沖擊地壓礦井綜采工作面同時(shí)相向回采可行性分析

李 磊

(中煤科工能源科技發(fā)展有限公司，北京 100000)

沖擊地壓是煤礦井下開采過程中常見的重大自然災(zāi)害之一，給礦井安全生產(chǎn)帶來極大威脅[1]。近年來，受煤礦開采強(qiáng)度和開采深度不斷增大及礦井開采布局和開采條件的復(fù)雜多變性等多種因素影響，沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的頻次和強(qiáng)度也逐漸增大[2-3]，特別是相向同時(shí)回采工作面，由于2個(gè)工作面同時(shí)回采時(shí)相向的應(yīng)力產(chǎn)生疊加作用，使相向同時(shí)回采的2個(gè)工作面周圍頂?shù)装鍛?yīng)力強(qiáng)度和上覆巖層運(yùn)動(dòng)程度進(jìn)一步增大，與常規(guī)開采工作面情況相比，受到?jīng)_擊地壓災(zāi)害危險(xiǎn)性程度更高[4-6]。因此，沖擊地壓礦井在出現(xiàn)工作面相向同時(shí)回采時(shí)，分析研判其回采的可行性顯得尤為必要。本文以大有能源股份有限公司耿村煤礦13230工作面和13200工作面為研究對(duì)象，通過應(yīng)用理論分析、數(shù)值模擬分析等方法，確定13230工作面和13200工作面同時(shí)回采的可行性，并提出沖擊地壓防治技術(shù)建議，為工作面安全回采提供了一定的參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 礦井及工作面概況

耿村煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬t/a，經(jīng)多次升級(jí)改造后，核定生產(chǎn)能力360萬t/a。礦井主采2-3煤層，煤層埋深626～698 m，煤層厚度0.32～20.82 m，平均厚度9.12 m。2-3煤層屬半暗煤型，煤層傾角11°，煤層堅(jiān)固性系數(shù)1.5，煤層具有沖擊傾向性，屬于高瓦斯礦井。煤層頂板無偽頂，直接頂為灰黑色、黑色泥巖，粉砂質(zhì)泥巖；基本頂為分層厚度6～10 m、總厚度大于100 m的堅(jiān)硬砂巖。煤層直接底為黑色炭質(zhì)泥巖，厚度約2 m；基本底為泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖互層，局部有煤屑。

耿村煤礦13采區(qū)采用走向長壁后退式綜采放頂煤開采工藝，全部垮落法控制頂板，該采區(qū)現(xiàn)采工作面13230工作面，接替面為13200工作面，工作面布置如圖1所示。13230工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層賦存較穩(wěn)定，煤層整體呈南東傾斜的單斜構(gòu)造，工作面煤層平均厚度為17.4 m，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，局部層理紊亂，煤層破碎松軟，工作面走向可采長度971 m，傾斜長196 m；13200工作面地質(zhì)構(gòu)造條件中等，煤層賦存較穩(wěn)定，煤層整體呈南東傾斜的單斜構(gòu)造，工作面所采煤層平均煤厚19.3 m，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煤層破碎松軟，工作面可采長度748.7 m，傾斜長245 m。兩工作面煤層沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果為強(qiáng)沖擊和中等沖擊。

圖1 13301工作面與13302工作面布置Fig.1 Layouts of No.13301 and No.13302 working faces

1.2 工作面同時(shí)回采方案

根據(jù)礦井采掘接續(xù)情況，13230工作面與13200工作面將在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)同時(shí)回采，具體情況如下：①13230工作面自東向西回采，13200工作面自西向東回采；②13230工作面回采至距終采線108 m時(shí)，13200工作面開始回采，兩工作面形成同時(shí)回采，此時(shí)兩工作面間隔距離1 055 m；③在工作面同時(shí)回采期間，13230工作面推進(jìn)度為每天1刀(0.6 m)，13200工作面推進(jìn)度為每天1刀(0.8 m)；④13230回采結(jié)束時(shí)，13200工作面回采144 m，兩工作面同時(shí)回采結(jié)束，13200工作面開始進(jìn)入單采階段，此時(shí)兩工作面距離804 m；⑤13200工作面單采結(jié)束時(shí)與13230工作面終采線相距200 m。

