安居煤礦2315工作面沖擊危險性評價及防治

王璐飛，鐘志路，劉永樂，辛承銳

(山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590)

沖擊地壓是一種常見的礦山和采場動力災害，常伴隨大量煤巖體被拋出、片幫冒頂、支護失效等現(xiàn)象，造成設備損毀和人員傷亡，嚴重威脅礦井的安全生產。近年來，隨著我國煤炭資源開采強度和深度不斷增加，存在沖擊地壓危險的礦井數(shù)量與災害強度不斷增加。

科研工作者從很多方面對沖擊地壓災害進行了研究。李玉生[1]認為沖擊地壓機理可用強度準則、能量準則及沖擊傾向準則加以概括，3個條件的共同作用必然導致沖擊地壓的發(fā)生；趙洪寶等[2]指出沖擊地壓產生于不均衡的應力集中；彭維紅、秦昊等[3-4]采用數(shù)值模擬研究了巷道在動載作用下的破壞形式；李夕兵等[5-6]建立了動靜載組合作用下巖石的破壞準則，并采用FLAC3D模擬了礦柱在動載和靜載組合作用下的力學響應過程。在防治沖擊地壓方面，竇林名等[7]提出沖擊地壓的強度弱化減沖理論；鄭吉等[8]探討了千米深井強沖擊傾向煤層的沖擊地壓防治技術；苗素等[9]著重探討了在深部復雜地質條件下的礦井沖擊地壓分析及防治；鞠文君、潘俊鋒[10]分析了我國沖擊地壓監(jiān)測預警的主要方法和技術特點，提出了沖擊地壓礦井的主要監(jiān)測預警模式；夏永學、藍航、毛德兵[11]基于沖擊地壓的能量機理，提出了沖擊地壓啟動形式。

學者們在沖擊地壓發(fā)生和防治方面進行了大量研究，但由于其發(fā)生機理的復雜性，目前對不同礦區(qū)沖擊地壓發(fā)生的可能性尚未形成統(tǒng)一的判斷標準。因此，以安居煤礦3煤為研究對象，首先對該煤層進行了理論分析和沖擊傾向性鑒定，然后利用3DEC進行2315工作面模擬開采，通過實驗模擬的結果對沖擊地壓發(fā)生的可能性加以驗證，最后根據(jù)2315工作面實際情況提出沖擊地壓防治措施。

1 工作面概況及沖擊地壓危險性分析

1.1 工作面概況

2315工作面位于-940m水平(開采水平)，開采煤層為3煤，地面標高為+34～+36m，工作面標高為-975～-990m，工作面可推進長度為327.71m，開切眼長度為130m(平距)，煤層傾角2°～9°，平均4°，煤厚2.1～3.1m，平均2.6m。煤層頂板主要為深灰色泥質砂巖，相對完整，局部含粉砂巖，較破碎，底板為深灰色泥巖及砂質泥巖。

1.2 工作面沖擊地壓影響因素分析

根據(jù)現(xiàn)有2315工作面的地質與工程條件，總結出影響沖擊地壓的主要影響因素包含以下幾個方面。

(1)開采深度 隨著開采深度的增加，自重應力以及煤巖體中聚積的彈性能也隨之增加。開采深度越大，發(fā)生沖擊地壓的可能性也越大。2315工作面為千米深工作面，采深最高達到了1026m，沖擊地壓危險指數(shù)接近0.7。

(2)頂板巖層結構特征 通過2315工作面附近分布的地質鉆孔柱狀圖計算得到2315工作面頂板厚度特征參數(shù)為78.80(大于50)，同時上覆100m范圍內頂板巖層以砂巖為主，其破斷運動會影響工作面沖擊地壓顯現(xiàn)情況。

(3)煤巖體的物理力學性質及特征 對安居煤礦取樣的煤巖體，進行物理力學測試及沖擊傾向性鑒定，3煤及頂?shù)装鍘r層力學性質和沖擊傾向性見表1、表2。結果表明安居煤礦3煤沖擊傾向性屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性煤層；頂板巖層沖擊傾向性為Ⅲ類，為具有強沖擊傾向性巖層；底板巖層沖擊傾向性為Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性巖層。3煤及頂?shù)装宓臎_擊傾向性增加了2315工作面沖擊地壓事故發(fā)生的可能性，尤其是3煤頂板巖層的強沖擊傾向性對工作面沖擊危險程度影響較大。

表1 3煤層頂?shù)装鍥_擊傾向性鑒定結果

表2 3煤層沖擊傾向性鑒定結果

(4)地質構造 在向背斜的翼部和斷層的附近會造成煤巖局部應力集中。2315工作面無巖漿巖侵入且沖擊危險程度受褶曲構造影響較小，但局部會受到斷層的影響，而XDF203等斷層的存在使得工作面沖擊危險程度增大。

