工作面停采位置優(yōu)化與沖擊地壓防治技術(shù)研究

孫德全，李 楊，李海波 ，毛開江，朱志潔

(1.山東省深部沖擊地壓災(zāi)害評(píng)估工程實(shí)驗(yàn)室，山東省濟(jì)南市，250100；2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東省濟(jì)南市，250104；3.山東省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，山東省濟(jì)南市，250104；4.應(yīng)急管理部信息研究院，北京市朝陽區(qū)，100029；5.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧省阜新市，123000)

工作面在末采期間，與采區(qū)下山之間形成了一定范圍的煤柱，在該區(qū)域易產(chǎn)生應(yīng)力集中[1-5]。若設(shè)計(jì)不當(dāng)，在停采區(qū)域可誘發(fā)沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害。本文以雙鴨山礦區(qū)西二采區(qū)九層四片工作面為例，針對(duì)設(shè)計(jì)的停采方案，分析了停采區(qū)域及3條下山的應(yīng)力分布情況，在此基礎(chǔ)上對(duì)停采方案進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)設(shè)計(jì)了沖擊地壓監(jiān)測(cè)及防治措施，以指導(dǎo)工作面末采期間的安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

雙鴨山礦區(qū)集賢煤礦西二采區(qū)九層四片工作面位于-450 m水平，北部為西二采區(qū)軌道下山，南部為北崗斷層，西部為西二采區(qū)五片準(zhǔn)備面，東部為西二采區(qū)三片采空區(qū)，如圖1所示。

圖1 西二采區(qū)四片工作面平面圖

工作面埋深為650～695 m；工作面傾向長(zhǎng)度為194 m，走向長(zhǎng)度平均為410 m，分別布置運(yùn)料巷、帶式輸送機(jī)巷和抽放巷3條巷道。

2 工作面現(xiàn)有停采方案下煤巖體應(yīng)力分布與沖擊地壓危險(xiǎn)性分析

(1)工作面煤巖體應(yīng)力計(jì)算的模型建立。利用有限差分軟件FLAC3D以工作面現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)建立數(shù)值模擬模型，通過數(shù)值計(jì)算分析工作面開采的煤巖體應(yīng)力分布規(guī)律。建立支護(hù)參數(shù)模擬模型，模型尺寸為575 m×500 m×110 m(長(zhǎng)×寬×高)，共建立1 538 075個(gè)單元。參數(shù)選取依據(jù)煤巖物理力學(xué)試驗(yàn)和地應(yīng)力測(cè)定結(jié)果。

(2)工作面回采前煤巖體應(yīng)力分布規(guī)律分析。鄰近采空區(qū)影響下西二采區(qū)四片工作面原始應(yīng)力分布情況如圖2所示。四片工作面初始應(yīng)力達(dá)到17.5～44.0 MPa，工作面鄰近三片采空區(qū)一側(cè)應(yīng)力集中顯著。在四片工作面走向的中部位置200 m處，沿工作面的傾向分析支撐應(yīng)力的分布規(guī)律，鄰近采空區(qū)影響下四片運(yùn)料巷一側(cè)工作面的中部支撐應(yīng)力峰值為44.0 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.51，應(yīng)力峰值點(diǎn)位于煤壁5 m處。應(yīng)力分布規(guī)律如圖3所示。取應(yīng)力集中系數(shù)為1.5(應(yīng)力26.3 MPa)作為應(yīng)力集中區(qū)臨界值，則支撐應(yīng)力影響范圍為40 m，應(yīng)力峰值區(qū)分布在5～25 m。

