受断层影响的采场冲击地压危险区域划分研究

王 磊 张永久

(1.中国矿业大学(北京)，北京市海淀区，100083；2.淮南矿业集团有限责任公司朱集东矿，安徽省淮南市，232001；3.国家安全生产监督管理总局，北京市东城区，100713)

★ 煤矿安全 ★

受断层影响的采场冲击地压危险区域划分研究

王 磊1,3张永久2

(1.中国矿业大学(北京)，北京市海淀区，100083；2.淮南矿业集团有限责任公司朱集东矿，安徽省淮南市，232001；3.国家安全生产监督管理总局，北京市东城区，100713)

对安徽省朱集东矿首采面冲击地压倾向进行了鉴定，测试的煤样动态破坏时间、冲击能量指数、弹性能量指数平均值显示无冲击倾向，但个别试样具有冲击地压倾向，说明在开采条件具备时具有冲击危险。根据工程实际，重点分析工作面构造、顶板运动、煤柱留设等对冲击地压的影响，为合理划分冲击危险区域提供了依据。

首采面 冲击地压 动态破坏时间 冲击能量指数 弹性能量指数 断层 顶板运动 煤柱留设 危险区域

1 煤矿概况

安徽省朱集东矿首采面1111(1)工作面主采11-2#煤层，煤层平均厚1.26 m，倾角1°～5°，平均倾角3°，工作面标高-880～-910 m，地面标高为+24 m，工作面长220 m，工作面底抽巷埋深超过950 m，过断层掘进时，突出岩石3～5 m3，发生明显的动力冲击现象，由于正值掘进头无工作人员，未造成人员伤亡。事故说明该矿已经到了有冲击危险的开采区域。因此，有必要进行冲击倾向鉴定并分析冲击危险性程度以便防范冲击地压的发生。

2 冲击倾向性鉴定

为了防范冲击地压的发生，需要对开采区域发生冲击地压的可能性进行分析，包括对煤岩层物理力学性质、动态破坏时间、弹性能指数、冲击能指数等冲击倾向性指标等进行测试，得到冲击鉴定的结果。

2.1 采样及测试

煤样可在工作面(见煤点)直接取出，所取煤块要完整，没有明显裂隙，煤样规格要大于300 mm×300 mm×200 mm(长×宽×高)；在工作面两巷道合适地点钻取岩石试件，试件尺寸为ø50 mm×100 mm和ø50 mm×50 mm。本次试验采用MTS815.03电液伺服岩石试验系统测定煤的动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能力指数和顶板岩石的弹性模量。

从直接顶(试样序号Zx)、老顶(试样序号Lx)、煤层(试样序号Mx)、直接底(试样序号ZDx)及老底(试样序号LDx)取芯，加工试样测得的基本力学参数见表1。

表1 围岩力学性质测试结果

2.1.1 煤层冲击倾向性测试

对煤样的冲击能量指数(KE)、动态破坏时间(Dt)、弹性能量指数(Wet)进行测试，测试结果如表2～4所示。表中为有效试样测试结果，按顺序未展现的试样为不可采用的结果。

表2 煤样冲击能量指数

表3 动态破坏时间试验结果

表4 煤样弹性能量指数

将测得各项指标进行综合分析。根据我国煤炭行业标准《煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法MT/T174-2000》相关标准，判定煤层无冲击倾向。

2.1.2 顶板岩石冲击倾向性测试

对顶板岩石冲击倾向性进行测试，得到了复合顶板(包括直接顶和老顶)弯曲能量指数为8.561158，根据煤炭行业标准《煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法MT/T174-2000》相关标准，弯曲能量指数以10为界限，小于10可以判定无冲击性倾向，因此判定顶板岩石无冲击倾向性。

2.2 煤层及顶板冲击性鉴定结果

(1)根据煤样测定的数据，判定煤层属于3类，为不具有冲击倾向性的煤层。

(2)根据岩样测定的数据，判定顶板属于3类，为不具有冲击倾向性的岩层。

(3)虽然由以上测试得到煤层无冲击倾向，但是由于coal-1-dt试件动态破坏时间为424 ms、coal-8-ke试件冲击能量指数为2.117、coal-4-wet试件弹性能量指数为2.394，均具有弱冲击倾向，说明在生产地质条件变化地段，要预先采取防范冲击地压发生的措施。

3 首采区深部开采冲击地压危险分析

本文采用FLAC数值模拟软件对1111(1)工作面过Fx断层进行模拟，模拟工作面超前支承压力分布受断层影响的情况。本次数值模拟岩层属性参照位于1111(1)工作面Fx断层附近的11-4钻孔资料，岩层厚度及岩石力学属性如表5所示。

表5 模型岩层物理力学参数

3.1 断层对工作面支承压力的影响

3.1.1 模型的建立

模型尺寸400 m×91 m，模型底边界固定，左右边界水平方向位移固定。横向取1 m一格，最中间一格作为断层结构面，横向共401格。纵向也取1 m一格，共有16层，每层结构面平均分配。模型共39298个单元格。Fx断层倾角70°，平均落差1.5 m，本构模型采用摩尔-库仑模型。模型上边界上覆岩层厚度为880 m。

