一側(cè)采空工作面沖擊危險性研究與分析

李新文

（大同煤礦集團鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 大同 037200）

1 工程背景與數(shù)值模擬

1.1 工程背景

增子坊煤礦8305工作面位于十八采區(qū)東側(cè)，西鄰8304工作面采空區(qū)，東側(cè)為實體煤，南至設(shè)計停采線，工作面寬度為150m，走向推進長度為2264m。工作面所采煤層為具有中等沖擊危險的煤層。工作面布置方式如圖1所示。

圖1 8305工作面布置圖

1.2 模型建立

數(shù)值模擬采用FLAC3D模擬軟件。分析8305工作面一側(cè)8304工作面采空條件下工作面應(yīng)力分布特征，著重研究相鄰8304采空區(qū)對8305工作面輔助順槽、膠帶順槽及8305工作面在回采期間的應(yīng)力分布規(guī)律。

數(shù)值計算模型如圖2所示，模型尺寸長(x) ×寬（y）×高（z）為600×616×270m。8305工作面西側(cè)是8304工作面采空區(qū)。留設(shè)3.5m的保護煤柱，掘進4m寬的8305輔助順槽和8305膠帶順槽，開采8305工作面。設(shè)計數(shù)值模型時，以研究區(qū)域內(nèi)C4-10鉆孔柱狀圖為依據(jù)，按柱狀圖顯示煤層開采厚度2m，直接頂、基本頂?shù)葞r層均按柱狀圖的平均厚度給定，模型巖石力學參數(shù)如表1所示。

模型采用摩爾-庫倫彈塑性模型，模型側(cè)邊界施加水平梯度應(yīng)力，模型施加水平應(yīng)力為8.72MPa，梯度應(yīng)力0.0125MPa；模型頂部為自由邊界，施加13.25MPa的均布載荷。

圖2 數(shù)值計算模型

表1 煤巖物理力學參數(shù)表

2 應(yīng)力演化規(guī)律及危險性分析

2.1 工作面掘進期間應(yīng)力演化危險性分析

8305工作面輔助順槽，采用沿空掘巷，煤柱寬度為3.5m，當掘進面推進不同距離時，應(yīng)力分布圖見圖3、圖4，支承壓力峰值、應(yīng)力集中系數(shù)見表2。

圖3 順槽掘進200m后的應(yīng)力分布云圖

圖4 順槽掘進360m后的應(yīng)力分布云圖

表2 輔順掘進不同距離支承壓力及應(yīng)力集中系數(shù)變化

由圖3、圖4可知，8304工作面采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，巷道在應(yīng)力降低區(qū)掘進，巷道圍巖處于卸壓狀態(tài)，彈性能釋放，沖擊地壓危險性相對降低。

膠帶順槽在掘進期間，推進到不同距離時，支承壓力峰值、應(yīng)力集中系數(shù)的變化見表3。

表3 膠順掘進不同距離支承壓力及應(yīng)力集中系數(shù)的變化

由表2和3可知，輔助順槽在掘進過程中，超前支承壓力在27.85～36.27MPa之間，應(yīng)力集中系數(shù)為1.56～2.07。膠帶順槽在掘進過程中，超前支承壓力在18.85～19.49MPa之間，應(yīng)力集中系數(shù)在1.06～1.09之間。輔助順槽掘進過程與膠帶順槽相比較，受采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力作用影響相對較大，應(yīng)加強防護措施。

2.2 工作面回采期間應(yīng)力演化危險性分析

工作面推進至不同距離時，采動煤層應(yīng)力分布圖如圖5、圖6所示，工作面上端頭前方高應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力峰值、應(yīng)力集中系數(shù)如表4所示。

由表4可知，工作面回采過程中，相鄰8304采空區(qū)寬度增大時，8305工作面上端頭前方高應(yīng)力峰值由47.16MPa變化為49.91MPa，應(yīng)力集中系數(shù)由2.65變化為2.80。工作面中部前方支承應(yīng)力由36.82MPa變?yōu)?7.72MPa，應(yīng)力集中系數(shù)由2.07變化為2.12。因此，當采空區(qū)寬度增大時，對工作面上端頭影響大于工作面中部區(qū)域。當工作面推進至200m時，應(yīng)加強圍巖應(yīng)力監(jiān)測及輔助順槽巷道支護。