(5)開采技術 2315工作面末采階段，工作面前方形成三角形煤體，在三角形煤體區(qū)域巷道將會形成較高的應力集中現(xiàn)象，沖擊危險程度較高，應合理設置停采線位置；2315工作面停采線定在軌道巷拐角處(前方三角形煤體初形成位置)，對工作面沖擊危險性有一定影響。

1.3 工作面的沖擊危險性及區(qū)域劃分

在回采工作面及巷道中，煤層、頂?shù)装鍘r層共同組成一個力學平衡系統(tǒng)，受到采掘擾動的影響時，這個系統(tǒng)的受力狀態(tài)將不斷調整和變化，可以綜合運用綜合指數(shù)法與可能性指數(shù)法對2315工作面進行評價，確定其沖擊危險狀態(tài)。對于工作面范圍來說，開采深度、煤巖沖擊傾向性和頂板巖層結構特征基本上是固定不變的，回采過程中造成沖擊危險的因素主要為斷層構造、覆巖運動、工作面見方等，因此可根據(jù)上述因素對2315工作面回采期間的沖擊危險性及危險區(qū)域進行劃分。

(1)運用綜合性指數(shù)法計算得到?jīng)_擊危險狀態(tài)等級Wt=0.4211，即沖擊危險等級為弱；運用可能性指數(shù)計算得到?jīng)_擊地壓發(fā)生的可能性指數(shù)U=0.89，即很可能。

(2)基本頂初期來壓前后15m為中等沖擊危險區(qū)域。根據(jù)基本頂梁式斷裂理論，計算得基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?8.3m。

(3)初次見方段前后30m范圍為中等沖擊危險區(qū)域。工作面推至130m時采空區(qū)頂板巖層受力發(fā)生變化，覆巖運動高度達到最大值，支承壓力升高，煤巖體中震動能量與頻次響應上升，易發(fā)生大能量震動，從而誘發(fā)沖擊地壓事故。

(4)巷道交叉段與構造影響區(qū)域，2315工作面膠帶巷停采線前方40m范圍內、停采線后方20m范圍內為中等沖擊危險區(qū)域，2315工作面軌道巷拐角前后20m范圍為中等沖擊危險區(qū)域，切眼與兩巷拐角前后20m范圍內為中等危險區(qū)域。2315軌道巷XDF203斷層后方20m，停采線后20m范圍內為強沖擊危險區(qū)域。

綜上所述，利用多因素耦合分析方法劃分了2315工作面沖擊危險區(qū)域，如圖1所示。

圖1 2315工作面回采期間沖擊危險區(qū)域劃分

2 沖擊地壓發(fā)生規(guī)律的數(shù)值模擬研究

為了進一步了解工作面回采上覆巖層對沖擊地壓的影響規(guī)律，利用3DEC數(shù)值模擬進行了驗證。

2.1 模型的建立

根據(jù)安居煤礦實際煤巖層地質賦存情況進行建模，模型尺寸為51m×21m×27m，共分為13934個塊體和590091個單元，工作面巖性至上而下分別為細砂巖、中砂巖、泥質砂巖、煤、泥巖、砂質泥巖、細砂巖，模型如圖2所示，各分層巖性的參數(shù)見表3。

圖2 數(shù)值模型

巖性類別厚度/m密度/(kg·m-3)體積模量/GPa剪切模量/GPa內摩擦角/(°)黏聚力/MPa抗拉強度/MPa細砂巖3.925602.31.75357.52.6中砂巖8.522002.61.42345.82.0泥質砂巖4.019501.81.30284.21.4煤2.614801.61.25284.51.2泥巖0.818902.01.18275.21.5砂質泥巖3.422602.21.35305.72.1細砂巖3.125602.31.75357.52.6

模型側面限制水平移動，底面限制垂直移動，模型上部為自由面，根據(jù)安居煤礦地應力測試結果，施加z軸負向應力28MPa，重力加速度g=-9.8m/s2。

2.2 工作面推進過程中覆巖運動規(guī)律

工作面推進步距為6m，采空區(qū)上賦巖層隨著工作面不斷向前推進而產生裂隙并垮落，如圖3所示。

圖3 工作面推進過程中覆巖垮落規(guī)律

工作面推進至12m，直接頂發(fā)生折彎，覆巖離層開始出現(xiàn)；推進至24m處，基本頂基本垮落，由此判定基本頂初次來壓步距約24m，基本頂垮落范圍約10m；之后隨著工作面每推進一步，基本頂隨即垮落。推進至36m時，工作面后方15m左右采空區(qū)基本完成垮落過程。從覆巖垮落規(guī)律可知，采場周圍煤巖體塑性區(qū)范圍的擴大致使煤巖層極限承載能力強度的降低，致使該范圍內的煤巖層在較小的動力或開采擾動作用下，出現(xiàn)煤巖塊的崩落或者引發(fā)局部沖擊地壓事件。

