工作面縮面階段沖擊危險性分析及防治

石文朋，魏寶貞，李 楠，譚 浩，陳兆生

(兗州煤業股份有限公司東灘煤礦，山東 濟寧 273500)

0 引言

在工作面開采期間，受到設計不合理及斷層等地質條件的影響[1-4]，工作面往往會面臨縮面問題，被迫形成不規則工作面。相對于正常開采區域來說，縮面區域開采條件復雜，工作面更易產生應力集中[5-7]。實際生產經驗及學者研究表明，在多種因素影響下，工作面撤架縮面期間有較強的沖擊危險性[8-9]，所以分析工作面縮面階段的沖擊風險具有必要性。以東灘煤礦1310工作面縮面段作為研究對象，對工作面縮面開采期間的沖擊危險性及防治技術展開研究，通過分析工作面縮面階段的應力分布規律及應力集中程度，設計合理的防治方案，研究成果將對工作面沖擊地壓的防治起到實際指導作用。

1 工程概況

1310工作面位于一采區西部，工作面采用調斜開采與“刀把”縮面布置。工作面正常寬202.8 m，工作面“刀把”寬153.2 m。工作面回采煤層為3號煤，厚8.30～9.20 m，平均8.82 m，煤層傾角0°～7°，平均3°，煤層普氏硬度f=2～3。工作面直接頂及基本頂分別為泥巖、中細砂巖，厚度約為23 m，屬于堅硬頂板，工作面地質構造以C8向斜為主，受其影響斷層較為發育。1310工作面布置平面圖如圖1所示，以縮面位置處前后50 m的回采區域作為主要研究區域，以此來開展工作面縮面階段沖擊地壓危險性模擬分析。

圖1 1310工作面布置平面圖Fig.1 Layout plan of 1310 working face

2 工作面縮面階段沖擊危險性模擬分析

2.1 縮面前工作面應力分析

不同推進步距工作面應力云圖如圖2所示。由圖2可知，工作面推進步距越大，工作面應力集中范圍及集中程度也相對增大，呈正相關關系，由于輔助軌順的存在，應力集中區域被割裂成2處，應力峰值位置逐漸由工作面中部向軌順方向移動。

圖2 不同推進步距工作面應力云圖Fig.2 Stress nephogram of working facewith different advancing steps

工作面推進5 m、25 m、45 m時的應力分布曲線如圖3所示。由圖3可知，工作面前方應力變化趨勢與推進步距關系不大，均是先增后減，區別在于應力值的升高，應力集中峰值位置約處于工作面前方10 m處。在到達縮面位置前，應力峰值不斷增大。隨著工作面不斷推進，應力增值并不是均勻變化的。工作面推進5 m時應力峰值約為32.58 MPa，推進25 m時應力峰值約為36.16 MPa，期間應力增量約為3.58 MPa；推進至45 m時應力峰值約為42.43 MPa，相較于推進25 m時應力增加了約6.27 MPa，增幅擴大了約1.75倍，由此可以證明越臨近縮面點工作面的沖擊危險程度相對越高。

圖3 不同推進步距工作面應力分布曲線Fig.3 Stress distribution curve of working face with different advancing steps

2.2 縮面處工作面應力分析

縮面處應力云圖如圖4所示，工作面及煤柱應力分布曲線如圖5所示。分析圖4、5可知：①當工作面推進50 m到達縮面位置時，工作面前方的應力集中區域靠近輔助軌道順槽一側，應力峰值約43.41 MPa，距離軌順內幫約12.5 m。受縮面影響，輔助軌順外側的煤柱內部也產生了應力集中，峰值位置距輔助軌順外幫同樣約12.5 m。煤柱區域應力峰值約41.06 MPa，稍小于工作面應力峰值，但形成的影響范圍基本一致。②工作面推進至該階段需進行撤架工作，頂板穩定性較差，而工作面及煤柱應力集中區域又離輔助軌順較近，均集中在輔助順槽10～30 m范圍內，由此判斷當工作面推進至縮面位置時，在兩側應力集中及撤架縮面等因素疊加影響下，輔助軌順發生沖擊災害事故的可能性較大。

圖4 工作面應力云圖Fig.4 Stress nephogram of working face

圖5 工作面及煤柱應力分布曲線Fig.5 Stress distribution curve of working face and coal pillar

2.3 縮面后工作面應力分析

縮面后不同推進步距工作面及遺留煤柱應力峰值變化曲線圖如圖6所示。由圖6可知，當工作面到達縮面點沿新切眼繼續推進后，工作面及遺留煤柱的應力峰值變化差距較大。工作面應力峰值相較于縮面前整體變化趨勢較為平穩，未出現較大應力差，說明工作面的沖擊危險程度有所降低。但縮面產生的遺留煤柱應力峰值卻隨著推進步距增加呈高速上升態勢，50 m推進范圍內增值約18.72 MPa，增值較大。兩者分析結果表明，縮面后的沖擊風險來源主要是遺留煤柱，在縮面開采的后期應對此開展重點防沖工作。

圖6 不同推進步距工作面及遺留煤柱應力峰值變化曲線Fig.6 Peak stress variation of working face and residual coal pillar with different advancing steps

3 工作面縮面階段沖擊地壓防治

3.1 應力監測

實時掌握工作面應力變化狀態對沖擊地壓的預警起到至關重要的作用[10-11]。1310工作面縮面期間，在軌順及輔助軌順幫部布置多組測站，保證監測范圍不小于300 m，測站間距最大保持在20 m。每個應力傳感器的安裝深度分別為8 m及14 m，兩者間隔1～1.5 m，如圖7所示。回采期間，若發生應力黃色預警或紅色預警，應立即判定是否有沖擊危險，并及時采取對應措施。

圖7 應力在線系統布置示意Fig.7 Layout of stress on-line system

3.2 卸壓方案

通過大直徑鉆孔對沖擊危險區域進行卸壓是目前煤礦常用且有效的一種手段[12]，但不同煤礦所適用的具體方案有所差別。縮面期間，1310工作面全部順槽均利用大直徑鉆孔進行預卸壓處理，鉆孔布置層位為順槽底板上部1.5 m左右，間距保持為2 m，平行于底板單排布置，鉆孔直徑為150 mm，深度應至少大于15 m，如圖8所示。縮面期間，應力監測值基本穩定未出現超限情況，證明了方案的有效性。

圖8 大直徑鉆孔布置示意Fig.8 Layout of large diameter boreholes

4 結論

(1)工作面縮面階段應力集中范圍并不是固定的，沖擊災害易發區域也并不相同。縮面前，越靠近縮面點工作面沖擊風險越高；當推進至縮面點，沖擊風險較高區域為輔助軌順，這是由于其兩側應力疊加的后果；而在縮面完成后，工作面應力變化較小，此時沖擊危險的主要來源是遺留煤柱，其應力峰值較大，發生沖擊災害的可能性較高。

(2)在模擬的基礎上對1310工作面縮面階段的防沖方案進行了設計，利用應力在線監測系統掌握工作面的實時應力，通過大直徑鉆孔實現高應力區域的壓力釋放。工作面在縮面階段實現了安全生產，未發生沖擊災害事故，證明了防治方案的有效性，為類似工程條件的防沖工作起到了參考作用。