綜放采場(chǎng)沿空區(qū)段巷道底板沖擊地壓防治及工程實(shí)踐

高曉彬

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

0 引 言

從我國(guó)能源的生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)看，在未來(lái)數(shù)十年內(nèi)，煤炭作為我國(guó)的主導(dǎo)能源不可替代。然而，數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)煤礦平均開(kāi)采深度正在以每年8-12m的速度增加[1]。隨著淺部資源逐漸消耗殆盡，深部開(kāi)采勢(shì)在必行。深部煤層具有賦存復(fù)雜、承壓大、構(gòu)造活躍等問(wèn)題，動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生頻繁，嚴(yán)重程度加劇。其中，沖擊地壓?jiǎn)栴}尤為突出。

在中國(guó)學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)內(nèi)檢索2001-2017年17年間的沖擊地壓相關(guān)文獻(xiàn)，共檢索論文533篇，涉及礦井121個(gè)，發(fā)生在回采工作面、掘進(jìn)巷道和回采巷道的沖擊地壓數(shù)量分別為16個(gè)、48個(gè)和57個(gè)，巷道沖擊地壓約占87%的比例。由此可見(jiàn)，近年來(lái)絕大多數(shù)沖擊地壓災(zāi)害都發(fā)生在巷道中，因此治理巷道底板沖擊地壓的發(fā)生，對(duì)有效防治沖擊地壓意義重大。

1 沖擊地壓影響因素分析

煤巖體開(kāi)挖后，應(yīng)力平衡瞬間被破壞，沖擊地壓便是煤巖體應(yīng)力失衡后發(fā)生猛烈破壞的一種動(dòng)力現(xiàn)象，其誘發(fā)因素既有煤巖體本身的力學(xué)性質(zhì)影響，又有外力影響。

1.1 開(kāi)采深度

巖體在三軸應(yīng)力狀態(tài)下，其內(nèi)部集聚有大量彈性能，根據(jù)能量守恒，沖擊地壓發(fā)生時(shí)，變形彈性能將全部對(duì)煤巖體做功使其產(chǎn)生破壞和運(yùn)動(dòng)。由此推導(dǎo)出沖擊地壓發(fā)生的臨界深度：

式中：Rc為煤巖體的單向抗壓強(qiáng)度；γ為容重；調(diào)整系數(shù)，λ為側(cè)壓系數(shù)。

從式（1）可以看出，沖擊地壓臨界深度H與煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度Rc、容重γ以及側(cè)壓系數(shù)λ有關(guān)，不同礦井沖擊地壓發(fā)生的臨界深度不同。開(kāi)采深度越大，沖擊地壓發(fā)生的可能性越大，發(fā)生次數(shù)越頻繁。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生在構(gòu)造帶（主要指斷層、褶皺、相變）附近的沖擊地壓占所有沖擊地壓發(fā)生次數(shù)的70%以上[2]。

因構(gòu)造帶附近水平應(yīng)力較高，側(cè)壓系數(shù)增大，從上式（1）可以看出，側(cè)壓系數(shù)λ越大H越小，構(gòu)造帶減小了沖擊地壓發(fā)生的臨界深度，增加了沖擊地壓發(fā)生的可能性。

1.3 采煤方法

采煤方法對(duì)沖擊地壓的影響主要表現(xiàn)在支承壓力分布的影響范圍上。如圖1所示，與單一煤層開(kāi)采相比，綜放開(kāi)采一方面使超前支承壓力的分布范圍增大，應(yīng)力峰值降低，增大了壓力分布范圍，有利于防止沖擊地壓；另一方面，裂隙區(qū)的增大改變了煤體的力學(xué)性質(zhì)，使得煤體內(nèi)的彈性能在釋放時(shí)得以消耗和緩沖，在一定程度上降低了沖擊危險(xiǎn)性。

圖1 綜放與單一煤層開(kāi)采支承壓力分布對(duì)比

1.4 巷道布置

巷道布置對(duì)沖擊地壓的影響主要在于是否人為造成應(yīng)力的集中或疊加，要避免形成“孤島”或“半島”的現(xiàn)象，引起應(yīng)力集中。

2 沖擊地壓防治措施

目前，我國(guó)煤礦防治沖擊地壓的方法主要有局部主動(dòng)解危方法和區(qū)域性防范方法[3][4]，其中前者包括斷頂、斷底爆破、底板開(kāi)槽卸壓等，后者包括優(yōu)化巷道布置、開(kāi)采保護(hù)層等。

1）局部主動(dòng)解危方法。深孔斷頂卸可以造成厚層堅(jiān)硬頂板的預(yù)先斷裂，削弱厚層頂板的連續(xù)性，減小壓力集中，以減弱或消除沖擊地壓危害。

