地堑构造区综放工作面开采诱冲机理及防治技术

肖自义，丁希阳，左常清，韩传磊，王士朋

(1.国家矿山安全监察局山东局，山东省济宁市，273500；2.汶上义桥煤矿有限责任公司，山东省济宁市，272500)

冲击地压是煤炭开采过程中出现的一种严重的动力灾害。随着我国煤矿开采深度和开采强度的逐年加大，冲击地压灾害的发生频次、强度及破坏程度呈上升趋势，冲击地压已经成为我国深部煤矿开采所面临的重大安全问题[1-2]。

地堑构造是由断层形成的一种特殊地质结构，为两侧被高角度断层围限、中间下降的槽形断块构造。研究表明，冲击地压的空间分布明显受控于区域内大的断裂构造，当采掘工作面临近断层时，工作面或巷道发生冲击地压的概率将明显增加，且与一般冲击地压相比，断层冲击地压破坏性更强、影响范围更大[3-4]。为揭示断层构造诱发冲击地压机理，国内外众多学者开展了大量的研究工作。潘一山等[5]开展了断层冲击地压理论试验与研究，初步揭示了采动诱发断层活化机制；姜耀东等[6]研究了“两硬”条件正断层影响下的冲击地压发生规律；姜福兴等[7]从微震监测角度探究了硬岩断裂型矿震诱发冲击机制。

多数学者对断层冲击地压的研究是针对单一断层展开的，而实际矿山开采过程中断层构造往往并不是单一存在的，多条断层组合形成的阶梯状断层带、地堑和地垒等地质构造在矿山开采中较为常见[8-9]。目前，对这类地质构造区域开采冲击地压发生机制的研究相对较少。因此，笔者以义桥煤矿地堑构造区3307工作面为工程背景，运用数值模拟和现场微震监测的方法分析工作面开采应力场分布及断层活化规律，揭示地堑构造区综放工作面开采诱冲机理，并针对性提出工作面冲击地压防治技术，确保工作面安全高效生产，同时为类似地质条件下冲击地压防治提供参考。

1 工程背景

3307工作面是义桥煤矿三采区第3个综放工作面，整体埋深为390～760 m。工作面四周被断层切割形成地堑，北侧为SF21断层(∠60°H，落差33 m)，南侧为SF6(∠60°H，落差40 m)，西侧为YF7断层(∠70°H，落差>600 m)，东侧为三采区集中巷，3307工作面位置剖面如图1所示。

图1 3307工作面位置剖面

工作面开采3号煤层，煤层平均厚度4.1 m，平均倾角13°，普氏硬度1.48，采用综放开采工艺一次采全高。煤层顶底板岩层情况见表1。

表1 煤层顶底板岩层情况表

经煤岩层冲击倾向性鉴定试验，3号煤层动态破坏时间平均值为161 ms，冲击能量指数平均值为1.38，弹性能量指数平均值为2.28，单轴抗压强度平均值为14.47 MPa，综合判定3号煤层具有弱冲击倾向性；3号煤层顶板岩层弯曲能量指数为272.23 kJ，判定顶板岩层具有强冲击倾向性。

2 地堑区综放工作面开采诱冲机理模拟研究

2.1 三维数值模型建立

依据3307工作面工程地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件[10]，构建地堑构造区三维数计算模型，如图2所示。模型4个侧面为水平位移约束，底面为竖向位移约束，顶面为载荷边界，煤层埋深按照500 m计算，重力加速度10 m/s2，模型上边界施加13.5 MPa的垂直应力。

图2 三维数值计算模型

在该数值模型中，工作面开切眼长度为200 m，两侧巷道为4 000 mm×3 000 mm(宽×高)，同时在断层上下盘之间添加接触面模拟断层带，两侧断层与工作面的水平距离均简化为60 m(实际距离约在20～80 m范围内)，断层倾角60°。模型中未考虑煤岩层倾角变化。岩层性质等参数和断层面力学参数取值见表2和表3。

表2 断层物理力学参数

表3 煤岩体物理力学参数

2.2 数值模拟方案及内容

模型采用摩尔库伦破坏准则，每推进5 m平衡一次(以y=0为起始点，沿y方向进行推进)，并获取每一推进步距下y=35 m监测断面上各监测点(监测点分别位于巷道围岩、工作面内煤体以及断层带上)的应力参量。各监测点分布如图3所示。

图3 断面上各监测点分布

为了便于直观分析本工作面回采过程中的冲击危险性，同时建立了无断层开采及靠近断层开采(工作面距离SF21断层20 m)的2种数值模型，对比分析3种开采工况不同推进步距下的巷道围岩应力分布规律及断层带上应力变化情况。

2.3 地堑区开采围岩应力分布规律

以y=35 m断面为例，给出了开挖35 m条件下正常开采(距断层60 m)、靠近断层开采(距断层20 m)和无断层开采3种工况巷道围岩垂直应力分布规律。

同工况下巷道围岩垂直应力云图如图4所示，不同工况巷道顶板垂直应力(测点T2)变化如图5所示。

图4 不同工况下巷道围岩垂直应力云图

图5 不同工况巷道顶板垂直应力(测点T2)变化

由图4和图5可以得出以下结论：

(1)相比无断层开采条件，工作面距离断层60 m和20 m两种工况下巷道顶板垂直应力明显增加，测点T2处垂直应力分别增加了100%和150%，且距离断层越近，顶板围岩垂直应力越大，且高应力范围分布也越广；

