一侧采空工作面冲击危险性研究与分析

李新文

（大同煤矿集团铁峰煤业有限公司，山西 大同 037200）

1 工程背景与数值模拟

1.1 工程背景

增子坊煤矿8305工作面位于十八采区东侧，西邻8304工作面采空区，东侧为实体煤，南至设计停采线，工作面宽度为150m，走向推进长度为2264m。工作面所采煤层为具有中等冲击危险的煤层。工作面布置方式如图1所示。

图1 8305工作面布置图

1.2 模型建立

数值模拟采用FLAC3D模拟软件。分析8305工作面一侧8304工作面采空条件下工作面应力分布特征，着重研究相邻8304采空区对8305工作面辅助顺槽、胶带顺槽及8305工作面在回采期间的应力分布规律。

数值计算模型如图2所示，模型尺寸长(x) ×宽（y）×高（z）为600×616×270m。8305工作面西侧是8304工作面采空区。留设3.5m的保护煤柱，掘进4m宽的8305辅助顺槽和8305胶带顺槽，开采8305工作面。设计数值模型时，以研究区域内C4-10钻孔柱状图为依据，按柱状图显示煤层开采厚度2m，直接顶、基本顶等岩层均按柱状图的平均厚度给定，模型岩石力学参数如表1所示。

模型采用摩尔-库伦弹塑性模型，模型侧边界施加水平梯度应力，模型施加水平应力为8.72MPa，梯度应力0.0125MPa；模型顶部为自由边界，施加13.25MPa的均布载荷。

图2 数值计算模型

表1 煤岩物理力学参数表

2 应力演化规律及危险性分析

2.1 工作面掘进期间应力演化危险性分析

8305工作面辅助顺槽，采用沿空掘巷，煤柱宽度为3.5m，当掘进面推进不同距离时，应力分布图见图3、图4，支承压力峰值、应力集中系数见表2。

图3 顺槽掘进200m后的应力分布云图

图4 顺槽掘进360m后的应力分布云图

表2 辅顺掘进不同距离支承压力及应力集中系数变化

由图3、图4可知，8304工作面采空区侧向应力峰值向深部转移，巷道在应力降低区掘进，巷道围岩处于卸压状态，弹性能释放，冲击地压危险性相对降低。

胶带顺槽在掘进期间，推进到不同距离时，支承压力峰值、应力集中系数的变化见表3。

表3 胶顺掘进不同距离支承压力及应力集中系数的变化

由表2和3可知，辅助顺槽在掘进过程中，超前支承压力在27.85～36.27MPa之间，应力集中系数为1.56～2.07。胶带顺槽在掘进过程中，超前支承压力在18.85～19.49MPa之间，应力集中系数在1.06～1.09之间。辅助顺槽掘进过程与胶带顺槽相比较，受采空区侧向应力作用影响相对较大，应加强防护措施。

2.2 工作面回采期间应力演化危险性分析

工作面推进至不同距离时，采动煤层应力分布图如图5、图6所示，工作面上端头前方高应力集中区应力峰值、应力集中系数如表4所示。

由表4可知，工作面回采过程中，相邻8304采空区宽度增大时，8305工作面上端头前方高应力峰值由47.16MPa变化为49.91MPa，应力集中系数由2.65变化为2.80。工作面中部前方支承应力由36.82MPa变为37.72MPa，应力集中系数由2.07变化为2.12。因此，当采空区宽度增大时，对工作面上端头影响大于工作面中部区域。当工作面推进至200m时，应加强围岩应力监测及辅助顺槽巷道支护。

表4 回采不同距离超前支承压力及应力集中系数的变化

2.3 工作面回采期间对顺槽的影响

工作面回采过程中超前支承应力与胶顺和轨顺的距离关系图见图7。

图7 工作面上下端头超前应力峰值与推进距离关系曲线图

由图5可知，受8304工作面采空区影响，8305工作面回采过程中上端头前方应力集中峰值稳定在45～49.91MPa之间，而工作面下端头的超前应力峰值稳定在32～36MPa之间。上端头应力峰值整体大于下端头，辅助顺槽受采空区影响大于胶带顺槽。因此，采空区对8305辅助顺槽维护存在较大的影响，应加强冲击危险监测与预警。

3 防治措施

3.1 监测方案

8305工作面回采期间，监测方案主要采用钻屑法监测。主要监测地点划定为中等冲击危险或微震监测及现场矿压观测异常区域，回采工作面超前60m两顺槽。钻孔直径为42～45mm，孔深10m；巷道帮部间距20m，弱冲击危险区域每推进30～50m实施一次，中等冲击危险区域每推进10～30m实施一次。

施工方法采用压风动力钻打孔，采用螺纹式联接的麻花钻杆，每节长1.0m、Ф42mm的钻头。用胶结袋收集钻出的煤粉，用测力计称量煤粉的重量，每钻进1m测量1次钻屑量。主要检测每米钻孔的钻屑量，单位kg。采用专用表格记录打眼地点、时间、钻屑排出量，以及打眼过程中出现的钻杆跳动、卡钻、吸钻、劈裂声和微冲击等动力现象。

3.2 防治方案

工作面回采期间主要采用煤体大直径钻孔卸压技术与煤体卸压爆破技术进行冲击地压防治。首先通过大直径钻孔卸压技术，使煤岩体应力集中程度下降或将高应力转移到煤体深处，起到预卸压效果。在施工卸压钻孔后，需采用钻屑法检验，对钻屑量和钻屑过程的动力现象进行综合分析，若发现煤屑量超标或存在动力现象（震顶、煤炮、冲击等），采用加密大直径钻孔进行卸压解危，在原大直径钻孔之间增加一个大直径钻孔，孔深15m。直至钻屑检测正常。如果在此基础上仍不能消除冲击危险，继续采用煤体爆破进行卸压处理，在卸压爆破后，采用煤粉钻孔等方法在爆破孔周围一定区域内检测爆破的卸载效果（或事先埋设钻孔应力计）。如果煤粉量指标低于冲击危险值，即认为煤层已达到了卸载的效果，否则说明煤层仍具有冲击危险，应实施二次卸载的效果爆破。

4 结论

（1）8305工作面回采时期间，辅助顺槽受采空区影响大于胶带顺槽。应加强对辅顺的监测防护工作。

（2）当采空区宽度增大时，工作面上端头应力集中系数达到2.80，应加强辅助顺槽围岩应力监测及巷道支护。

（3）工作面回采过程中，主要采用钻屑法进行冲击地压监测。防治方法主要采用大直径钻孔卸压技术与煤体爆破技术。为保证工作面安全高效回采，还应配合微震、应力在线监测等方法进行冲击地压监测与防治。