2）區(qū)域性防范方法。采用采礦優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能夠從源頭上消除或減小應(yīng)力集中程度，降低沖擊危險(xiǎn)。如利用上區(qū)段采空區(qū)頂?shù)装鍓毫︶尫诺膬?yōu)點(diǎn)，將下區(qū)段回風(fēng)巷布置于卸壓位置，有沿空留巷、錯(cuò)位布置等。

3 工程實(shí)踐

某礦采用斜井多水平開(kāi)拓方式，礦井采用分組開(kāi)采方式，4#、6#煤層為一組，平均傾角為33°，6#煤作為保護(hù)層開(kāi)采，已開(kāi)采至-1010m。4#煤層平均厚度為6.4m，曾多次發(fā)生沖擊地壓。1412工作面采用綜采放頂煤方法開(kāi)采，本次工程實(shí)踐為1412工作面區(qū)段回風(fēng)巷的防沖設(shè)計(jì)。

3.1 沿空巷道底板防沖設(shè)計(jì)

根據(jù)2-3節(jié)分析，本次實(shí)踐擬采用優(yōu)化巷道布置的思路來(lái)完成1412工作面區(qū)段回風(fēng)巷的防沖設(shè)計(jì)。

1）方案一。方案一考慮把沿空巷道布置在上工作面運(yùn)輸巷正下方，即無(wú)煤柱布置方式，同時(shí)減少了資源浪費(fèi)，具體布置方式見(jiàn)圖2。

圖2 方案一沿空巷道布置圖

2）方案二。因采深較大，僅靠解放6#煤不能完全消除沖擊地壓發(fā)生的可能性，方案二考慮尋找“假解放層”，將1412回風(fēng)巷向1411采空區(qū)下方內(nèi)錯(cuò)布置，具體布置方式見(jiàn)圖3。

圖3 方案二沿空巷道布置圖

3.2 數(shù)值模擬

根據(jù)該礦地質(zhì)資料，利用FlAC3D數(shù)值模擬考察兩種方案下1412回風(fēng)巷的變形情況、應(yīng)力云及塑性區(qū)分布。

1）兩種方案圍巖應(yīng)力分布考察。

圖4 兩種方案下開(kāi)巷道圍巖應(yīng)力云分布圖

由圖4對(duì)比可以看出，方案一1412回風(fēng)巷圍巖承壓較大，在支護(hù)完整的情況下，必然造成底板壓力集聚，進(jìn)而引起沖擊地壓。方案二1412回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力整體偏低，圍巖承壓分布均勻，有利于防止沖擊地壓。

2）兩種巷道圍巖塑性區(qū)考察。

由圖5可見(jiàn)，巷道開(kāi)挖后，巷道周?chē)鷩鷰r表現(xiàn)不同程度的破壞，方案二的塑形破壞區(qū)遠(yuǎn)比方案1的大，也就表明圍巖對(duì)沖擊的緩沖能力較強(qiáng)，這對(duì)于防止沖擊地壓是極其有利的。

3）兩種方案下超前支承壓力考察。

由圖6對(duì)比可以看出，方案二工作面前方最大支承壓力較小，有利于巷道維護(hù)。

圖6 兩種方案超前支承壓力分布圖

4）兩種方案最大底鼓量考察。

圖7 兩種方案工作面后方50m處最大底鼓量對(duì)比

由圖7對(duì)比可以看出，兩種開(kāi)采方式下頂?shù)装逦灰屏烤鄬?duì)較小，但方案二后期底鼓量增加較少，有利于巷道維護(hù)。

4 結(jié) 論

1）沖擊地壓臨界深度與煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度、容重以及側(cè)壓系數(shù)有關(guān)，不同礦井沖擊地壓發(fā)生的臨界深度不同。開(kāi)采深度越大，沖擊地壓發(fā)生的可能性越大，發(fā)生次數(shù)越頻繁。

2）在開(kāi)采有沖擊危險(xiǎn)性的煤層時(shí)，應(yīng)做好前期的地質(zhì)探查工作，盡量避免巷道布置于較大的構(gòu)造帶內(nèi)。合理布置工作面，合理選擇采煤方法可在一定程度上規(guī)避沖擊危險(xiǎn)性。

3）巷道優(yōu)化布置對(duì)于工作面超前支承壓力峰值大小、位置影響較大。合理的巷道布置，對(duì)于分散支承壓力、緩沖圍巖應(yīng)力效果比較明顯，應(yīng)力分布相對(duì)均衡。

4）防沖巷道布置方案下，底鼓量均較小，有利于巷道的維護(hù)。