工作面冲击地压危险性分析

杜 忠

(山西汾西矿业集团水峪煤业,山西 孝义 032300)

1304工作面开采深度达到440 m，为了确定其冲击危害的程度，通过实验室对煤岩样品进行应力测定；对顶板岩性、采深影响、围岩构造等因素引起冲击威胁的可能性进行分析，分析结果表明，1304工作面具有弱冲击危害。但是采用综合指数法对工作面冲击危险性进行评价，评价结果表明，1304工作面具有强冲击威胁，其中的开采技术因素是工作面冲击危险主要原因，工作面周围的采空区及其位置附近的断层起主要影响作用。工作面在开采过层中应加强在靠近采空区及断层处的安全管理。

冲击地压；断层；危险性评价

1 工程概况

1304工作面开采3下煤层，工作面处于-518 m水平，地面标高平均+34.64 m。3下煤层平均厚度6.05 m，煤层倾角0°～8°，平均5°，层里结构简单。工作面顶底板情况见表1。

表1 工作面顶底板情况

直接充水含水层煤3下顶板砂岩，最大导高范围内(96.2 m)顶板砂岩厚22.31 m～38.57 m，平均厚度30.86 m。

由于采空区积水距1304工作面较远(最小距离188 m)，1304工作面标高-408.4 m～-380.1 m，故采空区积水对回采无影响。掘进期间工作面两顺槽、切眼及联络巷共有18条正断层，顶板裂隙发育，沿裂隙面出现涌水，最大为25 m3/h，其余所揭露的断层均未出现明显涌水现象。预计回采期间涌水形式为顶板淋水及采空区涌水，以采空区涌水为主。

1304工作面回采过程中正常涌水量40 m3/h～60 m3/h，最大涌水量150 m3/h。

1304工作面位于1301、1302、1303工作面南面，辅顺原则根据JF62断层确定，胶顺根据KFl7断层和风氧化带确定，切眼的位置由KFl7断层确定。

根据六采区南部区域煤层的赋存情况，结合现有的巷道布置，确定开采六采区南部区域煤层利用原六采区新增辅运巷、六采区南部边界巷作为辅助运输、进风之用。在六采区新增辅运巷以西40 m再布置一条新增胶带巷，用作回风、煤流运。

2 煤层和围岩冲击倾向性判别

2.1 冲向性测定

为确定工作面煤层和其围岩的冲击倾向性，本文在1304工作面的煤层和巷道中取样，并制作成圆柱形标准试样。在岩石力学实验室进行煤岩的物理力学性质测定，并得到其冲击倾向性[1-2]。

由测定结果可知，3下煤动态破坏时间53.81 ms、单向抗压强度15.87 MPa、冲击能指数4.82、弹性能指数4.55。可以认为该工作面煤样具有弱冲击倾向性[3]。

岩层的冲击倾向性评定按照我国煤炭行业标准《岩石冲击倾向性分类及指数的测定方法》MT/T 866-2000，由实验室岩样实验得出的结果进行评价。1304工作面顶板岩层的弯曲能量指数为14.05 kJ，评定该层煤的顶板岩层为具有弱冲击倾向性[4]。

2.2 煤岩冲击动力现象

矿井自正式投产以来，从2003年开始，六采区的几个工作面煤岩多次发生冲击地压情况，尤其是2004年，6303工作面开采进行到1290.5 m时，工作面煤壁前方巷道突然出现冲击矿压的情况，巨大的声响之后，巷道内充满煤尘，煤帮瞬间突出1.8 m左右。2005年，6303工作面再一次出现冲击矿压情况，巨大的响声之后巷道内充满煤尘，煤壁前11.6 m～47.0 m处煤帮突出200 mm～900 mm不等，井巷顶板下沉500 mm左右，底板鼓起250 mm～600 mm，破坏单体支柱27根，破坏十字顶梁15个。之后，6303工作面巷道又出现了几次小型的冲击矿压，给工作面安全高效生产带来了很大威胁。

3 工作面冲击地压主要影响因素分析

3.1 顶板岩性

1304工作面直接顶的岩性是粉砂岩，厚度大约1.4 m，基本顶岩性为细砂岩及中砂岩，厚度大约在20.8 m。底板岩性为泥岩、粉砂岩，厚度约为3.7 m。如果顶板为坚硬厚层砂岩，则其容易出现悬顶情况，尤其是在顶板破碎滑脱过程中，产生大量的弹性能，弹性能突然剧烈释放可造成剧烈震动，有可能形成地质灾害[5]。

冲击地压危险会在顶板为坚硬、厚层砂岩时增高。在1304工作面坚硬、厚层砂岩距煤层的距离大约为21 m，其小于50 m，冲击危险指数为3。顶板岩层厚度特征参数Lst计算见式(1)：

Lst=∑hiri

(1)