2 工作面同時(shí)回采影響分析

為研究分析兩工作面同時(shí)回采可行性，根據(jù)工作面地質(zhì)條件及不同回采階段，通過FLAC3D軟件，在兩工作面中部沿走向剖面建立同時(shí)回采模型[7-11]，根據(jù)工作面同時(shí)回采期間及單獨(dú)回采期間的時(shí)空條件，設(shè)計(jì)了5個(gè)模擬階段(表1)，對(duì)13230、13200工作面同時(shí)回采可行性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.1 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

為全面系統(tǒng)地反映13200、13230工作面按表1不同階段回采后，超前支承壓力的分布規(guī)律及應(yīng)力的相互疊加效應(yīng)，分析工作面同時(shí)回采可行性。以13200工作面和13230工作面所在區(qū)域地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件為研究背景(圖2)，采用FLAC3D建立數(shù)值模型(圖3)，模型范圍為1 300 m(長)×225 m(高)，單元網(wǎng)格數(shù)為163 994，節(jié)點(diǎn)數(shù)為246 459。由于模型尺度有限，建模時(shí)考慮煤層上方100 m范圍的巖層，其他上覆巖層施加重力；受邊界效應(yīng)的影響，模型兩側(cè)應(yīng)力分布特征與實(shí)際情況出現(xiàn)偏差；由于模型兩側(cè)是工作面采空區(qū)，不作為研究的重點(diǎn)。因此，僅分析兩工作面之間的應(yīng)力分布特征。

表1 13200與13230工作面同時(shí)回采可行性分析數(shù)值模擬Tab.1 Numerical simulation of feasibility analysis for simultaneous mining of No.13200 and No.13230 working faces

圖2 區(qū)域地質(zhì)條件與開采技術(shù)條件模型Fig.2 Model of regional geological conditions and mining technology conditions

圖3 同時(shí)回采可行性分析數(shù)值模型Fig.3 Numerical model of simultaneous mining feasibility analysis

2.2 13200與13230工作面同時(shí)回采可行性分析

(1)階段1：13230工作面正?；夭?，13200工作面開始回采。13200工作面超前支承壓力峰值點(diǎn)位于工作面前方37 m，采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)1.59，超前影響范圍157 m；13230工作面超前支承壓力峰值點(diǎn)位于工作面前方25 m，采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)1.50，超前影響范圍165 m；兩工作面之間733 m未受采動(dòng)影響。13230工作面正?；夭?，13200工作面開始回采的應(yīng)力云圖如圖4所示，數(shù)據(jù)分析如圖5所示。

圖4 13230工作面正?；夭伞?3200工作面開始回采應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephograph of normal stoping at No.13230 working face and starting coal winning at No.13200 working face

圖5 13230工作面正?；夭?、13200工作面開始回采應(yīng)力分析Fig.5 Stress analysis of normal mining at No.13230 working face and starting coal wining at No.13200 working face

(2)階段2：13230工作面回采完畢，13200工作面正?；夭伞?3200工作面超前支承壓力峰值點(diǎn)位于工作面前方33 m，采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)1.97，超前影響范圍170 m；13230工作面超前支承壓力峰值點(diǎn)位于工作面前方21 m，采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)2.00，超前影響范圍206 m；兩工作面之間428 m未受采動(dòng)影響。13230工作面回采完畢，13200工作面正?；夭傻膽?yīng)力云圖如圖6所示，數(shù)據(jù)分析如圖7所示。3條下山距離13230工作面終采線60～137 m，小于工作面的超前支承壓力影響范圍，將受13230工作面回采的影響。

圖6 13230工作面回采完畢、13200工作面正?；夭蓱?yīng)力云圖Fig.6 Stress nephograph of completion of mining at No.13230 working face and normal coal wining at No.13200 working face

圖7 13230工作面回采完畢、13200工作面正常開采應(yīng)力分析Fig.7 Stress analysis of completion of mining at No.13230 working face and normal mining at No.13200 working face

(3)階段3：13230工作面回采完畢，13200工作面繼續(xù)向前回采400 m。13200工作面超前支承壓力峰值點(diǎn)位于工作面前方37 m，為31.25 MPa，采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)2.26，超前影響范圍164 m；兩工作面之間124 m未受采動(dòng)影響。13230工作面回采完畢，13200工作面繼續(xù)向前回采400 m的應(yīng)力云圖如圖8所示，數(shù)據(jù)分析如圖9所示。

