地塹構造區綜放工作面開采誘沖機理及防治技術

肖自義，丁希陽，左常清，韓傳磊，王士朋

(1.國家礦山安全監察局山東局，山東省濟寧市，273500；2.汶上義橋煤礦有限責任公司，山東省濟寧市，272500)

沖擊地壓是煤炭開采過程中出現的一種嚴重的動力災害。隨著我國煤礦開采深度和開采強度的逐年加大，沖擊地壓災害的發生頻次、強度及破壞程度呈上升趨勢，沖擊地壓已經成為我國深部煤礦開采所面臨的重大安全問題[1-2]。

地塹構造是由斷層形成的一種特殊地質結構，為兩側被高角度斷層圍限、中間下降的槽形斷塊構造。研究表明，沖擊地壓的空間分布明顯受控于區域內大的斷裂構造，當采掘工作面臨近斷層時，工作面或巷道發生沖擊地壓的概率將明顯增加，且與一般沖擊地壓相比，斷層沖擊地壓破壞性更強、影響范圍更大[3-4]。為揭示斷層構造誘發沖擊地壓機理，國內外眾多學者開展了大量的研究工作。潘一山等[5]開展了斷層沖擊地壓理論試驗與研究，初步揭示了采動誘發斷層活化機制；姜耀東等[6]研究了“兩硬”條件正斷層影響下的沖擊地壓發生規律；姜福興等[7]從微震監測角度探究了硬巖斷裂型礦震誘發沖擊機制。

多數學者對斷層沖擊地壓的研究是針對單一斷層展開的，而實際礦山開采過程中斷層構造往往并不是單一存在的，多條斷層組合形成的階梯狀斷層帶、地塹和地壘等地質構造在礦山開采中較為常見[8-9]。目前，對這類地質構造區域開采沖擊地壓發生機制的研究相對較少。因此，筆者以義橋煤礦地塹構造區3307工作面為工程背景，運用數值模擬和現場微震監測的方法分析工作面開采應力場分布及斷層活化規律，揭示地塹構造區綜放工作面開采誘沖機理，并針對性提出工作面沖擊地壓防治技術，確保工作面安全高效生產，同時為類似地質條件下沖擊地壓防治提供參考。

1 工程背景

3307工作面是義橋煤礦三采區第3個綜放工作面，整體埋深為390～760 m。工作面四周被斷層切割形成地塹，北側為SF21斷層(∠60°H，落差33 m)，南側為SF6(∠60°H，落差40 m)，西側為YF7斷層(∠70°H，落差>600 m)，東側為三采區集中巷，3307工作面位置剖面如圖1所示。

圖1 3307工作面位置剖面

工作面開采3號煤層，煤層平均厚度4.1 m，平均傾角13°，普氏硬度1.48，采用綜放開采工藝一次采全高。煤層頂底板巖層情況見表1。

表1 煤層頂底板巖層情況表

經煤巖層沖擊傾向性鑒定試驗，3號煤層動態破壞時間平均值為161 ms，沖擊能量指數平均值為1.38，彈性能量指數平均值為2.28，單軸抗壓強度平均值為14.47 MPa，綜合判定3號煤層具有弱沖擊傾向性；3號煤層頂板巖層彎曲能量指數為272.23 kJ，判定頂板巖層具有強沖擊傾向性。

2 地塹區綜放工作面開采誘沖機理模擬研究

2.1 三維數值模型建立

依據3307工作面工程地質條件，采用FLAC3D數值模擬軟件[10]，構建地塹構造區三維數計算模型，如圖2所示。模型4個側面為水平位移約束，底面為豎向位移約束，頂面為載荷邊界，煤層埋深按照500 m計算，重力加速度10 m/s2，模型上邊界施加13.5 MPa的垂直應力。

圖2 三維數值計算模型

在該數值模型中，工作面開切眼長度為200 m，兩側巷道為4 000 mm×3 000 mm(寬×高)，同時在斷層上下盤之間添加接觸面模擬斷層帶，兩側斷層與工作面的水平距離均簡化為60 m(實際距離約在20～80 m范圍內)，斷層傾角60°。模型中未考慮煤巖層傾角變化。巖層性質等參數和斷層面力學參數取值見表2和表3。

