安居煤矿2315工作面冲击危险性评价及防治

王璐飞，钟志路，刘永乐，辛承锐

(山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590)

冲击地压是一种常见的矿山和采场动力灾害，常伴随大量煤岩体被抛出、片帮冒顶、支护失效等现象，造成设备损毁和人员伤亡，严重威胁矿井的安全生产。近年来，随着我国煤炭资源开采强度和深度不断增加，存在冲击地压危险的矿井数量与灾害强度不断增加。

科研工作者从很多方面对冲击地压灾害进行了研究。李玉生[1]认为冲击地压机理可用强度准则、能量准则及冲击倾向准则加以概括，3个条件的共同作用必然导致冲击地压的发生；赵洪宝等[2]指出冲击地压产生于不均衡的应力集中；彭维红、秦昊等[3-4]采用数值模拟研究了巷道在动载作用下的破坏形式；李夕兵等[5-6]建立了动静载组合作用下岩石的破坏准则，并采用FLAC3D模拟了矿柱在动载和静载组合作用下的力学响应过程。在防治冲击地压方面，窦林名等[7]提出冲击地压的强度弱化减冲理论；郑吉等[8]探讨了千米深井强冲击倾向煤层的冲击地压防治技术；苗素等[9]着重探讨了在深部复杂地质条件下的矿井冲击地压分析及防治；鞠文君、潘俊锋[10]分析了我国冲击地压监测预警的主要方法和技术特点，提出了冲击地压矿井的主要监测预警模式；夏永学、蓝航、毛德兵[11]基于冲击地压的能量机理，提出了冲击地压启动形式。

学者们在冲击地压发生和防治方面进行了大量研究，但由于其发生机理的复杂性，目前对不同矿区冲击地压发生的可能性尚未形成统一的判断标准。因此，以安居煤矿3煤为研究对象，首先对该煤层进行了理论分析和冲击倾向性鉴定，然后利用3DEC进行2315工作面模拟开采，通过实验模拟的结果对冲击地压发生的可能性加以验证，最后根据2315工作面实际情况提出冲击地压防治措施。

1 工作面概况及冲击地压危险性分析

1.1 工作面概况

2315工作面位于-940m水平(开采水平)，开采煤层为3煤，地面标高为+34～+36m，工作面标高为-975～-990m，工作面可推进长度为327.71m，开切眼长度为130m(平距)，煤层倾角2°～9°，平均4°，煤厚2.1～3.1m，平均2.6m。煤层顶板主要为深灰色泥质砂岩，相对完整，局部含粉砂岩，较破碎，底板为深灰色泥岩及砂质泥岩。

1.2 工作面冲击地压影响因素分析

根据现有2315工作面的地质与工程条件，总结出影响冲击地压的主要影响因素包含以下几个方面。

(1)开采深度 随着开采深度的增加，自重应力以及煤岩体中聚积的弹性能也随之增加。开采深度越大，发生冲击地压的可能性也越大。2315工作面为千米深工作面，采深最高达到了1026m，冲击地压危险指数接近0.7。

(2)顶板岩层结构特征 通过2315工作面附近分布的地质钻孔柱状图计算得到2315工作面顶板厚度特征参数为78.80(大于50)，同时上覆100m范围内顶板岩层以砂岩为主，其破断运动会影响工作面冲击地压显现情况。

(3)煤岩体的物理力学性质及特征 对安居煤矿取样的煤岩体，进行物理力学测试及冲击倾向性鉴定，3煤及顶底板岩层力学性质和冲击倾向性见表1、表2。结果表明安居煤矿3煤冲击倾向性属于Ⅱ类，为具有弱冲击倾向性煤层；顶板岩层冲击倾向性为Ⅲ类，为具有强冲击倾向性岩层；底板岩层冲击倾向性为Ⅱ类，为具有弱冲击倾向性岩层。3煤及顶底板的冲击倾向性增加了2315工作面冲击地压事故发生的可能性，尤其是3煤顶板岩层的强冲击倾向性对工作面冲击危险程度影响较大。