圖8 13230工作面回采完畢、13200工作面繼續(xù)向前 回采400 m的應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephograph of the completion of mining at No.13230 working face and continuing coal wining 400 m forward at No.13200 working face

(4)階段4：13230工作面回采完畢，13200工作面繼續(xù)向前回采500 m。13200工作面超前支承壓力峰值點(diǎn)位于工作面前方36 m，為31.93 MPa，采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)2.30，超前影響范圍164 m；兩工作面之間30 m未受采動(dòng)影響。13230工作面回采完畢，13200工作面繼續(xù)向前回采500 m的應(yīng)力云圖如圖10所示，數(shù)據(jù)分析如圖11所示。

圖9 13230工作面回采完畢、13200工作面繼續(xù)向前回采 400 m的應(yīng)力數(shù)據(jù)分析Fig.9 Stress analysis of completion of mining at No.13230 working face and continuing coal wining 400 m forward at No.13200 working face

圖10 13230工作面回采完畢、13200工作面繼續(xù)向前 回采500 m的應(yīng)力云圖Fig.10 Stress nephograph of completion of mining at No.13230 working face and continuing coal wining 500 m forward at No.13200 working face

圖11 13230工作面回采完畢、13200工作面繼續(xù)向前 回采500 m的應(yīng)力數(shù)據(jù)分析Fig.11 Stress analysis of the completion of mining at No.13230 working face and and continuing coal wining 500 m forward at No.13200 working face

(5)階段5：13230工作面回采完畢，13200工作面回采完畢。13200工作面超前支承壓力峰值點(diǎn)位于工作面前方26 m，為36.81 MPa，采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)2.65；兩工作面之間的平均垂直應(yīng)力為19.38 MPa，為原巖應(yīng)力的1.39倍。3條下山距離13200工作面終采線的距離為66～143 m，小于工作面的超前支承壓力影響范圍，將受13200工作面回采的影響。13230工作面回采完畢，13200工作面回采完畢的應(yīng)力云圖如圖12所示，數(shù)據(jù)分析如圖13所示。

圖12 13230、13200工作面回采完畢的應(yīng)力云圖Fig.12 Stress nephograph of completion of coal wining at No.13230 and No.13200 working faces

圖13 13230、13200工作面回采完畢的應(yīng)力數(shù)據(jù)分析Fig.13 Stress analysis of completion of coal wining at No.13230 and No.13200 working faces

3 兩工作面同時(shí)回采可行性分析及沖擊地壓防治

3.1 可行性結(jié)果分析

13200工作面與13230工作面不同回采階段數(shù)值模擬結(jié)果匯總見表2。

(1)工作面同時(shí)回采期間13230工作面應(yīng)力模擬結(jié)果。工作面超前支承壓力的最大值為20.74～27.65 MPa，應(yīng)力峰值點(diǎn)位于工作面前方21～25 m，采動(dòng)應(yīng)力系數(shù)為1.50～2.00，超前影響范圍到工作面前方206 m。

表2 13200、13230工作面同時(shí)回采數(shù)值模擬結(jié)果Tab.2 Numerical simulation results of simultaneous coal mining at No.13200 and No.13230 working faces

(2)工作面同時(shí)回采期間13200工作面應(yīng)力模擬結(jié)果。工作面超前支承壓力的最大值為21.98～27.24 MPa，應(yīng)力峰值點(diǎn)位于工作面前方33～37 m，采動(dòng)應(yīng)力系數(shù)為1.59～1.97，超前影響范圍到工作面前方170 m。

(3)工作面單采期間13200工作面應(yīng)力模擬結(jié)果。工作面超前支承壓力的最大值為31.25～36.81 MPa，應(yīng)力峰值點(diǎn)位于工作面前方23～37m，采動(dòng)應(yīng)力系數(shù)為2.26～2.65，超前影響范圍到工作面前方200 m。最大應(yīng)力值位于13200工作面終采線附近。

(4)13200工作面停采時(shí)應(yīng)力模擬結(jié)果。13200工作面超前支承壓力的最大值為36.81 MPa，應(yīng)力峰值點(diǎn)位于工作面前方26 m，采動(dòng)應(yīng)力系數(shù)為2.65。超前支承壓力與13230工作面支承壓力相互疊加。

