工作面停采位置優化與沖擊地壓防治技術研究

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害評估工程實驗室，山東省濟南市，250100；2.山東省煤田地質規劃勘察研究院，山東省濟南市，250104；3.山東省煤田地質局物探測量隊，山東省濟南市，250104；4.應急管理部信息研究院，北京市朝陽區，100029；5.遼寧工程技術大學，遼寧省阜新市，123000)

工作面在末采期間，與采區下山之間形成了一定范圍的煤柱，在該區域易產生應力集中[1-5]。若設計不當，在停采區域可誘發沖擊地壓等動力災害。本文以雙鴨山礦區西二采區九層四片工作面為例，針對設計的停采方案，分析了停采區域及3條下山的應力分布情況，在此基礎上對停采方案進行了優化，同時設計了沖擊地壓監測及防治措施，以指導工作面末采期間的安全生產。

1 工作面概況

雙鴨山礦區集賢煤礦西二采區九層四片工作面位于-450 m水平，北部為西二采區軌道下山，南部為北崗斷層，西部為西二采區五片準備面，東部為西二采區三片采空區，如圖1所示。

圖1 西二采區四片工作面平面圖

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

2 工作面現有停采方案下煤巖體應力分布與沖擊地壓危險性分析

(1)工作面煤巖體應力計算的模型建立。利用有限差分軟件FLAC3D以工作面現場生產地質條件為基礎建立數值模擬模型，通過數值計算分析工作面開采的煤巖體應力分布規律。建立支護參數模擬模型，模型尺寸為575 m×500 m×110 m(長×寬×高)，共建立1 538 075個單元。參數選取依據煤巖物理力學試驗和地應力測定結果。

(2)工作面回采前煤巖體應力分布規律分析。鄰近采空區影響下西二采區四片工作面原始應力分布情況如圖2所示。四片工作面初始應力達到17.5～44.0 MPa，工作面鄰近三片采空區一側應力集中顯著。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力的分布規律，鄰近采空區影響下四片運料巷一側工作面的中部支撐應力峰值為44.0 MPa，應力集中系數為2.51，應力峰值點位于煤壁5 m處。應力分布規律如圖3所示。取應力集中系數為1.5(應力26.3 MPa)作為應力集中區臨界值，則支撐應力影響范圍為40 m，應力峰值區分布在5～25 m。

圖2 西二采區四片工作面原始應力分布規律

圖3 四片工作面中部200 m處沿傾向支撐應力分布規律

(3)工作面回采后停采區煤巖體的應力分布規律及“三條下山”沖擊地壓危險性分析。西二采區四片工作面回采至停采線時，工作面和回風下山、帶式輸送機下山和軌道下山的應力分布如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，回風下山煤巖體應力達到22～27 MPa，應力集中系數為1.26～1.54；帶式輸送機下山煤巖體應力達到23～31 MPa，應力集中系數為1.31～1.77；軌道下山煤巖體應力達到32～44 MPa，應力集中系數為1.83～2.51。軌道下山在四片工作面采動應力影響范圍之內。回風下山和帶式輸送機下山應力集中系數均小于2，發生沖擊地壓的可能性較小。軌道下山應力集中明顯，應力集中系數大于2，發生沖擊地壓的可能性較大。因此，應在四片工作面停采前，采用鉆孔卸壓等方法對軌道下山圍巖進行卸壓，降低沖擊地壓危險；調整停采線位置，減弱工作面采動應力對軌道下山的影響。

圖4 停采區煤巖體應力分布平面圖

圖5 停采區煤巖體應力分布剖面圖

3 工作面停采線位置優化

3.1 工作面不同停采位置軌道下山圍巖應力分布規律

采用FLAC3D數值模擬方法，分析不同停采位置軌道下山的巖體應力分布特征，如圖6所示。現有設計停采線距軌道下山20 m時，軌道下山巖體應力達到30.4～44.0 MPa，應力集中系數為1.71～2.51，在四片運料巷向左150 m區域應力集中系數大于2，該范圍發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力分布