表1 3煤层顶底板冲击倾向性鉴定结果

表2 3煤层冲击倾向性鉴定结果

(4)地质构造 在向背斜的翼部和断层的附近会造成煤岩局部应力集中。2315工作面无岩浆岩侵入且冲击危险程度受褶曲构造影响较小，但局部会受到断层的影响，而XDF203等断层的存在使得工作面冲击危险程度增大。

(5)开采技术 2315工作面末采阶段，工作面前方形成三角形煤体，在三角形煤体区域巷道将会形成较高的应力集中现象，冲击危险程度较高，应合理设置停采线位置；2315工作面停采线定在轨道巷拐角处(前方三角形煤体初形成位置)，对工作面冲击危险性有一定影响。

1.3 工作面的冲击危险性及区域划分

在回采工作面及巷道中，煤层、顶底板岩层共同组成一个力学平衡系统，受到采掘扰动的影响时，这个系统的受力状态将不断调整和变化，可以综合运用综合指数法与可能性指数法对2315工作面进行评价，确定其冲击危险状态。对于工作面范围来说，开采深度、煤岩冲击倾向性和顶板岩层结构特征基本上是固定不变的，回采过程中造成冲击危险的因素主要为断层构造、覆岩运动、工作面见方等，因此可根据上述因素对2315工作面回采期间的冲击危险性及危险区域进行划分。

(1)运用综合性指数法计算得到冲击危险状态等级Wt=0.4211，即冲击危险等级为弱；运用可能性指数计算得到冲击地压发生的可能性指数U=0.89，即很可能。

(2)基本顶初期来压前后15m为中等冲击危险区域。根据基本顶梁式断裂理论，计算得基本顶的初次来压步距为28.3m。

(3)初次见方段前后30m范围为中等冲击危险区域。工作面推至130m时采空区顶板岩层受力发生变化，覆岩运动高度达到最大值，支承压力升高，煤岩体中震动能量与频次响应上升，易发生大能量震动，从而诱发冲击地压事故。

(4)巷道交叉段与构造影响区域，2315工作面胶带巷停采线前方40m范围内、停采线后方20m范围内为中等冲击危险区域，2315工作面轨道巷拐角前后20m范围为中等冲击危险区域，切眼与两巷拐角前后20m范围内为中等危险区域。2315轨道巷XDF203断层后方20m，停采线后20m范围内为强冲击危险区域。

综上所述，利用多因素耦合分析方法划分了2315工作面冲击危险区域，如图1所示。

图1 2315工作面回采期间冲击危险区域划分

2 冲击地压发生规律的数值模拟研究

为了进一步了解工作面回采上覆岩层对冲击地压的影响规律，利用3DEC数值模拟进行了验证。

2.1 模型的建立

根据安居煤矿实际煤岩层地质赋存情况进行建模，模型尺寸为51m×21m×27m，共分为13934个块体和590091个单元，工作面岩性至上而下分别为细砂岩、中砂岩、泥质砂岩、煤、泥岩、砂质泥岩、细砂岩，模型如图2所示，各分层岩性的参数见表3。

图2 数值模型

岩性类别厚度/m密度/(kg·m-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa内摩擦角/(°)黏聚力/MPa抗拉强度/MPa细砂岩3.925602.31.75357.52.6中砂岩8.522002.61.42345.82.0泥质砂岩4.019501.81.30284.21.4煤2.614801.61.25284.51.2泥岩0.818902.01.18275.21.5砂质泥岩3.422602.21.35305.72.1细砂岩3.125602.31.75357.52.6

模型侧面限制水平移动，底面限制垂直移动，模型上部为自由面，根据安居煤矿地应力测试结果，施加z轴负向应力28MPa，重力加速度g=-9.8m/s2。

2.2 工作面推进过程中覆岩运动规律

工作面推进步距为6m，采空区上赋岩层随着工作面不断向前推进而产生裂隙并垮落，如图3所示。

图3 工作面推进过程中覆岩垮落规律

工作面推进至12m，直接顶发生折弯，覆岩离层开始出现；推进至24m处，基本顶基本垮落，由此判定基本顶初次来压步距约24m，基本顶垮落范围约10m；之后随着工作面每推进一步，基本顶随即垮落。推进至36m时，工作面后方15m左右采空区基本完成垮落过程。从覆岩垮落规律可知，采场周围煤岩体塑性区范围的扩大致使煤岩层极限承载能力强度的降低，致使该范围内的煤岩层在较小的动力或开采扰动作用下，出现煤岩块的崩落或者引发局部冲击地压事件。