表2 斷層物理力學參數

表3 煤巖體物理力學參數

2.2 數值模擬方案及內容

模型采用摩爾庫倫破壞準則，每推進5 m平衡一次(以y=0為起始點，沿y方向進行推進)，并獲取每一推進步距下y=35 m監測斷面上各監測點(監測點分別位于巷道圍巖、工作面內煤體以及斷層帶上)的應力參量。各監測點分布如圖3所示。

圖3 斷面上各監測點分布

為了便于直觀分析本工作面回采過程中的沖擊危險性，同時建立了無斷層開采及靠近斷層開采(工作面距離SF21斷層20 m)的2種數值模型，對比分析3種開采工況不同推進步距下的巷道圍巖應力分布規律及斷層帶上應力變化情況。

2.3 地塹區開采圍巖應力分布規律

以y=35 m斷面為例，給出了開挖35 m條件下正常開采(距斷層60 m)、靠近斷層開采(距斷層20 m)和無斷層開采3種工況巷道圍巖垂直應力分布規律。

同工況下巷道圍巖垂直應力云圖如圖4所示，不同工況巷道頂板垂直應力(測點T2)變化如圖5所示。

圖4 不同工況下巷道圍巖垂直應力云圖

圖5 不同工況巷道頂板垂直應力(測點T2)變化

由圖4和圖5可以得出以下結論：

(1)相比無斷層開采條件，工作面距離斷層60 m和20 m兩種工況下巷道頂板垂直應力明顯增加，測點T2處垂直應力分別增加了100%和150%，且距離斷層越近，頂板圍巖垂直應力越大，且高應力范圍分布也越廣；

(2)工作面靠近斷層時，采動應力與斷層構造應力將產生疊加，容易引起斷層滑移、偏轉等，誘發沖擊事故。

2.4 地塹區開采斷層誘沖機制

為分析工作面回采過程中兩側斷層面附近應力變化特征，以測點F1為例分析應力值變化情況。不同工況下斷層面F1測點垂直應力值變化如圖6所示。

圖6 不同工況下斷層面F1測點垂直應力值

由圖6分析可得：隨著推進步距增加，工作面開采范圍不斷增大，斷層帶上測點垂直應力呈現增加的趨勢，且工作面距離斷層越近，測點垂直應力增加速率越高。受地塹區斷層構造應力和工作面采動應力疊加影響，靠近斷層開采時更易造成煤體承載力降低、斷層帶剪應力增大，一旦超過斷層剪切強度，極易誘發斷層滑移錯動，導致沖擊事故的發生。

3 工作面沖擊地壓綜合防治技術體系

根據上述分析可知，受斷層形成的地塹構造影響，3307工作面采掘期間具有一定的沖擊地壓風險，特別是工作面距離巷道較近的區域沖擊危險較高。基于此，3307工作面回采期間采用超前危險區預測-大直徑鉆孔強卸壓-多源信息監測預警于一體的沖擊地壓綜合防治技術體系[11]，確保了3307工作面安全生產。

3.1 沖擊地壓危險等級及危險區超前預測

鑒于3307工作面布置于地塹構造區，受埋深、斷層、頂板強沖擊傾向等影響，工作面回采期間發生沖擊地壓的風險較高。采用綜合指數法[12]對3307工作面沖擊地壓危險等級進行了評定，考慮工作面地質因素和開采技術因素，綜合評定3307工作面具有中等沖擊地壓危險性，沖擊地壓危險指數Wt為0.57。

考慮3307工作面所處的特殊地質構造影響，將3307工作面所有巷道均劃分為中等沖擊地壓危險區。

3.2 大直徑鉆孔強卸壓

3.2.1 掘進期間

工作面巷道掘進期間，對預先圈定的中等沖擊危險區域掘進頭和巷道兩幫實施大直徑鉆孔預卸壓處理。在巷道掘進頭布置1個鉆孔，孔徑150 mm，孔深20 m，布置在巷道斷面的中部；巷道兩幫鉆孔直徑150 mm，孔深15 m，單排布置，鉆孔間距2 m，垂直于巷幫布置，鉆孔開口位置距煤層底板0.5～1.5 m。