3.1.2 模拟结果分析

为优化工作面设计布置，工作面开采是从上盘到下盘。首先模拟工作面在过正断层推进情况下，从断层上盘向断层推进，距离断层60 m、40 m、30 m、20 m、10 m时支承压力的分布规律；其次模拟工作面从断层下盘向断层推进时，距离断层60 m、40 m、30 m、20 m、10 m时支承压力的分布规律。

因为冲击地压的发生主要受垂直应力的影响，所以本次模拟主要从垂直应力的角度进行重点分析。工作面超前支承压力的取法是从工作面煤壁开始，在煤体中垂直应力最大的一条线(y=20.09 m)上取40 m长的一段线段作为提取数值的基线，在此40 m线段上取80个数据，也就是在此线段上提取80个点的垂直应力值来描述此段范围内垂直应力的分布情况，如图1所示。

从图1可知，工作面距断层30 m时，垂直应力峰值上升到59.25 MPa，应力集中系数到达2.54，应力峰值位置距煤壁8 m；工作面距断层20 m时，垂直应力峰值上升到61.4 MPa，应力集中系数达2.63，垂直应力峰值位置距煤壁仍为8 m；当工作面推进至断层10 m时，由于在断层与煤壁之间只有10 m的小煤柱，在煤柱中形成了很高的应力集中，垂直应力峰值达到65.05 MPa，断层的存在不仅影响到应力峰值，而且还影响到支承压力分布形式和分布范围，使得应力峰值向煤壁转移，距煤壁7 m，应力分布范围减小，在煤壁与断层之间的煤柱中，形成了很高的应力梯度，具有很高的冲击危险性；而在断层以外的煤体中，垂直应力峰值迅速降为40 MPa。

图1 断层对工作面支承压力影响

分析可知，工作面距断层越近，越易形成应力集中，梯度很高，发生冲击危险的可能性越大。

3.2 断层导致的顶板型冲击地压危险分析

为研究断层对顶板运动规律及冲击地压的影响，在顶板布置观测点C，随工作面推进C点垂直位移被记录下来，由数据可推测顶板的下沉量。由工作面从断层上盘向断层推进处于不同位置时的顶板下沉量可得到工作面距断层不同距离与顶板下沉量的时空关系曲线，如图2所示。

图2 断层对顶板运动影响

由图2可知，随着工作面向断层不断推进，当距断层30 m时，顶板下沉226.7 mm；当距断层10 m时，顶板下沉量急剧增加到285.3 mm，顶板运动急剧增加，有可能导致顶板型冲击地压。

3.3 护巷煤柱合理宽度分析

区段煤柱宽度影响支承压力对巷道影响程度、煤柱的稳定性和巷道的围岩变形。因此留设煤柱宽度与应力场分布、冲击地压危险性密切相关。合理煤柱尺寸有利于避免冲击地压发生。因此，进一步模拟了煤柱宽度对巷道稳定性的影响。

图3为回采巷道开挖后支承压力显现特征，由图3可知，回采巷道开挖后，应力降低区在巷道顶底板中形成，而应力集中区在巷道两侧形成。

图3 巷道开挖后支承压力分布

图4为回采后矿压显现特征。由图4可知，支承压力分布与距巷帮的距离有关，距巷帮0～2 m段内，出现应力降低区；距巷帮10～20 m内，出现应力增高区。

图4 采空区两侧矿压显现特征

采空区运动稳定后，开掘相邻工作面回采巷道，分别模拟煤柱宽度为3 m、4 m、6 m、10 m、15 m、20 m、25 m时煤柱稳定性。不同宽度煤柱支承压力分布如图5所示。

当采用10 m以下的小煤柱时，煤柱发生完全剪切破坏，易发生危险；采用15 m煤柱时，仅在煤柱两侧产生剪切破坏塑性区，在煤柱中央出现弹性核，但仍有可能发生危险。当煤柱宽度为20 m时，在煤柱两侧各形成了约4 m的剪切破坏塑性区，在煤柱中央出现大范围的弹性区，这时，可以认为护巷煤柱处于稳定状态。

当煤柱宽度大于20 m时，实体煤中形成的应力集中程度较低，冲击危险性较小，煤柱中虽然形成较高的应力峰值，但是煤柱中存在一定宽度的弹性核，煤柱处于稳定状态。

4 采场冲击地压危险区域确定及防治预案

4.1 采场冲击地压危险区域确定

由于断层是发生冲击地压的重要影响因素，1111(1)工作面两巷道在掘进过程中揭露大量的断层，在断层前后100 m范围内应为防冲重点区，见图6。

图5 不同宽度煤柱支承压力分布

运输巷道防冲重点区为：自开切眼开始起的310～510 m区域内，该区域在运输巷道掘进过程中已揭露DF101断层，冲击地压受断层地质构造的影响较大，且由断层下盘向断层推进，有冲击危险；自开切眼开始起的700～900 m区域内，该区域在运输巷道掘进过程中已揭露DF100断层，且工作面是由断层下盘向断层推进，有冲击危险；自开切眼开始起的1540 m到停采线区域内，主要受Fx断层尖灭带影响，运输巷掘进时在Fx断层尖灭带曾发生过冲击地压现象，有冲击危险。