(1)當停采線距軌道下山30 m時，軌道下山巖體應力達到28.3～42.6 MPa，應力集中系數為1.62～2.43，從四片運料巷至五片運料巷120 m范圍，應力集中系數大于2，該區域發生沖擊地壓的可能性較大。

(2)當停采線距軌道下山40 m時，軌道下山巖體應力達到26.3～41.0 MPa，應力集中系數為1.50～2.34，在四片運料巷至五片運料巷75 m范圍，應力集中系數大于2，該區域發生沖擊地壓的可能性較大。

(3)當停采線距軌道下山50 m時，軌道下山巖體應力達到25.5～39.6 MPa，應力集中系數為1.46～2.26，在四片運料巷至五片運料巷45 m范圍，應力集中系數大于2，該區域發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，軌道下山沖擊地壓危險區域逐漸減少。建議軌道下山與停采線的距離為40 m，同時對軌道下山采取卸壓防沖措施。

3.2 工作面停采線40 m時3條下山圍巖應力分布規律

當停采線距軌道下山40 m時，工作面和回風下山、帶式輸送機下山和軌道下山的應力分布規律如圖7和圖8所示。由圖可知，四片工作面在鄰近采空區一側，隨著四片工作面回采影響，采動應力影響范圍達到軌道下山區域；在五片運料巷一側，采動應力影響范圍未達到軌道下山。回風下山煤巖體應力達到22～27 MPa，應力集中系數為1.26～1.54，應力與設計20 m停采線的應力基本相同；帶式輸送機下山煤巖體應力達到22 ～30 MPa，應力集中系數為1.26～1.71，應力較設計20 m停采線的應力相差較小；軌道下山煤巖體應力達到26～41 MPa，應力集中系數為1.48～2.34，應力較設計20 m停采線的應力降低了6.8%～18.7%，軌道下山靠近三片采空區一側巖體應力降低明顯。

圖7 停采線距軌道下山40 m停采區煤巖體應力分布平面圖

圖8 停采線距軌道下山40 m停采區煤巖體應力分布剖面圖

4 工作面應力監測方案及解危措施分析

4.1 停采區煤巖體監測方案

當四片工作面回采至停采線區域時，將與鄰近采空區、3條下山形成類似于孤島區域，煤體應力容易集中，應在軌道下山加強對停采線區域的煤巖體應力監測和鉆屑法監測。四片工作面開采前，在采區軌道下山向工作面停采區域布置3組煤巖體應力監測設備，安裝位置為西二采區四片運料巷至五片運料巷區域范圍內，應力監測裝置間距50 m。每個監測斷面向工作面側布置2個煤巖體應力監測設備，鉆孔長度分別為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。采用鉆屑法監測時，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，主要檢測每米鉆孔的鉆屑量。

如果檢測到的應力急劇上升或鉆屑量超過臨界指標或出現卡鉆、頂鉆等動力現象，應認為煤體處于臨界應力狀態，必須采取解危措施。

4.2 停采區沖擊地壓防治措施

現有的中部輔助巷距四片運料巷75 m，可利用中部輔助巷在煤層中分別向四片運料巷和五片運料巷打大直徑鉆孔，鉆孔長度分別為75、115 m。同時從四片運料巷向三片停采區打大直徑鉆孔、從五片運料巷向五片工作面打大直徑鉆孔，鉆孔長度不小于30 m。鉆孔布置應覆蓋軌道下山，在軌道下山外側鉆孔范圍不小于10 m，軌道下山至停采線實現鉆孔全覆蓋。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 結論

(1)西二采區四片工作面按照設計停采線回采結束后工作面采動應力影響范圍達到軌道下山。軌道下山煤巖體應力達到32～44 MPa，應力集中系數為1.83～2.51。軌道下山應力集中明顯，應力集中系數大于2，發生沖擊地壓的可能性較大。回風下山和帶式輸送機下山應力集中系數均小于2，發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，軌道下山沖擊地壓危險區域逐漸減少。建議軌道下山與停采線的距離為40 m，同時對軌道下山采取卸壓防沖措施。

(3)停采區軌道下山應力集中明顯，沖擊地壓發生的可能性較大。應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料巷和五片運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。