圖2 西二采區(qū)四片工作面原始應(yīng)力分布規(guī)律

圖3 四片工作面中部200 m處沿傾向支撐應(yīng)力分布規(guī)律

(3)工作面回采后停采區(qū)煤巖體的應(yīng)力分布規(guī)律及“三條下山”沖擊地壓危險(xiǎn)性分析。西二采區(qū)四片工作面回采至停采線時(shí)，工作面和回風(fēng)下山、帶式輸送機(jī)下山和軌道下山的應(yīng)力分布如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，回風(fēng)下山煤巖體應(yīng)力達(dá)到22～27 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.26～1.54；帶式輸送機(jī)下山煤巖體應(yīng)力達(dá)到23～31 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.31～1.77；軌道下山煤巖體應(yīng)力達(dá)到32～44 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.83～2.51。軌道下山在四片工作面采動(dòng)應(yīng)力影響范圍之內(nèi)?；仫L(fēng)下山和帶式輸送機(jī)下山應(yīng)力集中系數(shù)均小于2，發(fā)生沖擊地壓的可能性較小。軌道下山應(yīng)力集中明顯，應(yīng)力集中系數(shù)大于2，發(fā)生沖擊地壓的可能性較大。因此，應(yīng)在四片工作面停采前，采用鉆孔卸壓等方法對(duì)軌道下山圍巖進(jìn)行卸壓，降低沖擊地壓危險(xiǎn)；調(diào)整停采線位置，減弱工作面采動(dòng)應(yīng)力對(duì)軌道下山的影響。

圖4 停采區(qū)煤巖體應(yīng)力分布平面圖

圖5 停采區(qū)煤巖體應(yīng)力分布剖面圖

3 工作面停采線位置優(yōu)化

3.1 工作面不同停采位置軌道下山圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，分析不同停采位置軌道下山的巖體應(yīng)力分布特征，如圖6所示。現(xiàn)有設(shè)計(jì)停采線距軌道下山20 m時(shí)，軌道下山巖體應(yīng)力達(dá)到30.4～44.0 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.71～2.51，在四片運(yùn)料巷向左150 m區(qū)域應(yīng)力集中系數(shù)大于2，該范圍發(fā)生沖擊地壓的可能性較大。

圖6 不同停采線位置軌道下山巖體應(yīng)力分布

(1)當(dāng)停采線距軌道下山30 m時(shí)，軌道下山巖體應(yīng)力達(dá)到28.3～42.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.62～2.43，從四片運(yùn)料巷至五片運(yùn)料巷120 m范圍，應(yīng)力集中系數(shù)大于2，該區(qū)域發(fā)生沖擊地壓的可能性較大。

(2)當(dāng)停采線距軌道下山40 m時(shí)，軌道下山巖體應(yīng)力達(dá)到26.3～41.0 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.50～2.34，在四片運(yùn)料巷至五片運(yùn)料巷75 m范圍，應(yīng)力集中系數(shù)大于2，該區(qū)域發(fā)生沖擊地壓的可能性較大。

(3)當(dāng)停采線距軌道下山50 m時(shí)，軌道下山巖體應(yīng)力達(dá)到25.5～39.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.46～2.26，在四片運(yùn)料巷至五片運(yùn)料巷45 m范圍，應(yīng)力集中系數(shù)大于2，該區(qū)域發(fā)生沖擊地壓的可能性較大。

隨著軌道下山與停采線距離的增加，軌道下山?jīng)_擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域逐漸減少。建議軌道下山與停采線的距離為40 m，同時(shí)對(duì)軌道下山采取卸壓防沖措施。

3.2 工作面停采線40 m時(shí)3條下山圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

當(dāng)停采線距軌道下山40 m時(shí)，工作面和回風(fēng)下山、帶式輸送機(jī)下山和軌道下山的應(yīng)力分布規(guī)律如圖7和圖8所示。由圖可知，四片工作面在鄰近采空區(qū)一側(cè)，隨著四片工作面回采影響，采動(dòng)應(yīng)力影響范圍達(dá)到軌道下山區(qū)域；在五片運(yùn)料巷一側(cè)，采動(dòng)應(yīng)力影響范圍未達(dá)到軌道下山?；仫L(fēng)下山煤巖體應(yīng)力達(dá)到22～27 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.26～1.54，應(yīng)力與設(shè)計(jì)20 m停采線的應(yīng)力基本相同；帶式輸送機(jī)下山煤巖體應(yīng)力達(dá)到22 ～30 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.26～1.71，應(yīng)力較設(shè)計(jì)20 m停采線的應(yīng)力相差較??；軌道下山煤巖體應(yīng)力達(dá)到26～41 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.48～2.34，應(yīng)力較設(shè)計(jì)20 m停采線的應(yīng)力降低了6.8%～18.7%，軌道下山靠近三片采空區(qū)一側(cè)巖體應(yīng)力降低明顯。