(2)工作面靠近断层时，采动应力与断层构造应力将产生叠加，容易引起断层滑移、偏转等，诱发冲击事故。

2.4 地堑区开采断层诱冲机制

为分析工作面回采过程中两侧断层面附近应力变化特征，以测点F1为例分析应力值变化情况。不同工况下断层面F1测点垂直应力值变化如图6所示。

图6 不同工况下断层面F1测点垂直应力值

由图6分析可得：随着推进步距增加，工作面开采范围不断增大，断层带上测点垂直应力呈现增加的趋势，且工作面距离断层越近，测点垂直应力增加速率越高。受地堑区断层构造应力和工作面采动应力叠加影响，靠近断层开采时更易造成煤体承载力降低、断层带剪应力增大，一旦超过断层剪切强度，极易诱发断层滑移错动，导致冲击事故的发生。

3 工作面冲击地压综合防治技术体系

根据上述分析可知，受断层形成的地堑构造影响，3307工作面采掘期间具有一定的冲击地压风险，特别是工作面距离巷道较近的区域冲击危险较高。基于此，3307工作面回采期间采用超前危险区预测-大直径钻孔强卸压-多源信息监测预警于一体的冲击地压综合防治技术体系[11]，确保了3307工作面安全生产。

3.1 冲击地压危险等级及危险区超前预测

鉴于3307工作面布置于地堑构造区，受埋深、断层、顶板强冲击倾向等影响，工作面回采期间发生冲击地压的风险较高。采用综合指数法[12]对3307工作面冲击地压危险等级进行了评定，考虑工作面地质因素和开采技术因素，综合评定3307工作面具有中等冲击地压危险性，冲击地压危险指数Wt为0.57。

考虑3307工作面所处的特殊地质构造影响，将3307工作面所有巷道均划分为中等冲击地压危险区。

3.2 大直径钻孔强卸压

3.2.1 掘进期间

工作面巷道掘进期间，对预先圈定的中等冲击危险区域掘进头和巷道两帮实施大直径钻孔预卸压处理。在巷道掘进头布置1个钻孔，孔径150 mm，孔深20 m，布置在巷道断面的中部；巷道两帮钻孔直径150 mm，孔深15 m，单排布置，钻孔间距2 m，垂直于巷帮布置，钻孔开口位置距煤层底板0.5～1.5 m。

3.2.2 回采期间

工作面回采期间两巷道超前300 m范围内，在掘进期间施工预卸压钻孔的基础上，在两帮错开施工预卸压钻孔，钻孔间距不大于2.0 m，直径150 mm，孔深20 m。同时对于该区域内塌孔的预卸压钻孔实施了复孔或补打措施。

3.3 多源信息监测预警

3307工作面回采期间采用微震监测+地震波CT探测+钻屑法检测+应力在线监测构建了工作面区域与局部结合的多源信息监测预警体系，如图7所示。

SOS高精度微震系统对3307工作面实施区域监测，实时监测工作面范围内及周边区域的震动事件。应力在线监测和钻屑法为局部监测，其中应力监测可实现实时监测和在线传输，监测范围为掘进工作面后方200 m和回采工作面超前300 m；钻屑法通常为间隔监测，监测范围为掘进工作面后方60 m和回采工作面超前100 m。支架工作阻力监测作为辅助监测手段，用以分析工作面矿压显现规律，进而指导防冲措施的实施。

图7 工作面多源信息监测预警体系

微震监测、应力在线监测和钻屑法监测为3307工作面冲击危险的日常监测手段。在此基础上，再定期采用地震波CT反演探测工作面潜在的危险区，3307工作面CT探测危险区示意如图8所示。对探测出的危险区采取如下措施，强化冲击地压危险治理效果：

(1)加密实施大直径钻孔，卸压钻孔与巷帮垂直，与原卸压钻孔呈“三花”布置，两排卸压钻孔垂直间距0.5 m，孔径150 mm，钻孔间距1.5 m，孔深20 m；

(2)强化该区域超前支护强度，确保超前支护质量；

(3)强化限员管理，工作面生产期间该区域严禁通行。

图8 3307工作面CT探测危险区示意

4 工作面冲击地压治理效果验证

3307工作面从2019年11月开始回采，至2021年5月工作面已安全回采完毕。根据现场监测数据及记录，采用超前危险区预测-大直径钻孔强卸压-多源信息监测预警于一体的冲击地压综合防治技术后，3307工作面生产过程中未出现强矿压显现及冲击地压事件。

3307工作面微震活动规律分析(部分)如图9所示。由图9可知，在工作面生产期间，微震活动始终较平缓，微震事件数波动较大，但微震总能量一直处于较低水平(<1.0×104J)，仅在工作面回采过断层期间出现2个大能量事件，但微震能量未超过1.5×104J，并进行了及时处理，保障了工作面的安全高效开采。

图9 3307工作面微震活动规律分析(部分)

5 结语

(1)根据义桥煤矿3307工作面工程地质条件，应用FLAC3D数值模拟软件，构建了地堑构造区三维数计算模型，模拟研究表明：受地堑区断层构造应力和工作面采动应力叠加影响，靠近断层开采时更易造成煤体承载力降低、断层带剪应力增大，超过断层剪切强度诱发断层滑移错动，进而极易诱导冲击地压发生。

(2)针对3307工作面复杂的工程地质条件，构建了工作面“超前危险区预测-大直径钻孔强卸压-多源信息监测预警”于一体的冲击地压综合防治技术体系。

(3)现场试验结果显示，3307工作面生产期间，微震活动始终较平缓，微震总能量一直处于较低的水平(1.0×104J)，表明该技术体系可以有效预防与消除工作面存在的冲击地压危险，保证了工作面的安全高效生产，为类似工作面开采提供了重要参考。