表4 回采不同距離超前支承壓力及應(yīng)力集中系數(shù)的變化

2.3 工作面回采期間對順槽的影響

工作面回采過程中超前支承應(yīng)力與膠順和軌順的距離關(guān)系圖見圖7。

圖7 工作面上下端頭超前應(yīng)力峰值與推進距離關(guān)系曲線圖

由圖5可知，受8304工作面采空區(qū)影響，8305工作面回采過程中上端頭前方應(yīng)力集中峰值穩(wěn)定在45～49.91MPa之間，而工作面下端頭的超前應(yīng)力峰值穩(wěn)定在32～36MPa之間。上端頭應(yīng)力峰值整體大于下端頭，輔助順槽受采空區(qū)影響大于膠帶順槽。因此，采空區(qū)對8305輔助順槽維護存在較大的影響，應(yīng)加強沖擊危險監(jiān)測與預警。

3 防治措施

3.1 監(jiān)測方案

8305工作面回采期間，監(jiān)測方案主要采用鉆屑法監(jiān)測。主要監(jiān)測地點劃定為中等沖擊危險或微震監(jiān)測及現(xiàn)場礦壓觀測異常區(qū)域，回采工作面超前60m兩順槽。鉆孔直徑為42～45mm，孔深10m；巷道幫部間距20m，弱沖擊危險區(qū)域每推進30～50m實施一次，中等沖擊危險區(qū)域每推進10～30m實施一次。

施工方法采用壓風動力鉆打孔，采用螺紋式聯(lián)接的麻花鉆桿，每節(jié)長1.0m、Ф42mm的鉆頭。用膠結(jié)袋收集鉆出的煤粉，用測力計稱量煤粉的重量，每鉆進1m測量1次鉆屑量。主要檢測每米鉆孔的鉆屑量，單位kg。采用專用表格記錄打眼地點、時間、鉆屑排出量，以及打眼過程中出現(xiàn)的鉆桿跳動、卡鉆、吸鉆、劈裂聲和微沖擊等動力現(xiàn)象。

3.2 防治方案

工作面回采期間主要采用煤體大直徑鉆孔卸壓技術(shù)與煤體卸壓爆破技術(shù)進行沖擊地壓防治。首先通過大直徑鉆孔卸壓技術(shù)，使煤巖體應(yīng)力集中程度下降或?qū)⒏邞?yīng)力轉(zhuǎn)移到煤體深處，起到預卸壓效果。在施工卸壓鉆孔后，需采用鉆屑法檢驗，對鉆屑量和鉆屑過程的動力現(xiàn)象進行綜合分析，若發(fā)現(xiàn)煤屑量超標或存在動力現(xiàn)象（震頂、煤炮、沖擊等），采用加密大直徑鉆孔進行卸壓解危，在原大直徑鉆孔之間增加一個大直徑鉆孔，孔深15m。直至鉆屑檢測正常。如果在此基礎(chǔ)上仍不能消除沖擊危險，繼續(xù)采用煤體爆破進行卸壓處理，在卸壓爆破后，采用煤粉鉆孔等方法在爆破孔周圍一定區(qū)域內(nèi)檢測爆破的卸載效果（或事先埋設(shè)鉆孔應(yīng)力計）。如果煤粉量指標低于沖擊危險值，即認為煤層已達到了卸載的效果，否則說明煤層仍具有沖擊危險，應(yīng)實施二次卸載的效果爆破。

4 結(jié)論

（1）8305工作面回采時期間，輔助順槽受采空區(qū)影響大于膠帶順槽。應(yīng)加強對輔順的監(jiān)測防護工作。

（2）當采空區(qū)寬度增大時，工作面上端頭應(yīng)力集中系數(shù)達到2.80，應(yīng)加強輔助順槽圍巖應(yīng)力監(jiān)測及巷道支護。

（3）工作面回采過程中，主要采用鉆屑法進行沖擊地壓監(jiān)測。防治方法主要采用大直徑鉆孔卸壓技術(shù)與煤體爆破技術(shù)。為保證工作面安全高效回采，還應(yīng)配合微震、應(yīng)力在線監(jiān)測等方法進行沖擊地壓監(jiān)測與防治。