由煤層及頁巖、砂巖夾石層構(gòu)成，堅(jiān)固性系數(shù)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(jiān)固系數(shù)為2.0，亦屬中硬巖層，一般成塊狀結(jié)構(gòu)，整體性較差。底板是頁巖，其下為凝灰?guī)r和玄武巖層，堅(jiān)固性系數(shù)為3.7～6.7，一般為5.2，屬堅(jiān)硬巖層，其凝灰?guī)r具有遇水松軟、膨脹的特征。

1.5 地質(zhì)構(gòu)造

本層煤地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，由于受原始大地構(gòu)造喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)的影響，在近南北方向擠壓力作用下，煤巖層原始狀態(tài)發(fā)生了形變，遭到破壞，并產(chǎn)生了較大型的褶皺與斷裂構(gòu)造。

1.5.1 褶曲

東部采區(qū)：本區(qū)域煤層賦存狀態(tài)變化比較大，由南向北為一連續(xù)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(hào)斷層上盤。向背斜褶曲軸線呈緩波狀，貫穿于本區(qū)東西，并由東西兩側(cè)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(qū)西部向斜褶曲構(gòu)造內(nèi)的南北緩背斜褶曲，由F23 號(hào)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)擠壓力作用下，煤層中的小型褶曲比較發(fā)育，造成本區(qū)煤巖層產(chǎn)狀變化較大，規(guī)律性不強(qiáng)，煤層厚度由南向北逐步變薄，由東向西增厚。

西部采區(qū)：本區(qū)煤層賦存狀態(tài)變化比較大，由南向北為一連續(xù)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(hào)斷層。向背斜褶曲軸線呈緩波狀，貫穿于本區(qū)東西，并由東西兩側(cè)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)擠壓力作用下，煤層中的小型褶曲比較發(fā)育，并造成本區(qū)煤巖層產(chǎn)狀變化較大，規(guī)律性不強(qiáng)，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(qū)：本區(qū)在近南北方向擠壓力的作用下，產(chǎn)生了F14、F24、F15、F23 及F1、F9 較大型斷裂構(gòu)造，其中F14、F23為本區(qū)南北邊界斷層，由于這些斷裂構(gòu)造的破壞和影響，并派生數(shù)條較小的斷層及近東西向，向背斜褶曲。大多數(shù)斷層為北西向斷層，近相間平行斜列，大多數(shù)斜交斷層被走向斷層切割。區(qū)內(nèi)大多數(shù)斷層為NW 向斷層，傾向NE，少部分?jǐn)鄬訛镹E 向斷層，傾向SE。

由于這些斷層的存在，從而促使煤層發(fā)生了不同程度的破壞，并將煤層切割數(shù)段。主要影響采區(qū)設(shè)計(jì)及回采的主要斷層為：F24、F7、F12、F4、F2、F1、F11、F9 號(hào)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(shù)斷層及煤層賦存狀態(tài)向本區(qū)東部擴(kuò)展，但控制程度不夠、依據(jù)不足，只有F24 號(hào)斷層由勘探鉆孔70-1 號(hào)控制，其他斷層根據(jù)-530 m、-570 m 水平原龍鳳礦掘進(jìn)的東大巷實(shí)踐或推測判斷而確定。

西部采區(qū)：本區(qū)在近南北方向擠壓力的作用下，產(chǎn)生了F18、F13、F24、F23 及F3、F8、F9 較 大型 斷 裂構(gòu) 造，其 中F18、F13 為本區(qū)北部邊界斷層。由于這些斷裂構(gòu)造的破壞和影響，并派生數(shù)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(gòu)造更加復(fù)雜，大多數(shù)斷層為北西向斷層。同時(shí)本區(qū)向背斜褶曲變化復(fù)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(fā)展截止于F23 號(hào)斷層及F16 斷層。

由于這些斷層的存在，從而促使煤層發(fā)生了不同程度的破壞，并將煤層切割數(shù)段。主要影響采區(qū)設(shè)計(jì)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(shù)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(xiǎn)區(qū)域的多因素耦合劃分

2.1 多因素耦合分析法

為了更加準(zhǔn)確地指導(dǎo)沖擊地壓危險(xiǎn)預(yù)測、監(jiān)測和防治工作，需對(duì)未采區(qū)域進(jìn)行不同沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)價(jià)，劃分危險(xiǎn)區(qū)域。

2.2 煤層沖擊危險(xiǎn)因素

根據(jù)實(shí)踐和相關(guān)研究，分析沖擊區(qū)域的壓力分布狀態(tài)及其值的高低，對(duì)防治沖擊地壓具有重要作用。多數(shù)情況下，巷道和采面圍巖的應(yīng)力越高越集中，該區(qū)域越容易積聚大量的彈性能，更容易引發(fā)沖擊地壓。