3.2.2 回采期間

工作面回采期間兩巷道超前300 m范圍內，在掘進期間施工預卸壓鉆孔的基礎上，在兩幫錯開施工預卸壓鉆孔，鉆孔間距不大于2.0 m，直徑150 mm，孔深20 m。同時對于該區域內塌孔的預卸壓鉆孔實施了復孔或補打措施。

3.3 多源信息監測預警

3307工作面回采期間采用微震監測+地震波CT探測+鉆屑法檢測+應力在線監測構建了工作面區域與局部結合的多源信息監測預警體系，如圖7所示。

SOS高精度微震系統對3307工作面實施區域監測，實時監測工作面范圍內及周邊區域的震動事件。應力在線監測和鉆屑法為局部監測，其中應力監測可實現實時監測和在線傳輸，監測范圍為掘進工作面后方200 m和回采工作面超前300 m；鉆屑法通常為間隔監測，監測范圍為掘進工作面后方60 m和回采工作面超前100 m。支架工作阻力監測作為輔助監測手段，用以分析工作面礦壓顯現規律，進而指導防沖措施的實施。

圖7 工作面多源信息監測預警體系

微震監測、應力在線監測和鉆屑法監測為3307工作面沖擊危險的日常監測手段。在此基礎上，再定期采用地震波CT反演探測工作面潛在的危險區，3307工作面CT探測危險區示意如圖8所示。對探測出的危險區采取如下措施，強化沖擊地壓危險治理效果：

(1)加密實施大直徑鉆孔，卸壓鉆孔與巷幫垂直，與原卸壓鉆孔呈“三花”布置，兩排卸壓鉆孔垂直間距0.5 m，孔徑150 mm，鉆孔間距1.5 m，孔深20 m；

(2)強化該區域超前支護強度，確保超前支護質量；

(3)強化限員管理，工作面生產期間該區域嚴禁通行。

圖8 3307工作面CT探測危險區示意

4 工作面沖擊地壓治理效果驗證

3307工作面從2019年11月開始回采，至2021年5月工作面已安全回采完畢。根據現場監測數據及記錄，采用超前危險區預測-大直徑鉆孔強卸壓-多源信息監測預警于一體的沖擊地壓綜合防治技術后，3307工作面生產過程中未出現強礦壓顯現及沖擊地壓事件。

3307工作面微震活動規律分析(部分)如圖9所示。由圖9可知，在工作面生產期間，微震活動始終較平緩，微震事件數波動較大，但微震總能量一直處于較低水平(<1.0×104J)，僅在工作面回采過斷層期間出現2個大能量事件，但微震能量未超過1.5×104J，并進行了及時處理，保障了工作面的安全高效開采。

圖9 3307工作面微震活動規律分析(部分)

5 結語

(1)根據義橋煤礦3307工作面工程地質條件，應用FLAC3D數值模擬軟件，構建了地塹構造區三維數計算模型，模擬研究表明：受地塹區斷層構造應力和工作面采動應力疊加影響，靠近斷層開采時更易造成煤體承載力降低、斷層帶剪應力增大，超過斷層剪切強度誘發斷層滑移錯動，進而極易誘導沖擊地壓發生。

(2)針對3307工作面復雜的工程地質條件，構建了工作面“超前危險區預測-大直徑鉆孔強卸壓-多源信息監測預警”于一體的沖擊地壓綜合防治技術體系。

(3)現場試驗結果顯示，3307工作面生產期間，微震活動始終較平緩，微震總能量一直處于較低的水平(1.0×104J)，表明該技術體系可以有效預防與消除工作面存在的沖擊地壓危險，保證了工作面的安全高效生產，為類似工作面開采提供了重要參考。