式中：hi为顶板第i种岩层的总厚度，m；ri为岩层的弱面递减系数。

由公式(1)可知，顶板岩层厚度特征参数Lst=∑hiri=1.4+20.8=22.2。由于顶板岩层厚度特征参数小于50，可知，其冲击地压危险指数为0。

3.2 采深的影响

1304工作面采深约为440m。根据大量实践资料说明，开采深度小于或者等于350m时，通常没有冲击地压危险，因为此时煤岩体中聚集的弹性能较小；开采深度在350m～500m时，煤岩体中聚集了较高的弹性能使之具有一定的几率会发生煤岩冲击，冲击可能性系数会增加。从上述条件可知，1304工作面有可能出现冲击地压的情况。

3.3 煤的冲击倾向性

煤体的冲击倾向性可以作为煤体出现冲击破坏强弱的一种评定标准，因煤体的冲击地压倾向是其的物理性质，是煤自身就拥有的、内在的性质[4]，所以，煤体的倾向性越大出现冲击的概率就越大，煤体的倾向性越小出现冲击地压的概率就越小。经过实验室对煤岩样的测定可知，1304工作面的煤和煤岩的冲击地压倾向性危险结果见表2、表3。

表2 1304工作面煤样冲击倾向性结果

表3 1304工作面煤岩混合冲击倾向性结果

1304工作面煤厚在2.0m～7.2m，煤厚变化较大，煤厚及其幅度与冲击地压倾向性密切相关，煤厚变化上下幅度越大，冲击地压倾向性就越高，就越容易发生冲击地压灾害[5]。所以，该工作面冲击地压倾向性受到的煤厚及其幅度变化因素影响较高。

3.4 构造影响

1304工作面煤层趋势为南高北低，轴向NS，幅度7m。1304工作面采掘期间探测出共有正断层17个，其密度是278条/km2，断层的孕育主要是NNW方向，有79%左右，然后是SEE方向，有21%左右。有几个代表性的断层位置如第128页图1，这部分断层将会增加工作面冲击危险性概率。断层会引起回采范围内的应力构造集中。

3.5 开采因素影响

辅顺临近3个工作面的采空区，形成的煤柱宽度从25m～48m不等，通过数值模拟及围岩移动情况分析，煤柱的存在可导致煤岩体应力集中，增大了冲击矿压发生的可能性。

图1 工作面内断层分布

4 综合指数法对工作面冲击危险性评价

4.1 自然地质条件确定的冲击矿压危险性评定指数及评价

通过1304工作面影响因素可知，如表4所示由地质因素得到的冲击地压危险性指数。

表4 自然地质条件确定的冲击矿压危险性评定指数

由1304工作面地质因素的冲击地压危险性指数，可知其有中等冲击危险性。影响冲击危险的重要因素为煤的冲击倾向性、煤层距坚硬顶板的距离、回采范围内构造应力集中。

4.2 开采技术条件确定的冲击矿压危险性评定指数及评价(见表5)

根据1304工作面开采技术条件的冲击地压危险性指数，可知其有强冲击危险。影响冲击危险的重要因素是工作面附近的采空区及工作面附近有断层并且和断层比较近。

4.3 综合指数确定及评价

由综合分析认为，1304工作面冲击矿压危险性为强冲击，由冲击危险指数可知，其中的开采技术因素是工作面冲击危险主要原因，工作面周围的采空区及其位置附近有断层起主要影响作用。

5 结论

本文通过实验室对煤岩样测试，鉴定其冲击倾向性强弱，结果为，煤体为弱冲击，顶板为弱冲击；描述了矿井已经发生的冲击地压动力现象，表明冲击地压现象对工作面的安全生产带来了很大的威胁。

分析了1304工作面的冲击因素。自然地质条件的主要影响因素为煤层的冲击倾向性、煤层距坚硬顶板的距离、回采范围内构造应力集中。开采技术条件的主要影响因素为工作面附近的采空区及工作面和断层较近。

1304工作面地质和开采条件因素影响下的冲击危险性指数分别为，具有中等冲击危险性和具有强冲击危险性。由综合分析，认为1304工作面冲击矿压危险性等级为强冲击。

[1] 王存文,姜福兴,刘金海.构造对冲击地压的控制作用及案例分析[J].煤炭学报,2012，37(S2):43-46.

[2] 侯玮,霍海鹰.“C”型覆岩空间结构采场岩层运动规律及动压致灾机理[J].煤炭学报,2012，37(S2):76-79.

[3] 于正兴,姜福兴,桂兵.冲击地压危险性的宏观评价方法在“孤岛”工作面的应用[J].矿业安全与环保,2011，38(5):142-145.

[4] 张志镇,高峰,许爱斌.冲击地压危险性的集对分析评价模型[J].中国矿业大学学报,2011，40(3):364-367.

[5] 陈国祥,郭兵兵,窦林名.褶皱区工作面开采布置与冲击地压的关系探讨[J].煤炭科学技术,2010(10):132-135.