2.2.1 煤柱尺寸

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

在沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與預(yù)測過程中，應(yīng)重點(diǎn)考慮大巷保護(hù)煤柱、采區(qū)巷道保護(hù)煤柱及回采巷道保護(hù)煤柱對(duì)沖擊危險(xiǎn)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(shè)底煤，大大降低了底煤留設(shè)造成的沖擊地壓危險(xiǎn)性。但在斷層區(qū)域，會(huì)留有部分底煤，因此實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)針對(duì)留底煤區(qū)域采取底板卸壓措施。

2.2.3 回采特殊時(shí)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(duì)于初、末采期間沖擊危險(xiǎn)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(yīng)力集中程度高，應(yīng)加強(qiáng)停采線附近的監(jiān)測，對(duì)該區(qū)域應(yīng)采取措施，防治沖擊地壓的發(fā)生。此外，護(hù)巷煤柱段應(yīng)為沖擊危險(xiǎn)重點(diǎn)防范區(qū)域。

2.3 工作面開采分析

分析沖擊區(qū)域的壓力分布狀態(tài)及其值的高低，對(duì)防治沖擊地壓具有重要作用。多數(shù)情況下，巷道和采面圍巖的應(yīng)力越高越集中，該區(qū)域越容易積聚大量的彈性能，更容易引發(fā)沖擊地壓。所以，在一定的采掘范圍內(nèi)，分析應(yīng)力集中程度的大小和應(yīng)力的變化對(duì)進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)，確定沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，以采取及時(shí)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(yīng)力分布狀況及其變化規(guī)律，以東部區(qū)正在開采的第三工作面為例進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮到東部區(qū)第三工作面南部緊鄰第一工作面采空區(qū)，停采線靠近采區(qū)上山，第三工作面回采區(qū)域的應(yīng)力分布受第一工作面采空區(qū)的影響。因此，為了較為真實(shí)地反映第三工作面和巷道的受力情況，對(duì)第三工作面附近區(qū)域巷道的采掘工作面工況分別進(jìn)行了模擬。

2.3.2 數(shù)值模型建立

①計(jì)算模型。充分考慮第三工作面采場及其相鄰采空區(qū)、巷道的應(yīng)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(diǎn)建立，采空區(qū)寬度30 m，上下順槽為5 m，考慮到應(yīng)力的影響范圍，下順槽向外擴(kuò)展25 m 為左右邊界。②邊界條件。基于地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果，最大水平主應(yīng)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(xiàn)增加的趨勢，假設(shè)該點(diǎn)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(yīng)力大小為：σmax=γh×h=15.3 MPa，h=612 m，γh=2.5×104N/m3，則σh1=σh-γh×h0=13.8 MPa，σh2=σh+γh×h0=16.8 MPa。模型豎直應(yīng)力為：由于σv=15.3 MPa，根據(jù)巷道底板上部煤巖體參數(shù)（厚度和密度），則模型頂面豎直應(yīng)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。

圖2 模型的邊界條件

2.3.3 模擬結(jié)果

為了研究工作面回采前后采場周圍應(yīng)力的變化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場工作面開采順序，模擬掘進(jìn)第三工作面上下順槽、工作面分布開采過程中應(yīng)力場分布情況。

