工作面沖擊危險區(qū)域的多因素耦合劃分

黃河

【摘? 要】論文以撫順泰和煤炭開發(fā)有限公司泰和煤礦一層煤為研究對象，結(jié)合構(gòu)造、煤柱尺寸、底煤厚度、回采特殊時期、切眼及停采線，確定工作面發(fā)生沖擊地壓的危險區(qū)域，并以此為基礎(chǔ)進行設(shè)計，最終實現(xiàn)正常采掘作業(yè)。

【Abstract】This paper takes the first layer coal of Taihe Coal Mine of Fushun Taihe Coal Development Company Limited as the research object， combines the structure， coal pillar size， bottom coal thickness， special mining period， cutting hole and stoping line to determine the dangerous area of rock burst on the working face， and designs on this basis to finally realize normal mining operation.

【關(guān)鍵詞】沖擊地壓;多因素耦合;區(qū)域預(yù)測

【Keywords】rock burst; multi factor coupling; regional prediction

【中圖分類號】TD324? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2022）01-0185-03

1 概況

1.1 礦井概況

泰和煤礦井田位于撫順煤田的東部，原龍鳳井田的北部，地理坐標為東經(jīng)：123°58′23″～123°59′09″，北緯：41°51′27′～41°51′59′。走向平均長度1.845 km，南北寬1.567 km，井田面積1.644 6 km2。礦井核定生產(chǎn)能力90萬噸/年，2017年生產(chǎn)煤炭76.9萬噸，截至2017年底剩余可采儲量792萬噸。

1.2 煤層概況

本層煤采用斜井開拓方式，現(xiàn)有4條斜井布置在井田中央，井筒凈斷面均為14.56 m2，共分為西部和東部兩個采區(qū)，西部采區(qū)現(xiàn)回采第十三綜放工作面，第十五、十七、十八工作面為后備面;東部采區(qū)現(xiàn)回采第三工作面，回采工作面采用炮采放頂煤、整體懸移支架支護、采空區(qū)自然垮落回采工藝。泰和煤礦工作面采掘平面圖如圖1所示。

1.3 煤層賦存情況

礦區(qū)內(nèi)含煤地層主要為古城子組，該組含特厚煤層即稱為一層煤或本層煤，是煤礦開采的主要煤層，該煤層分為三、四、五、六4個分層，煤層頂板為一層煤的老頂油母頁巖，全層發(fā)育一般為褐色，層狀構(gòu)造，參差狀斷口，具油脂感，性脆易碎，風化后呈片狀，含有完整的動植物化石，層厚90～120 m。

1.4 煤層頂?shù)装迩闆r

可采主煤層由煤層及頁巖、砂巖夾石層構(gòu)成，堅固性系數(shù)最小為1.0，最大為2.0，一般為1.2～1.5，屬中硬煤（巖）層，頂板是油頁巖，堅固系數(shù)為2.0，亦屬中硬巖層，一般成塊狀結(jié)構(gòu)，整體性較差。底板是頁巖，其下為凝灰?guī)r和玄武巖層，堅固性系數(shù)為3.7～6.7，一般為5.2，屬堅硬巖層，其凝灰?guī)r具有遇水松軟、膨脹的特征。

1.5 地質(zhì)構(gòu)造

本層煤地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，由于受原始大地構(gòu)造喜馬拉雅造山運動的影響，在近南北方向擠壓力作用下，煤巖層原始狀態(tài)發(fā)生了形變，遭到破壞，并產(chǎn)生了較大型的褶皺與斷裂構(gòu)造。

1.5.1 褶曲

東部采區(qū)：本區(qū)域煤層賦存狀態(tài)變化比較大，由南向北為一連續(xù)的緩波狀向背斜褶曲，并逐漸向北越過F1斷層，煤層抬起傾角變大，截止于F14號斷層上盤。向背斜褶曲軸線呈緩波狀，貫穿于本區(qū)東西，并由東西兩側(cè)向南偏移，呈弧形掃帚狀排列，兩端收斂，東部撒開。軸線走向方向一般在N70°～80°W或N65°～85°E變化，軸部平緩，煤層傾向NE或SE，傾角12°～35°。位于本區(qū)西部向斜褶曲構(gòu)造內(nèi)的南北緩背斜褶曲，由F23號斷層下盤向北傾狀，并逐漸消失于向斜北翼所代替。西翼煤層傾角：14°～18°，東翼煤層傾角：9°～17°。由于成煤基底凹凸不平，加之后期改造在兩次大的構(gòu)造運動擠壓力作用下，煤層中的小型褶曲比較發(fā)育，造成本區(qū)煤巖層產(chǎn)狀變化較大，規(guī)律性不強，煤層厚度由南向北逐步變薄，由東向西增厚。

