CG1306工作面過斷層回采時沖擊危險分析及防治

李 皎

(山東義能煤礦有限公司)

在我國煤礦開采過程中，由于特殊的地質條件，經常遇到斷層構造，尤其是過斷層開采時會受到斷層擾動影響[1-4]，極易誘發沖擊地壓。長期以來,國內外專家學者對斷層附近的采礦活動進行了大量的研究[5-7]，包括煤礦沖擊地壓災害防治技術體系以及控制理論[8-9]等。本文以山東義能煤礦CG1306工作面為研究背景，分析工作面過斷層時支承應力演化規律及沖擊危險性，進而提出相應的防范措施，為類似條件下的沖擊地壓災害分析與防治提供參考。

1 工程概況

山東義能煤礦CG1306工作面位于1采區，CG1306工作面東部為13皮帶上山，南部為DF25斷層，北部為井田沖刷區域，西部為DF31斷層。CG1306工作面主采煤層為3#煤層，平均厚3.7 m，埋深為750 m，煤層傾角平均為3°；工作面寬度為130 m，走向推進長度為1 312 m，面積為170 560 m2。該工作面內距停采線25 m處有一傾角70°、落差0～3 m的斷層，與回采工作面斜交，方向與工作面推進方向基本相同，斷層走向長度為30 m。另外，皮帶順槽外側斷層較多，隨著順槽與斷層距離的減小，斷層位置附近應力增大，受采動影響逐漸增強，很有可能發生構造型沖擊地壓。工作面布置見圖1。

2 模型建立

為了全面、系統地反映CG1306工作面過斷層開采時巷道及采場圍巖的力學變化過程，以CG1306工作面地質條件和開采技術條件為背景，建立FLAC3D三維計算模型(圖2)。

圖1 CG1306工作面布置

圖2 回采區域內斷層模型

模型尺寸為240 m×180 m×70 m(長×寬×高)，本構模型采用莫爾-庫侖模型，模型頂部為自由邊界，施加18.75 MPa均布載荷，底部垂直方向及左右兩側采用位移限定邊界。模型中煤巖層的力學參數根據該礦現場實際巖石力學特性和物理力學特性確定，見表1。工作面沿x軸方向回采，并在170～200 m范圍內布置傾角70°、落差2 m、走向長度30 m 的走向逆斷層。考慮邊界效應的影響，邊界處各留設20～30 m寬的煤柱，軌道順槽和皮帶順槽尺寸為3.8 m×3.0 m。

表1 煤巖體物理力學參數

3 模擬結果及分析

3.1 工作面支承應力演化與沖擊危險分析

通過研究工作面回采過斷層時前方支承應力分布，分析斷層對工作面沖擊地壓的影響。圖3和圖4為工作面推進15 m時(即推進到斷層走向長度的一半)，工作面前方應力分布云圖和曲線圖。

圖3 工作面過走向斷層時前方應力分布云圖

圖4 工作面過走向斷層時前方應力分布曲線

由圖3可知，在工作面過斷層期間，上下盤工作面超前支承應力分布差異顯著。斷層上盤工作面應力集中程度大，工作面受斷層影響區域廣。由圖4可知，在斷層上盤靠近斷層10 m處形成約60 MPa的應力集中區域，應力集中系數達3.2，沖擊危險性高，這是斷層本身的構造應力與工作面超前支承壓力相互疊加，使斷層附近的支承壓力增高的結果。隨著與斷層距離的增大，應力值逐漸減小，且遠小于斷層附近應力值，主要由于未受到斷層影響的區域，只受到采動作用的影響。下盤工作面靠近斷層處超前支承應力峰值較小，隨著與斷層的距離增大，應力集中峰值增加，在皮帶順槽處達到峰值，應加強皮帶順槽的安全技術防范措施。

工作面過斷層時，斷層對工作面應力集中產生了影響，工作面前方應力集中值比無斷層時大了近30 MPa。當疊加應力超過沖擊的臨界應力時，沖擊地壓發生的可能性增加，且斷層處巖層的不連續性會導致斷層周圍巖體的不穩定性。在高應力作用下，斷層比完整巖層先行運動，使得斷層產生活化，引發構造型沖擊地壓。

3.2 順槽支承應力分布及危險性分析

根據工作面開采設計，皮帶順槽靠近斷層，受斷層影響較大。由圖4可知，皮帶順槽與軌道順槽應力集中峰值分別為40，30 MPa。皮帶順槽圍巖應力大于軌道順槽，有很高的沖擊危險性，要特別注意皮帶順槽的巷道維護，防止發生沖擊地壓。

綜上所述，工作面過斷層時尤其是靠近斷層的皮帶順槽，沖擊危險性大，應減小鉆屑檢測孔間距，及時測試煤粉量，一旦有煤粉量超標現象，及時采取卸壓措施，降低發生沖擊地壓的可能。

4 工作面沖擊地壓監測與控制措施

4.1 監測方案

CG1306工作面回采時，主要采用鉆屑法監測工作面超前應力。根據監測頻率要求，在順槽兩幫增設監測鉆孔，對超前煤壁150 m范圍內進行沖擊地壓監測，重點監測工作面煤壁前方75 m范圍內的區域以及斷層附近的皮帶順槽。回采期間，一般沖擊危險區域每天監測一次，每次不少于3個鉆孔；在中等、強沖擊危險區域，工作面初次來壓、周期來壓，過斷層，過地質構造，應加大監測頻次，每班監測一次，每次不少于2個鉆孔；在遇到斷層等構造區域時，應根據現場實際情況在斷層前后50 m范圍的區域，上、下順槽均進行鉆屑法監測。

4.2 防治方案

CG1306工作面回采期間，沖擊地壓解危施工主要采用大直徑鉆孔卸壓方法。

4.2.1 施工方法

采用氣動架柱式鉆機施工卸壓鉆孔，打卸壓孔之前，先進行應力監測，以查清支承壓力帶的范圍、狀態和危險程度。從低應力區開始施工卸壓孔，且要由低應力區向高應力區鉆進。

鉆屑法監測超標時，在鉆屑孔前后5 m范圍內打卸壓孔；應力在線監測點超標時，在該測點前后15 m范圍內打卸壓孔。

4.2.2 煤幫鉆孔布置

卸壓鉆孔直徑為150 mm，鉆孔布置在采高的中部，孔深應達到高應力集中區，回采工作面孔深一般不小于3.5倍的采高，卸壓孔孔深為20 m，間距為5 m，距底板1.2 m。

4.2.3 效果檢查

卸壓孔打完后，利用鉆屑法進行效果檢驗，檢驗煤粉孔布置在2個卸壓孔之間，距卸壓孔不小于2 m，深度為10 m，方向平行于卸壓孔。若指標仍然超限，要增加卸壓孔個數或采取其他解危措施。若需要補打卸壓鉆孔，鉆孔間距定為2～3 m，補打卸壓鉆孔布置見圖5。

圖5 CG1306工作面補打卸壓鉆孔布置

5 結 論

(1)CG1306工作面在過斷層時期，斷層上下盤工作面超前支承應力峰值演化成反比。靠近斷層處上盤工作面超前支承應力峰值逐漸增大，下盤逐漸減小。當工作面回采過斷層時，要提前做好防護措施，防止沖擊地壓災害。

(2)皮帶順槽較軌道順槽受斷層影響大，在工作面過斷層期間，應力集中大于軌道順槽。采用鉆屑法監測，發現煤粉量超標，及時采用大直徑鉆孔卸壓，直到煤粉量正常，方可繼續回采。

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