图6 冲击地压危险区域

轨道巷道防冲重点区：自开切眼开始起的627 m区域内，因该区域存在DF104、DF106、DF99 3条断层，受断层等地质构造的影响较大，而且工作面处于初放阶段，所以确定该区域为重点防冲区域；自开切眼开始起的1527 m到停采线区域内，主要受Fx断层尖灭带影响，确定为重点防冲区。

4.2 采场冲击危险区的监测及防治预案

开展当量钻屑量监测预报冲击地压危险性建设，可有效实现动力灾害的预警；同时可确定采空区实体煤一侧的应力分布，为研究合理煤柱提供可靠依据，防止因出现高应力而导致动力灾害的发生。

根据基于采动破裂场在线监测冲击地压防治机制，构建冲击地压基础理论研究的微地震监测平台，监测岩体破裂场分布的时、空范围，定量描述采动岩体运移规律及构造活化规律，并超前进行区域性预警,保障开采安全；通过微地震实时监测解放层采动覆岩破裂场，研究工作面冲击地压发生机理，为制定解危方案提供科学依据。

5 结论

(1)对工作面冲击倾向进行鉴定，煤样动态破坏时间、冲击能量指数、弹性能量指数平均值显示无冲击倾向，但个别试样具有冲击倾向，说明是否发生冲击与开采条件等密切有关。

(2)采用数值模拟工作面过Fx断层，得到不同位置的应力场及应力梯度变化，推进至断层较近时，应力达峰值，应力梯度也很高，有冲击危险。

(3)分析煤柱留设宽度对首采面待采区域冲击地压的影响，提出合理的煤柱尺寸设计方案。

(4)合理划分冲击危险区域，提出相应监测及防治预案，有利于安全开采。

(5)在开采过程中，煤、岩层是否发生冲击还同其开采深度、构造、地应力状况、周围开采情况、含水率等有关，应具体问题具体分析。

[1] 潘一山，李忠华，章梦涛.我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究[J].岩石力学与工程学报，2003(11)

[2] 窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M] .徐州:中国矿业大学出版社，2001

[3] 李志华，窦林名，张小涛等.坚硬顶板卸压爆破对冲击矿压防治的数值分析[J].中国煤炭，2006(2)

[4] 李志华，窦林名. 采动影响下断层冲击矿压危险性研究[J].中国矿业大学学报，2010(4)

[5] 成云海，姜福兴，庞继禄.特厚煤层综放开采采空区内侧向矿压特征及应用[J].煤炭学报，2012(37)

[6] 成云海，胡兆锋.综放采场区段巷道外错布置减冲机理与关键技术[J].煤炭学报，2016(3)

[7] 宋焕虎，魏辉.爆破卸压技术在深部煤层防治冲击地压中的应用[J].中国煤炭，2015(12)

[8] 高峰，陈连城，王连国.煤矿冲击地压预测的PCA-GRNN神经网络方法[J].中国煤炭，2016(12)

[9] 周旭明.桃山煤矿冲击矿压钻屑法预测与爆破卸压技术研究[J].山东煤炭科技，2013(4)

(责任编辑 张艳华)

Study on danger area categorization of rock outburst of mining stope affected by faults

Wang Lei1,3, Zhang Yongjiu2

(1. China University of Mining & Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;2. Zhuji East Mine, Huainan Mining Industry (Group) Co., Ltd., Huainan, Anhui 232001, China;3. State Administration of Work Safety, Dongcheng, Beijing 100713, China)

The first mining face of Zhuji East Mine was investigated for rock outburst tendency. Average value of dynamic failure time of coal sample, impact energy index, and elastic energy index indicated that there was no outburst tendency, however, some samples indicated there was outburst tendency, which means outburst danger could be attained under mining condition. According to engineering facts, focusing on the influence of working face structure, roof movement and coal pillar layout on outburst, providing reasonable evidence for outburst danger area categorization.

first working face, rock outburst, dynamic failure time, impact energy index, elastic energy index, faults, roof movement, pillar layout, danger area

王磊,张永久.受断层影响的采场冲击地压危险区域划分研究[J].中国煤炭,2016,43(2),108-113. Wang Lei,Zhang Yongjiu. Study on danger area categorization of rock outburst of mining stope affected by faults[J]. China Coal,2017,43(2):108-113.

TD324

A

王磊(1976-)，山东省枣庄市人，中国矿业大学(北京)在读博士研究生，现任国家安全生产监督管理总局培训教育处处长。