工作面缩面阶段冲击危险性分析及防治

石文朋，魏宝贞，李 楠，谭 浩，陈兆生

(兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东 济宁 273500)

0 引言

在工作面开采期间，受到设计不合理及断层等地质条件的影响[1-4]，工作面往往会面临缩面问题，被迫形成不规则工作面。相对于正常开采区域来说，缩面区域开采条件复杂，工作面更易产生应力集中[5-7]。实际生产经验及学者研究表明，在多种因素影响下，工作面撤架缩面期间有较强的冲击危险性[8-9]，所以分析工作面缩面阶段的冲击风险具有必要性。以东滩煤矿1310工作面缩面段作为研究对象，对工作面缩面开采期间的冲击危险性及防治技术展开研究，通过分析工作面缩面阶段的应力分布规律及应力集中程度，设计合理的防治方案，研究成果将对工作面冲击地压的防治起到实际指导作用。

1 工程概况

1310工作面位于一采区西部，工作面采用调斜开采与“刀把”缩面布置。工作面正常宽202.8 m，工作面“刀把”宽153.2 m。工作面回采煤层为3号煤，厚8.30～9.20 m，平均8.82 m，煤层倾角0°～7°，平均3°，煤层普氏硬度f=2～3。工作面直接顶及基本顶分别为泥岩、中细砂岩，厚度约为23 m，属于坚硬顶板，工作面地质构造以C8向斜为主，受其影响断层较为发育。1310工作面布置平面图如图1所示，以缩面位置处前后50 m的回采区域作为主要研究区域，以此来开展工作面缩面阶段冲击地压危险性模拟分析。

图1 1310工作面布置平面图Fig.1 Layout plan of 1310 working face

2 工作面缩面阶段冲击危险性模拟分析

2.1 缩面前工作面应力分析

不同推进步距工作面应力云图如图2所示。由图2可知，工作面推进步距越大，工作面应力集中范围及集中程度也相对增大，呈正相关关系，由于辅助轨顺的存在，应力集中区域被割裂成2处，应力峰值位置逐渐由工作面中部向轨顺方向移动。

图2 不同推进步距工作面应力云图Fig.2 Stress nephogram of working facewith different advancing steps

工作面推进5 m、25 m、45 m时的应力分布曲线如图3所示。由图3可知，工作面前方应力变化趋势与推进步距关系不大，均是先增后减，区别在于应力值的升高，应力集中峰值位置约处于工作面前方10 m处。在到达缩面位置前，应力峰值不断增大。随着工作面不断推进，应力增值并不是均匀变化的。工作面推进5 m时应力峰值约为32.58 MPa，推进25 m时应力峰值约为36.16 MPa，期间应力增量约为3.58 MPa；推进至45 m时应力峰值约为42.43 MPa，相较于推进25 m时应力增加了约6.27 MPa，增幅扩大了约1.75倍，由此可以证明越临近缩面点工作面的冲击危险程度相对越高。

图3 不同推进步距工作面应力分布曲线Fig.3 Stress distribution curve of working face with different advancing steps

2.2 缩面处工作面应力分析

缩面处应力云图如图4所示，工作面及煤柱应力分布曲线如图5所示。分析图4、5可知：①当工作面推进50 m到达缩面位置时，工作面前方的应力集中区域靠近辅助轨道顺槽一侧，应力峰值约43.41 MPa，距离轨顺内帮约12.5 m。受缩面影响，辅助轨顺外侧的煤柱内部也产生了应力集中，峰值位置距辅助轨顺外帮同样约12.5 m。煤柱区域应力峰值约41.06 MPa，稍小于工作面应力峰值，但形成的影响范围基本一致。②工作面推进至该阶段需进行撤架工作，顶板稳定性较差，而工作面及煤柱应力集中区域又离辅助轨顺较近，均集中在辅助顺槽10～30 m范围内，由此判断当工作面推进至缩面位置时，在两侧应力集中及撤架缩面等因素叠加影响下，辅助轨顺发生冲击灾害事故的可能性较大。

图4 工作面应力云图Fig.4 Stress nephogram of working face

图5 工作面及煤柱应力分布曲线Fig.5 Stress distribution curve of working face and coal pillar

2.3 缩面后工作面应力分析

缩面后不同推进步距工作面及遗留煤柱应力峰值变化曲线图如图6所示。由图6可知，当工作面到达缩面点沿新切眼继续推进后，工作面及遗留煤柱的应力峰值变化差距较大。工作面应力峰值相较于缩面前整体变化趋势较为平稳，未出现较大应力差，说明工作面的冲击危险程度有所降低。但缩面产生的遗留煤柱应力峰值却随着推进步距增加呈高速上升态势，50 m推进范围内增值约18.72 MPa，增值较大。两者分析结果表明，缩面后的冲击风险来源主要是遗留煤柱，在缩面开采的后期应对此开展重点防冲工作。

图6 不同推进步距工作面及遗留煤柱应力峰值变化曲线Fig.6 Peak stress variation of working face and residual coal pillar with different advancing steps

3 工作面缩面阶段冲击地压防治

3.1 应力监测

实时掌握工作面应力变化状态对冲击地压的预警起到至关重要的作用[10-11]。1310工作面缩面期间，在轨顺及辅助轨顺帮部布置多组测站，保证监测范围不小于300 m，测站间距最大保持在20 m。每个应力传感器的安装深度分别为8 m及14 m，两者间隔1～1.5 m，如图7所示。回采期间，若发生应力黄色预警或红色预警，应立即判定是否有冲击危险，并及时采取对应措施。

图7 应力在线系统布置示意Fig.7 Layout of stress on-line system

3.2 卸压方案

通过大直径钻孔对冲击危险区域进行卸压是目前煤矿常用且有效的一种手段[12]，但不同煤矿所适用的具体方案有所差别。缩面期间，1310工作面全部顺槽均利用大直径钻孔进行预卸压处理，钻孔布置层位为顺槽底板上部1.5 m左右，间距保持为2 m，平行于底板单排布置，钻孔直径为150 mm，深度应至少大于15 m，如图8所示。缩面期间，应力监测值基本稳定未出现超限情况，证明了方案的有效性。

图8 大直径钻孔布置示意Fig.8 Layout of large diameter boreholes

4 结论

(1)工作面缩面阶段应力集中范围并不是固定的，冲击灾害易发区域也并不相同。缩面前，越靠近缩面点工作面冲击风险越高；当推进至缩面点，冲击风险较高区域为辅助轨顺，这是由于其两侧应力叠加的后果；而在缩面完成后，工作面应力变化较小，此时冲击危险的主要来源是遗留煤柱，其应力峰值较大，发生冲击灾害的可能性较高。

(2)在模拟的基础上对1310工作面缩面阶段的防冲方案进行了设计，利用应力在线监测系统掌握工作面的实时应力，通过大直径钻孔实现高应力区域的压力释放。工作面在缩面阶段实现了安全生产，未发生冲击灾害事故，证明了防治方案的有效性，为类似工程条件的防冲工作起到了参考作用。