断层附近工作面冲击危险性评价及解危技术分析

李杨杨，韦 一

(1.山东能源淄矿集团唐口煤业公司，山东 济宁 272055；2.山东省煤炭技术服务公司，山东 济南 250022)

0 引言

华丰煤矿2409工作面有2条较大断层贯穿于两顺槽之间，根据矿压理论[1-3]，在工作面回采过程中，当工作面临近断层时，工作面的支承压力及顶板运动将会受到断层的影响，如果预防不及时，将会导致局部应力集中及顶板的剧烈运动，有可能引发冲击地压的发生。因此，针对2409工作面工程概况，采用综合指数法对工作面进行冲击危险等级评价，并应用大直径钻孔卸压，降低工作面冲击危险，防止了冲击地压的发生。

1 工程概况

2409工作面位于华丰井田西翼五水平前组一采区西部第一区段，上下限标高分别为-750～-840 m，工作面平均走向长度870 m，倾斜长160 m，倾角31°～34°，由东向西推采。工作面所采3煤在本区为一结构较为简单的厚煤层，煤厚变异系数28%，为较稳定煤层，煤层倾角31°～34°，平均32°，硬度系数f=1.5～2.5，单向抗压强度10.8～25.5 MPa，自然含水率2%。3煤直接顶为2.5 m粉细砂岩，密度2.75 t/m3，单向抗压强度69.5 MPa，抗拉强度3.8 MPa。基本顶总厚度为78 m，其中第一分层22 m，为中细和中粗砂岩，第二分层56 m，为中细砂岩。基本顶之上为70 m泥岩和红土层，红土层之上为厚500 m以上的坚硬砂砾岩。直接底为4.4 m厚的中砂岩，密度2.64 t/m3，孔隙率1.98%，含水率0.47%，单向抗压强度74.2 MPa，抗拉强度7.08 MPa，抗弯强度36.4 MPa。

图1 2409工作面平面图

2 冲击危险综合指数法定量评价

2.1 地质因素及指数

根据以往学者结合断层冲击地压的影响因素制定了见表1采掘工作面部分地质条件下影响断层冲

表1 地质条件影响断层冲击地压危险状态的因素及指数

击地压危险状态的因素与指数[1-2]。可通过式1确定。

(1)

式中：Wt1—冲击地压危险指数；Wimax—表1中第i个地质因素中的最大指数值；Wi—采掘工作面周围第i个地质因素的实际指数；n1—地质因素的数目。

表2 开采技术条件影响冲击地压危险状态的因素及指数

2.2 开采技术因素及指数

学者结合临近断层工作面引起冲击地压的开采因素，确定了相对应的冲击地压危险指数，可由式2确定[1-2]。

(2)

式中：Wt2—开采技术因素确定的冲击地压危险指数；Wimax—表2中第i个开采技术因素的危险指数最大值；n2—开采技术因素的数目。

2.3 工作面冲击危险性定量评价

根据这2个指数，用式3就可确定出采掘工作面周围冲击地压危险状态等级评定的综合指数Wt。

Wt=max{Wt1,Wt2}

(3)

对冲击的危险程度按评定其等级的综合指数法可定量化分为5级，相应的划分标准及应采取的对策见表3[3-5]。

2409工作面3煤及顶底板岩层通过煤科总院北京开采研究所岩石力学实验室的冲击倾向性测定，测定结果认为：3煤下部属于Ⅱ类，为具有弱冲击倾向性的煤层；3煤上部属于Ⅲ类，为具有强冲击倾向性的煤层；3煤顶板属于Ⅱ类，为具有弱冲击倾向性的岩层。

根据2409工作面地质因素及开采技术条件，采用综合指数法评定其冲击危险性指数，分析见表4。

表4 由2409工作面地质条件确定的冲击危险状态评定指数

2409工作面掘进、回采技术因素影响下的冲击危险性指数Wt2=0.44，判定为弱冲击危险性，主要影响因素为沿空掘巷煤柱宽度等，见表5。

通过综合比较分析，认为2409工作面冲击危险状态等级评定为中等偏弱的冲击危险性，冲击危险指数为Wt=max{Wt1,Wt2}=0.56，其中，采区地质因素影响较重。在2409工作面正式回采生产后，工作面的开采深度及断层构造将起主要的影响作用。

表5 由工作面开采技术条件确定的冲击危险状态评定指数

3 工作面卸压解危技术

3.1 大直径钻孔卸压数值模拟研究

数值模型的建立：为了研究大直径钻孔卸压机理，为大直径钻孔卸压方案的现场实施提供理论依据，本文选用FLAC3D数值软件，研究钻孔直径、间距对卸压效果的影响，模型前、后、左、右均施加水平约束，底部施加垂直约束。模拟过程中采用莫尔-库伦屈服准则，模型物理力学参数见表6。

表6 模型参数取值

钻孔直径对卸压效果的影响：取钻孔间距3 m，孔深20 m，采深800 m不变，通过分析钻孔直径分别为50 mm、100 mm及200 mm时卸压效果，研究钻孔直径对卸压效果的影响。图2～4表示不同钻孔直径时Szz方向应力等值线图。

图2 钻孔直径50 mm Szz等值线图

图3 钻孔直径100 mm Szz等值线图

由图2～4可知，钻孔卸压后，在钻孔周围应力发生重新分布，使得应力集中区向深部转移，钻孔直径越大，应力降低区范围越广，卸压效果越明显；钻孔直径越大，卸压后在煤体中重新形成的应力增高区范围越小，卸压效果越好，再次发生冲击危险的可能性越低。

钻孔间距对卸压效果的影响：取钻孔直径100 mm，孔深20 m，采深800 m不变，通过分析钻孔间距分别为1 m、3 m及5 m时卸压效果，研究钻孔间距对卸压效果的影响。通过观测，实施钻孔卸压后，煤层最大主应力明显降低，由20 MPa降低到6 MPa左右，且在钻孔周围形成明显的应力降低区；不同的钻孔间距，卸压效果差别极大，当孔间距为1 m时，应力降低区(6 MPa)全面连接，形成一个连续、闭合的降压区域，卸压效果较好，随着钻孔间距的增加，该降压区域逐渐丧失连续性，直至形成相互独立的非连续区域，卸压效果不断变差。

3.2 大直径钻孔卸压现场实施方案

根据以上数值模拟研究，至断层距离30～40 m时，冲击危险最为强烈。以上述大直径钻孔数值模拟成果为指导，对华丰煤矿2409工作面进行现场大直径钻孔卸压解危。

运输巷卸压施工：卸压钻孔直径110 mm，巷帮两侧孔深15～20 m，钻孔距巷道底板1.2 m，平行煤层方向，呈三花跟布置，卸压范围为工作面前方300 m，卸压钻孔布置如图5和图6所示。

图5 卸压钻孔剖面图

图6 卸压钻孔平面图

材料巷卸压施工：材料巷仅对内帮实施大直径钻孔卸压，留设小煤柱护巷，煤柱侧暂不需采取卸压措施，煤壁钻孔参数同运输巷。

4 结语

运用综合指数法定量评价确定了华丰煤矿2409工作面冲击危险等级状态，根据该工作面的地质条件，判定具有中等冲击危险性，根据其开采技术因素，判定为弱冲击危险性，最终综合判定其具有中等偏弱的冲击危险性。通过数值模拟，研究了钻孔直径、间距对卸压效果的影响。结果表明，钻孔直径越大，间距越小，卸压效果越好，并以此提出对2409工作面进行现场大直径钻孔卸压方案。