深部地塹構造區域沿空工作面沖擊地壓分析及防治措施

萬 曉 肖自義 袁健博 劉志剛 尚文政 朱鐵景 路亞軍

（1.山東新巨龍能源有限責任公司；2.國家礦山安全監察局山東局；3.山東科技大學采礦工程研究院；4.兗礦能源集團股份有限公司）

構造型沖擊地壓是在煤炭開采過程中一種嚴重的煤巖動力失穩災害，尤其是在采煤活動接近斷層時，無論是能量、破壞強度還是危險程度都明顯增加，給礦井生產和安全帶來極大的威脅［1-4］。地塹結構是煤炭采掘過程中常見的地質構造之一，是由斷層組成的特殊地質構造，在發生沖擊地壓災害時，相較傳統的沖擊地壓造成的危險更大。

本文以山東某礦6305 綜放工作面為工程背景，分析FL39 斷層和FL37 斷層組成的地塹構造影響下的沖擊危險性［5-6］，綜合利用現場調研、數值模擬等方法分析地塹結構附近的煤巖體應力變化，針對高應力集中區域提出相應的沖擊地壓防治措施［7］。

1 工作面概況

山東某礦工作面埋深為791.04～935.96 m。6305工作面位于北區進風巷以北，東為尚未開采的6306工作面，西為6304 采空區，南為六采下山保護煤柱，北為陳廟北斷層保護煤柱，該工作面周圍采空區如圖1 所示。6305 工作面走向長度平均1 390 m，傾斜長度262.4 m，煤層厚度7.9～10 m，傾角0°～12°，其頂、底板巖性厚度如圖2所示。

2 地塹構造

6305 工作面附近斷層發育明顯且數量較多，其中FL37 和FL39 2 條傾斜的正斷層組成地塹復合結構。FL37斷層的落差為0～9 m，傾角70°，走向NE，傾向SE。根據工程現場掘進期間顯示，6305 下平巷揭露落差2.0 m，該斷層落差自西向東呈逐漸減小的趨勢；FL39斷層的落差為0～10 m，傾角70°，走向NE，傾向NW，該斷層在6305 下平巷揭露落差11.0 m，斷層落差自西向東呈逐漸增大的趨勢。

6305 工作面開采區域地質構造復雜，上平巷埋深為810～830 m，下平巷埋深為815～830 m，工作面回采過程遇上FL37 斷層和FL39 斷層組成的地塹構造帶，可能存在沖擊危險。6305 工作面上平巷局部剖面如圖3所示，6305下平巷局部剖面如圖4所示。

采用工程類比法將6305 工作面與相鄰6304 工作面類比可知，6304 工作面采用相關監測卸壓措施后，工作面過地塹構造區域期間未發生較大能量事件。根據6305工作面頂板巖性結構和工作面推進方向可知，6305 工作面推進方向與地塹構造延伸方向呈70°～80°，對6305 工作面推進過程分析，期間不易形成三角煤柱，6305 工作面遇地塹構造區域發生大能量沖擊地壓事件概率較低，但仍存在發生小型沖擊地壓的危險。

3 數值模擬

3.1 模型建立

為了進一步分析6305 工作面地塹構造帶對工作面采掘期間的影響，對上述地塹構造模型進行適當簡化，利用FLAC3D建立長700 m、寬250 m、高50 m 的模型，模型底部埋深850 m。FL37 斷層和FL39 斷層以實際傾角、傾向、走向及落差建立，煤層頂板巖性、厚度根據圖2實際鉆孔信息建立，模型力學參數如表1所示。總體模型如圖5所示，該模型共生成了1 847 569 個網格單元，334 862 個節點。在X和Y方向分別施加邊界約束條件，根據現場實測地應力結果施加邊界荷載條件及重力荷載條件，模型計算采用摩爾-庫倫強度準則。

3.2 巷道掘進

6305 工作面巷道掘進完成后地塹區域應力分布如圖6 所示。在掘進6305 上、下平巷之后，巷道兩幫應力相對升高，如圖6（a）所示；6305 上、下巷道受FL37 斷層和FL39 斷層影響，在地塹構造區域中的上、下平巷兩幫及6305 工作面內出現明顯的應力集中，最大應力達到33 MPa 左右，而FL37 斷層和FL39斷層區域出現較為明顯的應力降低，存在應力阻隔現象，如圖6（b）所示。

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3.3 工作面回采

6305 工作面回采X方向應力分布如圖7 所示。當6305 工作面回采至FL37 斷層附近時，已回采煤層下方砂質泥巖、粉砂巖及FL37 斷層處出現明顯應力降低，而工作面前方20 m 區域受FL37 斷層及工作面超前支承壓力影響出現局部應力集中，最大應力為34 MPa左右，如圖7所示。

通過6305 工作面Z方向應力分布云圖可知（圖8），6305 工作面回采至FL37 斷層時，由于模型邊界效應及回采后圍巖應力變化，6305 工作面上、下平巷出現較為明顯的高應力區，處在地塹構造帶的工作面前方及上、下平巷處應力較高，說明受FL37斷層及工作面超前支承壓力影響，距離FL37 斷層15～30 m應力集中程度較高，最大應力在33 MPa左右。

