基于大斷層影響下的沖擊地壓防沖研究

張曉赟

(山西焦煤汾西礦業集團雙柳煤礦，山西 孝義 033000)

煤炭開采逐漸由淺埋深向深部發展，沖擊地壓是深部開采的一個重要危險因素。沖擊地壓是由于巷道或工作面周圍煤巖體積聚的彈性能突然釋放而產生突然破壞的動力現象，一旦發生將會造成毀滅性的破壞。以汾西礦業雙柳煤礦4038工作面分析斷層影響下的沖擊地壓發生機理，并制定了有效的檢驗措施，保證了工作面采掘系統的安全。

1 4038工作面概況

4038工作面地面標高+25.79m左右，井下標高-790～ -680m，埋深約705～815m。工作面根據初始設計方案為俯采，根據軌道巷沿4037、4036和4035工作面采空區的布置方案，工作面走向長630m，傾向長126m，儲量約50萬t。

4038工作面位于-800m四采外，采面范圍內老硐密集。工作面東北以逆斷層F3為界，落差9～11m，東面以正斷層F4′為界，落差18～30m，西以各7煤層工作面的停采線為界。圖1為4038工作面巷道布置與斷層的位置關系圖。

圖1 工作面與斷層位置關系圖

2 沖擊地壓發生應力分析

4038工作面井下標高是-790～ -680m，屬于深井開采，并且超過了沖擊地壓危險的臨界深度，在單一的重力條件影響下，井下開拓巷道存在潛在的沖擊危險性。

該工作面開采臨近斷層帶主要是F3斷層和F4斷層，2個斷層均為正斷層且落差大，危險性極高。由于斷層的存在會切斷上覆巖層頂板的連續性，加上井下巷道開拓，致使原巖應力重新分配。工作面開采過程中，工作面始終受到上覆巖層的高應力，當工作面推進到斷層破裂帶時，斷層影響下的超前煤壁和周圍煤柱又會受到更多應力加載，多重應力相互疊加在一起就使得開采過程中沖擊危險的可能性大大增加。4038工作面臨近斷層開采，工作面掘進過程中揭露斷層，存在較大沖擊地壓危險性，應降低掘進和回采速度，防止沖擊地壓的發生。

3 斷層影響機制

斷層切割頂板后工作面視為簡支邊界，簡支邊界解除了周邊的約束，失去了傳遞力的作用。當工作面推進到斷裂線位置時，頂板巖層施加在工作面與斷層間煤柱重力明顯加劇，特別是在薄基巖厚表土的地質條件下，頂板承受厚表施加的力比一般條件下大，較易形成高應力集中，頂板的斷裂速度加快，垮落步距減小，頂板斷裂時釋放的能量大，容易出現強度大的沖擊地壓。如圖2為斷層區域支承壓力分布圖，當工作面推進到斷裂線附近時，煤層邊緣所承受的支承壓力大，發生沖擊地壓的頻率高。

圖2 斷層支承壓力分布圖

4 數值模擬研究

用RFPA數值模擬軟件模擬工作面推進到斷層附近的應力狀態。如圖3斷層型主應力圖和圖4斷層型聲發射圖。

從圖3的主應力數值模擬和圖4的聲發射數值模擬可知，工作面開采臨近斷層，加載不同應力情況下的兩種模擬情況，由于受斷層的影響，工作面接近斷層側逐漸出現應力集中和能量積聚，增大了發生沖擊地壓的危險性。

由于開采引發的巖層運動，波及到斷層斷裂線區域，在斷裂線一定范圍內出現高應力，并伴隨動壓現象的發生。因此在斷層區域留有足夠的煤柱是保障動壓現象安全的前提，對于斷層應力影響區域應根據煤體的受力狀態，采用降低應力措施，避免開采期間沖擊地壓的發生。

圖3 斷層型主應力圖

圖4 斷層型聲發射圖

5 斷層區域工作面驗證

臨近斷層工作面采用鉆屑指標法進行區域驗證。掘進期間用鉆屑指標法對劃分單元進行區域驗證，指標及臨界值見表1。

表1 工作面煤層突出危險性指標臨界值

工作面前方煤體內施工3個直徑42mm、孔深8～10m的鉆孔，鉆孔應盡可能布置在軟分層中，鉆孔傾角沿煤層傾角，中部鉆孔平行于巷道中線方向布置，實際鉆孔長度為8m，其它兩幫鉆孔實際長度為9m，與巷道中線成20°的方位角布置，兩鉆孔的終點外擴巷道輪廓線外2～4m處，如圖5所示。同時在工作面采取超前物探措施（瞬變電磁儀探測），探明前方地質構造和觀測沖擊預兆，當區域驗證為無沖擊危險時，應當采取安全防護措施后進行采掘作業。

圖5 鉆孔布置圖

預測鉆孔施工必須使用配套的鉆頭與螺旋麻花鉆桿施工，鉆頭直徑42mm，鉆桿的直徑應略小于鉆頭。當預測過程中所有測定值均小于臨界值，并且無噴孔、頂鉆及其他明顯突出預兆，則該工作面為無突出危險工作面，否則為突出危險工作面。

在采用鉆屑指標法預測的同時，應積極觀察分析工作面發生的各種現象，出現煤層的構造破壞帶，包括斷層、劇烈褶曲、火成巖侵入等；煤層賦存條件急劇變化的區域；采掘應力疊加等情況時，除已經實施了工作面防突措施的以外，應視為突出危險工作面并實施相關措施。

當預測為無突出危險工作面時，應當采取安全防護措施后進行掘進作業，且每循環應保留不少于2m投影孔深的預測孔超前距。

6 防治措施

根據預測指標，在斷層區域進行綜合性的防治沖擊地壓措施。

由于本工作面的危險僅僅存在于過斷層的過程中，評定為中等沖擊危險，所以用大直徑鉆孔卸壓足以消除或者降低沖擊危險。具體措施是：在工作面過斷層超前50m時，對工作面開始進行鉆孔卸壓。鉆孔參數為：孔深15～20m，孔徑Φ110mm，孔距1～2m。鉆孔圖示如圖6所示。

圖6 卸壓鉆孔布置平面示意圖

7 結論

（1）通過描述具體的工作面與斷層的位置關系，分析了工作面臨近斷層時的應力作用，主要受到斷層斷裂面和上覆巖層的支承應力使得工作面附近的應力疊加達到最高點，有局部發生沖擊危險的可能。

（2）以RFPA為數值模擬軟件模擬斷層附近的支承應力和聲發射現象，得出斷層附近有高的應力，使得煤體集聚大量的能量，有發生沖擊地壓的可能。

（3）以具體的鉆屑法來驗證斷層附近區域工作面的鉆屑指標，說明了具體的實施步驟和操作程序，保證了工作面在采動過程中實時地判斷出是否有沖擊危險；用大直徑鉆孔卸壓措施防治沖擊地壓，消除或降低了沖擊危險性，保證了井下人員和設備的安全生產。