圖7 停采線距軌道下山40 m停采區(qū)煤巖體應(yīng)力分布平面圖

圖8 停采線距軌道下山40 m停采區(qū)煤巖體應(yīng)力分布剖面圖

4 工作面應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案及解危措施分析

4.1 停采區(qū)煤巖體監(jiān)測(cè)方案

當(dāng)四片工作面回采至停采線區(qū)域時(shí)，將與鄰近采空區(qū)、3條下山形成類似于孤島區(qū)域，煤體應(yīng)力容易集中，應(yīng)在軌道下山加強(qiáng)對(duì)停采線區(qū)域的煤巖體應(yīng)力監(jiān)測(cè)和鉆屑法監(jiān)測(cè)。四片工作面開采前，在采區(qū)軌道下山向工作面停采區(qū)域布置3組煤巖體應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備，安裝位置為西二采區(qū)四片運(yùn)料巷至五片運(yùn)料巷區(qū)域范圍內(nèi)，應(yīng)力監(jiān)測(cè)裝置間距50 m。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面向工作面?zhèn)炔贾?個(gè)煤巖體應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備，鉆孔長(zhǎng)度分別為10 m和15 m，鉆孔直徑為42 mm，相鄰鉆孔間距為1.0 m，鉆孔距離底板高度約1.5 m。采用鉆屑法監(jiān)測(cè)時(shí)，鉆孔直徑42 mm，孔深不小于10 m，距底板1.0～1.5 m，孔間距20 m，主要檢測(cè)每米鉆孔的鉆屑量。

如果檢測(cè)到的應(yīng)力急劇上升或鉆屑量超過臨界指標(biāo)或出現(xiàn)卡鉆、頂鉆等動(dòng)力現(xiàn)象，應(yīng)認(rèn)為煤體處于臨界應(yīng)力狀態(tài)，必須采取解危措施。

4.2 停采區(qū)沖擊地壓防治措施

現(xiàn)有的中部輔助巷距四片運(yùn)料巷75 m，可利用中部輔助巷在煤層中分別向四片運(yùn)料巷和五片運(yùn)料巷打大直徑鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度分別為75、115 m。同時(shí)從四片運(yùn)料巷向三片停采區(qū)打大直徑鉆孔、從五片運(yùn)料巷向五片工作面打大直徑鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度不小于30 m。鉆孔布置應(yīng)覆蓋軌道下山，在軌道下山外側(cè)鉆孔范圍不小于10 m，軌道下山至停采線實(shí)現(xiàn)鉆孔全覆蓋。鉆孔直徑為130～150 mm，鉆孔間距為1.0～1.5 m。軌道下山卸壓方案如圖9所示。

圖9 軌道下山卸壓方案

5 結(jié)論

(1)西二采區(qū)四片工作面按照設(shè)計(jì)停采線回采結(jié)束后工作面采動(dòng)應(yīng)力影響范圍達(dá)到軌道下山。軌道下山煤巖體應(yīng)力達(dá)到32～44 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.83～2.51。軌道下山應(yīng)力集中明顯，應(yīng)力集中系數(shù)大于2，發(fā)生沖擊地壓的可能性較大?；仫L(fēng)下山和帶式輸送機(jī)下山應(yīng)力集中系數(shù)均小于2，發(fā)生沖擊地壓的可能性較小。

(2)隨著軌道下山與停采線距離的增加，軌道下山?jīng)_擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域逐漸減少。建議軌道下山與停采線的距離為40 m，同時(shí)對(duì)軌道下山采取卸壓防沖措施。

(3)停采區(qū)軌道下山應(yīng)力集中明顯，沖擊地壓發(fā)生的可能性較大。應(yīng)采取施工大直徑鉆孔卸壓防沖措施，中部輔助巷在煤層中分別向四片運(yùn)料巷和五片運(yùn)料巷打大直徑卸壓鉆孔卸壓解危。卸壓鉆孔深度40～65 m，直徑130～150 mm，間距1.0～1.5 m。