CG1306工作面過斷層回采時沖擊危險分析及防治

李 皎

(山東義能煤礦有限公司)

在我國煤礦開采過程中，由于特殊的地質(zhì)條件，經(jīng)常遇到斷層構(gòu)造，尤其是過斷層開采時會受到斷層擾動影響[1-4]，極易誘發(fā)沖擊地壓。長期以來,國內(nèi)外專家學(xué)者對斷層附近的采礦活動進(jìn)行了大量的研究[5-7]，包括煤礦沖擊地壓災(zāi)害防治技術(shù)體系以及控制理論[8-9]等。本文以山東義能煤礦CG1306工作面為研究背景，分析工作面過斷層時支承應(yīng)力演化規(guī)律及沖擊危險性，進(jìn)而提出相應(yīng)的防范措施，為類似條件下的沖擊地壓災(zāi)害分析與防治提供參考。

1 工程概況

山東義能煤礦CG1306工作面位于1采區(qū)，CG1306工作面東部為13皮帶上山，南部為DF25斷層，北部為井田沖刷區(qū)域，西部為DF31斷層。CG1306工作面主采煤層為3#煤層，平均厚3.7 m，埋深為750 m，煤層傾角平均為3°；工作面寬度為130 m，走向推進(jìn)長度為1 312 m，面積為170 560 m2。該工作面內(nèi)距停采線25 m處有一傾角70°、落差0～3 m的斷層，與回采工作面斜交，方向與工作面推進(jìn)方向基本相同，斷層走向長度為30 m。另外，皮帶順槽外側(cè)斷層較多，隨著順槽與斷層距離的減小，斷層位置附近應(yīng)力增大，受采動影響逐漸增強(qiáng)，很有可能發(fā)生構(gòu)造型沖擊地壓。工作面布置見圖1。

2 模型建立

為了全面、系統(tǒng)地反映CG1306工作面過斷層開采時巷道及采場圍巖的力學(xué)變化過程，以CG1306工作面地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件為背景，建立FLAC3D三維計算模型(圖2)。

圖1 CG1306工作面布置

圖2 回采區(qū)域內(nèi)斷層模型

模型尺寸為240 m×180 m×70 m(長×寬×高)，本構(gòu)模型采用莫爾-庫侖模型，模型頂部為自由邊界，施加18.75 MPa均布載荷，底部垂直方向及左右兩側(cè)采用位移限定邊界。模型中煤巖層的力學(xué)參數(shù)根據(jù)該礦現(xiàn)場實際巖石力學(xué)特性和物理力學(xué)特性確定，見表1。工作面沿x軸方向回采，并在170～200 m范圍內(nèi)布置傾角70°、落差2 m、走向長度30 m 的走向逆斷層?？紤]邊界效應(yīng)的影響，邊界處各留設(shè)20～30 m寬的煤柱，軌道順槽和皮帶順槽尺寸為3.8 m×3.0 m。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 工作面支承應(yīng)力演化與沖擊危險分析

通過研究工作面回采過斷層時前方支承應(yīng)力分布，分析斷層對工作面沖擊地壓的影響。圖3和圖4為工作面推進(jìn)15 m時(即推進(jìn)到斷層走向長度的一半)，工作面前方應(yīng)力分布云圖和曲線圖。

圖3 工作面過走向斷層時前方應(yīng)力分布云圖

圖4 工作面過走向斷層時前方應(yīng)力分布曲線

由圖3可知，在工作面過斷層期間，上下盤工作面超前支承應(yīng)力分布差異顯著。斷層上盤工作面應(yīng)力集中程度大，工作面受斷層影響區(qū)域廣。由圖4可知，在斷層上盤靠近斷層10 m處形成約60 MPa的應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)3.2，沖擊危險性高，這是斷層本身的構(gòu)造應(yīng)力與工作面超前支承壓力相互疊加，使斷層附近的支承壓力增高的結(jié)果。隨著與斷層距離的增大，應(yīng)力值逐漸減小，且遠(yuǎn)小于斷層附近應(yīng)力值，主要由于未受到斷層影響的區(qū)域，只受到采動作用的影響。下盤工作面靠近斷層處超前支承應(yīng)力峰值較小，隨著與斷層的距離增大，應(yīng)力集中峰值增加，在皮帶順槽處達(dá)到峰值，應(yīng)加強(qiáng)皮帶順槽的安全技術(shù)防范措施。

