趙 凱

（山西汾西礦業(yè)集團設計院， 山西 介休 032000）

1 工程概況

1304工作面地面標高39.1 m，地面位于陽城壩東南300 m地段，地表主要為農(nóng)田和鄉(xiāng)村公路，該工作面掘進對地表無影響。井下位于1303工作面采空區(qū)與1305工作面采空區(qū)之間，工作面上部為1303采空區(qū)，下部為1305采空區(qū)，北一采區(qū)軌道暗斜井以北，陽城壩斷層東南470 m（如圖1）。1304工作面標高為-535 ～-660 m之間，在三條暗斜井北部。所處地段煤巖層整體賦存形態(tài)為走向北東，傾向南東的單斜構造。主采煤層3煤，厚度為7.0～8.2 m，平均厚度7.5 m，屬穩(wěn)定的厚煤層。硬度系數(shù)f=1.5，屬于中硬煤層。煤層傾角13°～17°，平均15°。在1303皮順揭露的f1～f8斷層，1304工作面巷道掘進過程中仍將可能揭露。

3煤為直接頂粉砂巖，直接頂板為細砂巖，厚度在12.98 m左右，老頂為中砂巖，厚度在30 m左右。該工作面地質條件較復雜，落差1.2 ～5.0 m的斷層8條，均會對回采工作造成一定的影響。

圖1 工作面布置圖

從工作面平面布置圖中可以看出，每個工作面的開切眼均不在同一位置，下一工作面的開切眼在上一工作面后方一定距離處。從平面圖上看，類似于平常生活中的臺階，因此將其命名為臺階式工作面。同時，3煤的開采順序依次為開采1301、1303、1305、1304、1302工作面，由于跳采的原因，導致在開采1304和1302工作面時形成上區(qū)段部分區(qū)域是實體區(qū)部分區(qū)域是采空區(qū)，下區(qū)段為采空區(qū)的特殊結構。將1302工作面和1304工作面命名為臺階式工作面，將上區(qū)段部分為實體區(qū)域的開采區(qū)域命名為臺階區(qū)域，1304工作面臺階區(qū)域長度為130 m。

2 臺階區(qū)域沖擊地壓發(fā)生機理

由于1303工作面已經(jīng)采空，會在開切眼后方形成殘余支承應力，而隨著1304工作面的推進，超前支承應力影響范同逐漸接近1303工作面開采形成的殘余支承應力，從而造成應力集中。如果得知兩支承應力影響范圍，便可以推算出應力疊加區(qū)，即得知應力集中區(qū)域[5-6]。

1303工作面開采過后在開切眼后方形成的殘余支承應力和l303工作面開采形成的超前支承應力在1304工作面上順槽一側發(fā)生疊加，造成應力集中，使得臺階區(qū)域具有了發(fā)生沖擊地壓的高應力條件。同時，由于1303工作面和1305工作面的采空以及1304工作面的開采，形成了一種特殊的覆巖空間結構。該覆巖空間結構的斷裂線位于實體側，觸矸線位于采空區(qū)內造成了1304工作面下順槽側發(fā)生較大變形，而1303工作面開切眼后方的實體側由于巖體受三向約束作用，發(fā)生的變形量較小，從而積聚了大量的彈性能。1304工作面的開采初期，由于采空區(qū)范圍有限，上覆巖層運動以低位巖梁為豐，同時，1303工作面開切眼實體側積聚的彈性能也較小，此時巖梁斷裂造成的影響較小。當1304工作面推進到一定距離后，上覆巖層運動高位巖梁已經(jīng)達到一定的跨度，同時1303工作面開切眼實體側積聚的彈性能也累積的很大，兩應力疊加造成的高應力集中容易造成巖梁斷裂，巖梁斷裂產(chǎn)生的動壓會引發(fā)沖擊地壓，若斷裂的巖梁是高位巖梁，則發(fā)生沖擊地壓的可能性就會更大。

3 危險區(qū)域圈定

由于1303工作面和1305工作面的開采，當1304工作面未開采時，兩順槽附近已經(jīng)形成應力集中，由數(shù)值模擬軟件模擬分析可知上順槽側應力達到25 MPa，而下順槽側則達到了39.3 MPa，均大于原巖應力和煤的單軸抗壓強度。1305工作面開采后，上覆巖層產(chǎn)生的塑性區(qū)面積很大，其高度可達到60 m，然而1303工作面開采后在開切眼后方的實體區(qū)域產(chǎn)生的塑性區(qū)面積相對較小，高度大約為15 m左右。由此可以推斷出開采1304工作面時，下順槽側容易發(fā)生很大的變形，從而釋放掉一部分應力，這就起到了一定的卸壓作用；而上順槽側由于則發(fā)生了相對較小的變形，煤體受到三向應力的作用，導致實體側容易積聚彈性能。因此，雖然下順槽側受到更大的應力集中，但是當受到外力擾動時，上順槽側比下順槽側更容易發(fā)生沖擊地壓，即上順槽側具有更大的沖擊危險性。