2.3 工作面推進過程中支承壓力分布規(guī)律

如圖4所示，以工作面推進至12m，24m，36m時為例，對工作面超前支承壓力進行分析。隨工作面推進距離的增加，工作面前方支承壓力的峰值呈現(xiàn)出線性增加的趨勢。

圖4 不同推進距離下工作面超前支承壓力峰值變化

當工作面開采至距開切眼24m(圖3(b))時，基本頂初次來壓，工作面前方垂直應力集中顯著，頂板活動強烈，沖擊危險性較大。隨著工作面的繼續(xù)推進，工作面前方支承壓力的峰值有所減小并趨于穩(wěn)定，但應力集中系數(shù)為2.0～3.0，仍存在有一定的沖擊危險。

3 沖擊危險監(jiān)測方案與防治技術

3.1 沖擊地壓監(jiān)測方案

2315工作面回采期間，以鉆屑法為主，結合微震監(jiān)測法、應力在線監(jiān)測法進行沖擊地壓危險性綜合監(jiān)測。

(1)鉆屑法 在工作面超前60m范圍內兩巷每2～3d進行1組煤粉檢測，組間距5～10m；超前外150m內斷層、褶曲、煤層變化或其他中等以上危險區(qū)根據(jù)應力在線、微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結果進行不定期檢測。

(2)微震法 在工作面兩巷內安裝微震檢波探頭，對工作面的礦震信號進行遠距離、實時自動監(jiān)測。

(3)應力在線監(jiān)測法 使用KJ649煤礦沖擊地壓應力在線監(jiān)測系統(tǒng)，在工作面回采期間對煤體應力集中程度進行監(jiān)測。

3.2 沖擊地壓解危措施

(1)中等及弱沖擊危險區(qū)域 采取大直徑鉆孔對巷道兩幫進行加密卸壓。工作面回采過程中，無論是否存在沖擊危險，都必須采用大孔徑鉆孔進行預卸壓，且始終保持不低于超前150m的卸壓距離，巷道兩幫按間距5m施工。卸壓工具：采用ZQSJ-140型防沖鉆機，配套φ76mm的高強螺旋鉆桿及φ110mm的高強度組合鉆頭施工卸壓孔。

(2)強沖擊危險性區(qū)域 采取縮短卸壓孔間距、加大孔深或提高卸壓孔徑等方式對危險區(qū)內巷道兩幫進行解危卸壓。加密卸壓方案：在沖擊地壓監(jiān)測過程中，當監(jiān)測到存在強沖擊危險時，對危險區(qū)域內的巷道兩幫危險區(qū)域前后30m進行卸壓，并根據(jù)實際情況采取多輪卸壓方式直至危險解除。當加密卸壓后仍不能解除危險時，必須編制專項解危措施采取其他手段進行解危卸壓。

(3)解危措施效果檢驗 沖擊地壓防治措施效果檢驗手段應以鉆屑法為主，以應力在線監(jiān)測、微震監(jiān)測為輔，當解危后的指標小于規(guī)定的臨界值時，則認為解危措施有效，達到降低或消除沖擊地壓危險的目的。

4 結 論

(1)2315工作面的沖擊危險綜合指數(shù)為0.4211，即沖擊危險等級為弱；可能性指數(shù)0.89，即很可能。工作面回采期間的強沖擊危險區(qū)域為2個，中等沖擊危險區(qū)域為12個，其他為弱沖擊危險區(qū)域。

(2)利用離散元軟件3DEC對2315工作面覆巖運動規(guī)律進行模擬研究，得出基本頂初次垮落步距為24m，超前支承壓力峰值約80～100MPa。工作面推至該應力集中區(qū)時，應加強煤體及周圍巖體的應力、變形和微震監(jiān)測，應采取適用的解危措施，有效防止沖擊地壓的發(fā)生。

(3)針對安居煤礦2315工作面回采期間的弱-中-強3種不同等級的沖擊危險，提出了對應的監(jiān)測預警方案。對中等及弱沖擊危險區(qū)域，在巷道回采側采取大直徑鉆孔進行預卸壓；對強沖擊危險區(qū)域，采取加密大直徑鉆孔對巷道兩幫進行預卸壓；當加密卸壓后仍不能解除危險時，必須編制專項解危措施采取其他手段進行解危卸壓。