工作面過斷層時，斷層對工作面應(yīng)力集中產(chǎn)生了影響，工作面前方應(yīng)力集中值比無斷層時大了近30 MPa。當(dāng)疊加應(yīng)力超過沖擊的臨界應(yīng)力時，沖擊地壓發(fā)生的可能性增加，且斷層處巖層的不連續(xù)性會導(dǎo)致斷層周圍巖體的不穩(wěn)定性。在高應(yīng)力作用下，斷層比完整巖層先行運(yùn)動，使得斷層產(chǎn)生活化，引發(fā)構(gòu)造型沖擊地壓。

3.2 順槽支承應(yīng)力分布及危險性分析

根據(jù)工作面開采設(shè)計，皮帶順槽靠近斷層，受斷層影響較大。由圖4可知，皮帶順槽與軌道順槽應(yīng)力集中峰值分別為40，30 MPa。皮帶順槽圍巖應(yīng)力大于軌道順槽，有很高的沖擊危險性，要特別注意皮帶順槽的巷道維護(hù)，防止發(fā)生沖擊地壓。

綜上所述，工作面過斷層時尤其是靠近斷層的皮帶順槽，沖擊危險性大，應(yīng)減小鉆屑檢測孔間距，及時測試煤粉量，一旦有煤粉量超標(biāo)現(xiàn)象，及時采取卸壓措施，降低發(fā)生沖擊地壓的可能。

4 工作面沖擊地壓監(jiān)測與控制措施

4.1 監(jiān)測方案

CG1306工作面回采時，主要采用鉆屑法監(jiān)測工作面超前應(yīng)力。根據(jù)監(jiān)測頻率要求，在順槽兩幫增設(shè)監(jiān)測鉆孔，對超前煤壁150 m范圍內(nèi)進(jìn)行沖擊地壓監(jiān)測，重點(diǎn)監(jiān)測工作面煤壁前方75 m范圍內(nèi)的區(qū)域以及斷層附近的皮帶順槽?；夭善陂g，一般沖擊危險區(qū)域每天監(jiān)測一次，每次不少于3個鉆孔；在中等、強(qiáng)沖擊危險區(qū)域，工作面初次來壓、周期來壓，過斷層，過地質(zhì)構(gòu)造，應(yīng)加大監(jiān)測頻次，每班監(jiān)測一次，每次不少于2個鉆孔；在遇到斷層等構(gòu)造區(qū)域時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況在斷層前后50 m范圍的區(qū)域，上、下順槽均進(jìn)行鉆屑法監(jiān)測。

4.2 防治方案

CG1306工作面回采期間，沖擊地壓解危施工主要采用大直徑鉆孔卸壓方法。

4.2.1 施工方法

采用氣動架柱式鉆機(jī)施工卸壓鉆孔，打卸壓孔之前，先進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，以查清支承壓力帶的范圍、狀態(tài)和危險程度。從低應(yīng)力區(qū)開始施工卸壓孔，且要由低應(yīng)力區(qū)向高應(yīng)力區(qū)鉆進(jìn)。

鉆屑法監(jiān)測超標(biāo)時，在鉆屑孔前后5 m范圍內(nèi)打卸壓孔；應(yīng)力在線監(jiān)測點(diǎn)超標(biāo)時，在該測點(diǎn)前后15 m范圍內(nèi)打卸壓孔。

4.2.2 煤幫鉆孔布置

卸壓鉆孔直徑為150 mm，鉆孔布置在采高的中部，孔深應(yīng)達(dá)到高應(yīng)力集中區(qū)，回采工作面孔深一般不小于3.5倍的采高，卸壓孔孔深為20 m，間距為5 m，距底板1.2 m。

4.2.3 效果檢查

卸壓孔打完后，利用鉆屑法進(jìn)行效果檢驗，檢驗煤粉孔布置在2個卸壓孔之間，距卸壓孔不小于2 m，深度為10 m，方向平行于卸壓孔。若指標(biāo)仍然超限，要增加卸壓孔個數(shù)或采取其他解危措施。若需要補(bǔ)打卸壓鉆孔，鉆孔間距定為2～3 m，補(bǔ)打卸壓鉆孔布置見圖5。

圖5 CG1306工作面補(bǔ)打卸壓鉆孔布置

5 結(jié) 論

(1)CG1306工作面在過斷層時期，斷層上下盤工作面超前支承應(yīng)力峰值演化成反比?？拷鼣鄬犹幧媳P工作面超前支承應(yīng)力峰值逐漸增大，下盤逐漸減小。當(dāng)工作面回采過斷層時，要提前做好防護(hù)措施，防止沖擊地壓災(zāi)害。

(2)皮帶順槽較軌道順槽受斷層影響大，在工作面過斷層期間，應(yīng)力集中大于軌道順槽。采用鉆屑法監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)煤粉量超標(biāo)，及時采用大直徑鉆孔卸壓，直到煤粉量正常，方可繼續(xù)回采。

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