為了摸清采動影響下1304工作面上順槽側沖擊危險相關規(guī)律，通過監(jiān)測不同工作面推進步距下煤壁前方80 m范圍內的支承壓力，了解工作面煤壁前方超前支承壓力分布范圍及應力集中規(guī)律，就可以得到應力疊加區(qū)域，從而圈定出沖擊危險區(qū)域。

圖2 不同推進步距下工作面上端頭支承壓力分布

圖3 開切眼后方支承壓力分布

整體來講，工作面煤壁前方支承壓力有一個從形成到發(fā)展，最后達到穩(wěn)定的過程，隨著工作面不斷推進，煤壁前方支承壓力峰值逐漸增加，最后趨于的穩(wěn)定值也逐漸增大，此穩(wěn)定值也明顯大于原巖應力，沖擊危險不斷增大；相同推進步距下，煤壁前方支承壓力先是逐漸增大，到達峰值后開始減小，最后趨于穩(wěn)定值；工作面煤壁前方0 ～60 m范圍內，支承壓力變化較為明顯，在60 m之后，支承壓力曲線較為平緩，因此，工作面超前支承壓力影響范圍為60 m左右；隨著工作面的推進，支承壓力峰值位置略有變化，工作面傾向不同位置處，支承壓力峰值位置有所不同，然而，峰值位置大都集中在煤壁前方10～15 m之間，即在工作面煤壁前方10～l5 m之間為塑性區(qū)。

1303開切眼后方殘余支承壓力作用在開切眼后方實體側，如圖3所示，支承壓力先是逐漸增大，到達峰值后開始減小，最后趨于穩(wěn)定值且峰值位置在12 m處，即1303開切眼后方12 m范圍內為塑性區(qū)，支承壓力影響范圍在50m左右。綜合圖2，圖3可知，兩應力疊加影響范圍為距1303開切眼處60 m，至距1303開切眼12 m，60～130 m范圍內沒有發(fā)生應力疊加。

確定臺階式工作面臺階區(qū)域沖擊危險區(qū)域:

1）上順槽附近。0 ～70 m處為低應力區(qū)，此區(qū)域具有弱沖擊危險性，但是在此區(qū)域積聚了大量的彈性能；70～118 m處為應力疊加區(qū)，此區(qū)域具有強沖擊危險性；118～130 m處為應力釋放區(qū)，此區(qū)域具有強沖擊危險性。

2）下順槽附近為應力釋放區(qū)。但是，由于1305工作面的開采，導致此區(qū)域產(chǎn)生范圍較大的塑性區(qū)，在開采1304工作面的過程中，產(chǎn)生了大變形，釋放掉一部分應力，從而起到一定的卸壓效果，因此，此區(qū)域具有弱沖擊危險性。同時，當1304工作面推進到初次來壓和周期來壓階段時，應特別注意防沖工作。

圖4 臺階區(qū)域沖擊危險區(qū)域

4 結語

文中通過理論分析得到臺階工作而具有沖擊危險的原因是:1303工作面開采過后在開切眼后方形成的殘余支承應力和1303工作面開采形成的超前支承應力在1304工作面上順槽一側發(fā)生疊加，造成應力集中，使得臺階區(qū)域具備了發(fā)生沖擊地壓的高應力條件。同時，由于1303工作面和1305工作面的采空以及1304工作面的開采，形成了一種特殊的覆巖空間結構。該覆巖空間結構造成了1304工作面下順槽側發(fā)生大變形，而1303工作面開切眼后方的實體側積聚了大量的彈性能。1304工作面的開采初期，由于采空區(qū)范圍有限，上覆巖層運動以低位巖梁為主，同時1303工作面開切眼實體側積聚的彈性能也較小，此時巖梁斷裂造成的影響較小。當1304工作面推進到一定距離后，上覆巖層運動高位巖梁已經(jīng)達到一定的跨度，同時1303工作面開切眼實體側積聚的彈性能也累積的很大，兩應力疊加造成的高應力集中容易造成巖梁斷裂，巖梁斷裂產(chǎn)生的動壓會引發(fā)沖擊地壓，若斷裂的巖梁是高位巖梁，則發(fā)生沖擊地壓的可能性就會更大。

圈定了臺階區(qū)域沖擊危險區(qū)域，上順槽附近:0～70 m處為小變形彈性能積聚區(qū)，此區(qū)域具有弱沖擊危險性；70～118 m處為應力疊加區(qū)，此區(qū)域具有強沖擊危險性；118～130 m處為應力釋放區(qū)，此區(qū)域具有強沖擊危險性。下順槽附近為應力釋放區(qū)，是大變形弱沖擊區(qū)域。