①研究平面的選取。應(yīng)力集中區(qū)域分為豎直應(yīng)力集中區(qū)域和水平應(yīng)力集中區(qū)域。為了便于研究不同應(yīng)力的集中區(qū)域分布規(guī)律，分別對(duì)第三工作面上下順槽掘進(jìn)和工作面推進(jìn)過程中的應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行分析，并得出：煤層豎直應(yīng)力集中區(qū)域在順槽頂板中部附近，煤層水平應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)樯舷马槻鄣膬蓭吞?。②第三工作面上下順槽掘進(jìn)后應(yīng)力集中區(qū)域分布。對(duì)第三工作面上下順槽進(jìn)行數(shù)值模擬，得出煤層應(yīng)力云圖和應(yīng)力分布曲線。由于上下順槽的開挖，對(duì)采掘周圍巖體進(jìn)行了擾動(dòng)，應(yīng)力重新分布，形成了應(yīng)力集中區(qū)域。第一，豎向應(yīng)力集中區(qū)域分布。豎向應(yīng)力從下順槽到上順槽逐漸降低，下順槽附近應(yīng)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(jīng)釋放，順槽附近應(yīng)力重新分布，逐漸達(dá)到平衡。當(dāng)?shù)谌ぷ髅嫦马槻墼诿簩又芯蜻M(jìn)，掘進(jìn)后導(dǎo)致采區(qū)邊界圍巖應(yīng)力重新分布，礦山壓力向?qū)嶓w煤側(cè)轉(zhuǎn)移，內(nèi)部支承壓力明顯升高。離采空區(qū)距離愈遠(yuǎn)，應(yīng)力受采空區(qū)影響愈小，采場應(yīng)力逐漸增大。由于第一工作面已回采完畢，頂板巖層基本穩(wěn)定，對(duì)第三工作面影響較小，且第三工作面整個(gè)采場內(nèi)應(yīng)力集中程度較大，因此，第三工作面中部應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生沖擊地壓的可能性較大。第二，水平應(yīng)力集中區(qū)域分布。煤層中部出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，最大值達(dá)到5.77 MPa，上、下部順槽全長段水平應(yīng)力均較小。由于第一工作面采空區(qū)的影響，下巷水平應(yīng)力影響范圍較大。向煤層內(nèi)部延伸，大大增加了水平應(yīng)力的集中程度，造成水平應(yīng)力迅速增加，中部位置應(yīng)力最大。巷道開挖后，頂板、底板一定的范圍內(nèi)水平應(yīng)力急劇增加，不利于圍巖的穩(wěn)定性。煤層中部水平應(yīng)力很大，集中系數(shù)很高，易發(fā)生沖擊地壓，造成頂板的冒落、底板隆起。③第三工作面推進(jìn)過程中應(yīng)力集中區(qū)域分布。第一，豎向應(yīng)力集中區(qū)域分布。隨著工作面的推進(jìn)，煤層頂板的豎向應(yīng)力最大值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行卸壓，預(yù)防沖擊災(zāi)害發(fā)生。第二，水平應(yīng)力集中區(qū)域分布。水平應(yīng)力主要集中在煤層中部和兩幫，隨著工作面的推進(jìn)，應(yīng)力集中不斷發(fā)生變化。綜上所述，重點(diǎn)應(yīng)對(duì)煤層中部進(jìn)行卸壓，保證工作面開采過程中的安全穩(wěn)定，對(duì)下巷底板采取加強(qiáng)支護(hù)，防止底鼓的發(fā)生。上下巷兩幫壓力較大且不穩(wěn)定，應(yīng)防止偏幫的發(fā)生。

3 結(jié)語

通過危險(xiǎn)區(qū)的多因素疊加，危險(xiǎn)區(qū)域及其危險(xiǎn)性等級(jí)將隨工作面的具體接續(xù)計(jì)劃而變化，監(jiān)測、支護(hù)亦可隨其動(dòng)態(tài)調(diào)整。①針對(duì)第十七、八工作面西側(cè)下幅區(qū)域，即待開采區(qū)域Ⅰ，由于上幅已經(jīng)開采，起到了保護(hù)層作用，大大降低了其設(shè)計(jì)開采的沖擊危險(xiǎn)性，劃分為無沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。②集中巷兩側(cè)煤柱區(qū)域，此區(qū)域是孤島煤柱，即待開采區(qū)域Ⅱ，主要沖擊危險(xiǎn)區(qū)域包括孤島效應(yīng)、斷層危險(xiǎn)區(qū)，整體劃分為中等危險(xiǎn)區(qū)域，局部大斷層、兩側(cè)采空區(qū)邊界劃分為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。③第十三工作面，現(xiàn)采區(qū)域Ⅲ，該區(qū)域主要包括斷層危險(xiǎn)區(qū)、空區(qū)邊界效應(yīng)、遺留煤柱危險(xiǎn)區(qū)等，整體劃分為弱危險(xiǎn)區(qū)域，局部大斷層分布區(qū)劃分為中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，其中，原龍鳳礦7402 工作面采空區(qū)下保護(hù)層卸壓區(qū)域可劃分為無沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，龍鳳礦7402 東停采線為強(qiáng)沖擊區(qū)域。④第十五工作面區(qū)域，即待開采區(qū)域Ⅳ，該區(qū)域已進(jìn)行兩順布置，因此受開采技術(shù)條件影響的沖擊危險(xiǎn)因素較大，該區(qū)主要受到周圍采空區(qū)分布、斷層分布的影響，整體劃分為弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，局部大斷層分布區(qū)劃分為中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。⑤第三工作面區(qū)域，即開采區(qū)域Ⅴ，該區(qū)域已經(jīng)進(jìn)行兩順布置，因此受開采技術(shù)條件影響的沖擊危險(xiǎn)因素較大，該區(qū)主要受到斷層分布、停采線位置、聯(lián)絡(luò)巷及巷道交叉、留設(shè)底煤、第一工作面采空區(qū)和巷道錯(cuò)層交叉的影響，整體劃分為弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。⑥第六工作面區(qū)域，即待開采區(qū)域Ⅵ，該區(qū)域尚未進(jìn)行兩順布置，因此受開采技術(shù)條件影響的沖擊危險(xiǎn)因素較少，該區(qū)主要受到斷層、煤柱拐角、區(qū)段煤柱、底煤、采空區(qū)邊界的影響，整體劃分為中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。