2.3 工作面推进过程中支承压力分布规律

如图4所示，以工作面推进至12m，24m，36m时为例，对工作面超前支承压力进行分析。随工作面推进距离的增加，工作面前方支承压力的峰值呈现出线性增加的趋势。

图4 不同推进距离下工作面超前支承压力峰值变化

当工作面开采至距开切眼24m(图3(b))时，基本顶初次来压，工作面前方垂直应力集中显著，顶板活动强烈，冲击危险性较大。随着工作面的继续推进，工作面前方支承压力的峰值有所减小并趋于稳定，但应力集中系数为2.0～3.0，仍存在有一定的冲击危险。

3 冲击危险监测方案与防治技术

3.1 冲击地压监测方案

2315工作面回采期间，以钻屑法为主，结合微震监测法、应力在线监测法进行冲击地压危险性综合监测。

(1)钻屑法 在工作面超前60m范围内两巷每2～3d进行1组煤粉检测，组间距5～10m；超前外150m内断层、褶曲、煤层变化或其他中等以上危险区根据应力在线、微震监测数据分析结果进行不定期检测。

(2)微震法 在工作面两巷内安装微震检波探头，对工作面的矿震信号进行远距离、实时自动监测。

(3)应力在线监测法 使用KJ649煤矿冲击地压应力在线监测系统，在工作面回采期间对煤体应力集中程度进行监测。

3.2 冲击地压解危措施

(1)中等及弱冲击危险区域 采取大直径钻孔对巷道两帮进行加密卸压。工作面回采过程中，无论是否存在冲击危险，都必须采用大孔径钻孔进行预卸压，且始终保持不低于超前150m的卸压距离，巷道两帮按间距5m施工。卸压工具：采用ZQSJ-140型防冲钻机，配套φ76mm的高强螺旋钻杆及φ110mm的高强度组合钻头施工卸压孔。

(2)强冲击危险性区域 采取缩短卸压孔间距、加大孔深或提高卸压孔径等方式对危险区内巷道两帮进行解危卸压。加密卸压方案：在冲击地压监测过程中，当监测到存在强冲击危险时，对危险区域内的巷道两帮危险区域前后30m进行卸压，并根据实际情况采取多轮卸压方式直至危险解除。当加密卸压后仍不能解除危险时，必须编制专项解危措施采取其他手段进行解危卸压。

(3)解危措施效果检验 冲击地压防治措施效果检验手段应以钻屑法为主，以应力在线监测、微震监测为辅，当解危后的指标小于规定的临界值时，则认为解危措施有效，达到降低或消除冲击地压危险的目的。

4 结 论

(1)2315工作面的冲击危险综合指数为0.4211，即冲击危险等级为弱；可能性指数0.89，即很可能。工作面回采期间的强冲击危险区域为2个，中等冲击危险区域为12个，其他为弱冲击危险区域。

(2)利用离散元软件3DEC对2315工作面覆岩运动规律进行模拟研究，得出基本顶初次垮落步距为24m，超前支承压力峰值约80～100MPa。工作面推至该应力集中区时，应加强煤体及周围岩体的应力、变形和微震监测，应采取适用的解危措施，有效防止冲击地压的发生。

(3)针对安居煤矿2315工作面回采期间的弱-中-强3种不同等级的冲击危险，提出了对应的监测预警方案。对中等及弱冲击危险区域，在巷道回采侧采取大直径钻孔进行预卸压；对强冲击危险区域，采取加密大直径钻孔对巷道两帮进行预卸压；当加密卸压后仍不能解除危险时，必须编制专项解危措施采取其他手段进行解危卸压。