6305 工作面回采地塹煤層X方向應力分布如圖9所示。當6305工作面回采至地塹構造帶時，工作面上、下平巷及采空區兩側煤柱應力集中程度明顯升高，FL37 斷層和FL39 斷層兩側出現明顯的應力降低區。FL39 斷層側未開采區域出現一定的應力變化，但應力集中程度較小，即由于FL39斷層的存在，阻斷了工作面超前支承壓力的傳遞。

6305 工作面回采地塹煤層Z方向應力分布如圖10 所示。通過應力分布云圖10 可知，6305 工作面回采地塹構造帶時，工作面后方煤柱區域出現局部應力集中，最大應力為58 MPa左右。

綜上可知，當6305 工作面回采至FL37 斷層時，工作面前方區域受FL37斷層及工作面超前支承壓力影響出現局部應力集中，并導致局部區域應力集中明顯，而在回采至地塹構造帶時，由于FL39斷層的存在，阻斷了超前應力的傳遞，臨近FL39斷層的工作面前方區域應力出現一定變化，但變化幅度較小。

6305 工作面回采活動主要導致地塹構造區域發生明顯應力環境變化，且應力主要集中在6305 工作面上、下平巷處，可能會造成支架歪抖下滑和壓架等事故，需要進一步確定卸壓解危措施。

4 綜合治理方案研究

6305 工作面遇FL37 斷層和FL39 斷層組成的地塹結構區域，應力集中現象較為明顯，沖擊危險性較大，對6305 上、下平巷采取大直徑深孔、頂板致裂卸壓以及煤層爆破的卸壓方案［8-10］，其中針對其復合地塹區域上、下平巷進行深孔卸壓［11-15］。

4.1 大直徑深孔卸壓方案

6305 工作面上平巷為沿空巷道，卸壓孔布置在巷道下幫；下平巷為實體巷道，卸壓孔布置在巷道兩幫。卸壓孔施工保持在超前工作面距離300 m 以外，鉆孔施工方向垂直巷道軸向，平行煤層層面布置，如圖11所示。

4.2 頂板致裂卸壓方案

爆破孔布置在6305 工作面兩巷切眼以南100 m處，上平巷傾向爆破孔沿工作面傾向布置，每組3 個孔，間距15 m，孔徑89 mm，鉆孔垂直下幫，仰角為80°，70°，50°，孔深分別為51，53，66 m，裝藥量分別為75，78，99 kg；上平巷走向鉆孔沿巷道走向布置，每組1 個孔，孔間距5 m，仰角70°，孔深50 m，裝藥量75 kg。下平巷傾向爆破孔沿工作面傾向布置，每組3 個孔，間距15 m，孔徑89 mm，鉆孔垂直上幫，仰角為80°，70°，50°，孔深分別為51，53，66 m，裝藥量分別為75，78，99 kg；下平巷走向孔自切眼以南100 處施工，沿巷道走向布置，每組1 個孔，孔間距5 m，仰角70°，孔深50 m，裝藥量75 kg。

針對大直徑深孔以及頂板致裂卸壓的方案，可采用應力在線監測和鉆屑法煤粉監測進行效果檢驗，確定施工預防性卸壓措施的區域沖擊危險性，采用鉆屑法煤粉監測執行正常監測參數，實現方案預卸壓效果。

4.3 煤層爆破卸壓方案

6305 工作面回采期間有沖擊危險的區域可采取爆破卸壓方案［16-20］，爆破孔垂直于煤壁、平行于煤層，使用煤礦許用炸藥和同段別毫秒延期電雷管，炮眼深度15 m，爆破孔間距5 m，炮眼直徑42 mm。

鉆孔采用正向裝藥爆破，每孔裝藥3～5 kg，按照孔內并聯、孔間串聯的方式，采用長腳線連線，并實現一次裝藥必須一次連線3～5 個起爆鉆孔。在施工解危卸壓孔后，必須在距卸壓孔前后1 m 左右施工煤粉監測孔檢驗。

4.4 效果檢驗

采用應力在線監測和鉆屑法煤粉監測對工作面上、下平巷預防性卸壓效果檢驗，在6305工作面施工解危卸壓孔后，必須在距卸壓孔前后1 m 左右施工煤粉監測孔檢驗，當卸壓效果不明顯時，需加密補打卸壓孔。采用鉆屑法煤粉監測執行正常監測參數。經現場微震監測，應力在線監測和鉆屑法煤粉監測合格，實現預期卸壓效果。

5 結 論

（1）6305 工作面巷道掘進期間，地塹構造區域出現應力增高，6305 上、下平巷在地塹構造區域有明顯的應力集中，最大應力達到33 MPa左右。回采期間，高應力區域集中體現在6305 工作面上、下平巷兩側煤柱區域，最大應力在34 MPa左右。

（2）當工作面回采至FL37斷層時，工作面前方區域受FL37斷層及工作面超前支承壓力影響出現局部應力集中，最大應力為33 MPa左右。工作面上、下平巷應力集中現象更為顯著，能量聚集程度更高，沖擊危險性更大。在回采至地塹構造帶時，由于FL39 斷層的存在，阻斷了超前應力的傳遞。

（3）6305 工作面經過地塹構造帶及上、下平巷應力高集中區時，可采取大直徑深孔卸壓、頂板致裂以及爆破卸壓方案進行卸壓解危，實現工作面安全開采。