(5)3條下山距13230工作面終采線60～137 m，距13200工作面終采線66～143 m，小于兩工作面的超前支承壓力影響范圍，3條下山均受到兩工作面回采的影響。模擬結(jié)果表明，同時(shí)回采期間兩工作面距離1 055～804 m，未受采動(dòng)影響距離733～428 m；符合《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定[12]；單采期間兩工作面距離804～200 m，未受采動(dòng)影響距離428～0 m。13200工作面單采期間的采動(dòng)應(yīng)力和影響范圍均高于同時(shí)回采期間，13200工作面單采期間沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)一步增大。兩工作面的同時(shí)回采期間相互影響很小，不是引發(fā)沖擊地壓的主要因素。13200和13230工作面可以按計(jì)劃進(jìn)行回采。根據(jù)工作面回采期間沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果，制定專項(xiàng)防沖措施，加強(qiáng)工作面的沖擊地壓防治工作。

3.2 沖擊地壓防治建議

(1)沖擊地壓發(fā)生受多因素影響，沖擊危險(xiǎn)存在于13200和13230工作面整個(gè)回采階段，13200工作面單采期間沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)一步增加，鄰近3條下山區(qū)域沖擊地壓危險(xiǎn)性更大，建議加強(qiáng)回采全過程的監(jiān)測和防治工作。

(2)工作面回采期間，沖擊地壓防治以工作面兩巷超前施工卸壓鉆孔、煤層超前深孔注水、提高支護(hù)強(qiáng)度等作為常規(guī)措施，以底煤卸壓、深孔爆破等作為特殊卸壓措施；同時(shí)根據(jù)工作面鉆屑法效果檢驗(yàn)、應(yīng)力監(jiān)測和微震監(jiān)測等綜合監(jiān)測結(jié)果，對(duì)工作面有沖擊地壓危險(xiǎn)的重點(diǎn)區(qū)域及時(shí)優(yōu)化調(diào)整卸壓措施相關(guān)參數(shù)和支護(hù)方式及工藝。

(3)兩工作面同時(shí)回采期間嚴(yán)格執(zhí)行錯(cuò)時(shí)生產(chǎn)，避免同時(shí)相互擾動(dòng)。為避開13230工作面回采擾動(dòng)與13200工作面回采擾動(dòng)時(shí)間疊加，13230工作面和13200工作面嚴(yán)格執(zhí)行錯(cuò)時(shí)生產(chǎn)，13230工作面四點(diǎn)班進(jìn)行生產(chǎn)，13200工作面零點(diǎn)班進(jìn)行生產(chǎn)。

(4)降低回采強(qiáng)度，嚴(yán)控推進(jìn)速度，保持勻速推進(jìn)。13230工作面末采期間，堅(jiān)持每天1刀煤，即0.6 m/d；13200工作面回采期間，嚴(yán)格按照每天1刀煤，即0.8 m/d。兩工作面均保持勻速回采，堅(jiān)持“既定”工作面循環(huán)，嚴(yán)禁隨意調(diào)整工作面推進(jìn)度。

4 結(jié)語

(1)根據(jù)13230、13200工作面同時(shí)回采方案，將工作面劃分為5個(gè)回采階段，結(jié)合工作面地質(zhì)條件和5個(gè)回采階段的情況，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立工作面同時(shí)回采期間不同階段回采模型，綜合分析研判兩工作面同時(shí)回采是可行的。

(2)通過對(duì)13230、13200工作面不同階段回采情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，兩工作面同時(shí)回采期間相互影響很小，不是引發(fā)沖擊地壓的主要因素；13200工作面單采期間的采動(dòng)應(yīng)力和影響范圍均高于同時(shí)回采期間。兩工作面回采期間需制定沖擊地壓專項(xiàng)措施，加強(qiáng)回采全過程的監(jiān)測和防治工作，同時(shí)根據(jù)工作面鉆屑法效果檢驗(yàn)、應(yīng)力監(jiān)測和微震監(jiān)測等綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)工作面有沖擊地壓危險(xiǎn)的重點(diǎn)區(qū)域及時(shí)優(yōu)化調(diào)整卸壓措施相關(guān)參數(shù)和支護(hù)方式及工藝。