西部采區(qū)：本區(qū)煤層賦存狀態(tài)變化比較大，由南向北為一連續(xù)的緩波狀向背斜褶曲，并逐漸向北越過F11、F3、F2斷層，煤層抬起向南傾斜傾角變大，一般在10°～65°變化并截止于F18、F13號斷層。向背斜褶曲軸線呈緩波狀，貫穿于本區(qū)東西，并由東西兩側(cè)向南偏移，呈弧形分布，東西撒開，中間收斂。軸線走向方向一般在N45°E，N80°W，呈波狀分布，向西傾伏角為12°～21°，向東傾伏2°～8°，軸部平緩，煤層傾向NW、NE或SE，傾角7°～65°。由于成煤基底凹凸不平，加之后期改造在兩次大的構(gòu)造運動擠壓力作用下，煤層中的小型褶曲比較發(fā)育，并造成本區(qū)煤巖層產(chǎn)狀變化較大，規(guī)律性不強，煤層厚度由南向北逐漸變薄，由東向西增厚。

1.5.2 斷層

東部采區(qū)：本區(qū)在近南北方向擠壓力的作用下，產(chǎn)生了F14、F24、F15、F23及F1、F9較大型斷裂構(gòu)造，其中F14、F23為本區(qū)南北邊界斷層，由于這些斷裂構(gòu)造的破壞和影響，并派生數(shù)條較小的斷層及近東西向，向背斜褶曲。大多數(shù)斷層為北西向斷層，近相間平行斜列，大多數(shù)斜交斷層被走向斷層切割。區(qū)內(nèi)大多數(shù)斷層為NW向斷層，傾向NE，少部分斷層為NE向斷層，傾向SE。

由于這些斷層的存在，從而促使煤層發(fā)生了不同程度的破壞，并將煤層切割數(shù)段。主要影響采區(qū)設(shè)計及回采的主要斷層為：F24、F7、F12、F4、F2、F1、F11、F9號斷層。這幾條斷層在走向、傾向、傾角、斷層落差上變化較大，多數(shù)斷層及煤層賦存狀態(tài)向本區(qū)東部擴展，但控制程度不夠、依據(jù)不足，只有F24號斷層由勘探鉆孔70-1號控制，其他斷層根據(jù)-530 m、-570 m水平原龍鳳礦掘進的東大巷實踐或推測判斷而確定。

西部采區(qū)：本區(qū)在近南北方向擠壓力的作用下，產(chǎn)生了F18、F13、F24、F23及F3、F8、F9較大型斷裂構(gòu)造，其中F18、F13為本區(qū)北部邊界斷層。由于這些斷裂構(gòu)造的破壞和影響，并派生數(shù)條較小的斷層及近東西向和南西向，向背斜褶曲。由于后期改造在近東西方向擠壓力作用下，從而促使斷裂構(gòu)造更加復(fù)雜，大多數(shù)斷層為北西向斷層。同時本區(qū)向背斜褶曲變化復(fù)雜，西部褶曲逐漸向中部抬起而尖滅，東部褶曲由東向西傾伏并逐漸向南西方向發(fā)展截止于F23號斷層及F16斷層。

由于這些斷層的存在，從而促使煤層發(fā)生了不同程度的破壞，并將煤層切割數(shù)段。主要影響采區(qū)設(shè)計及回采的主要斷層為：F23、F3、F4、F8、F9、F10、F5、F23、F29、F31等斷層。這幾條斷層在走向、傾向、傾角、斷層落差上變化較大，并派生數(shù)條較小的斜交或近平行的斷層，也將給二幅回采帶來不利的因素。

2 沖擊危險區(qū)域的多因素耦合劃分

2.1 多因素耦合分析法

為了更加準確地指導沖擊地壓危險預(yù)測、監(jiān)測和防治工作，需對未采區(qū)域進行不同沖擊地壓危險評價，劃分危險區(qū)域。

2.2 煤層沖擊危險因素

根據(jù)實踐和相關(guān)研究，分析沖擊區(qū)域的壓力分布狀態(tài)及其值的高低，對防治沖擊地壓具有重要作用。多數(shù)情況下，巷道和采面圍巖的應(yīng)力越高越集中，該區(qū)域越容易積聚大量的彈性能，更容易引發(fā)沖擊地壓。

2.2.1 煤柱尺寸

煤柱是產(chǎn)生應(yīng)力集中的地點，孤島形和半島形煤柱可能受幾個方向集中應(yīng)力的疊加作用，使得煤柱附近煤體應(yīng)力集中程度大，因而在煤柱附近最易發(fā)生沖擊地壓。區(qū)段煤柱留設(shè)尺寸影響煤柱及巷道圍巖的應(yīng)力分布。

在沖擊危險性評價與預(yù)測過程中，應(yīng)重點考慮大巷保護煤柱、采區(qū)巷道保護煤柱及回采巷道保護煤柱對沖擊危險程度的影響。

2.2.2 底煤厚度

泰和煤礦煤層巷道布置不留設(shè)底煤，大大降低了底煤留設(shè)造成的沖擊地壓危險性。但在斷層區(qū)域，會留有部分底煤，因此實際生產(chǎn)過程中應(yīng)針對留底煤區(qū)域采取底板卸壓措施。

2.2.3 回采特殊時期劃分

第一，工作面老頂初次來壓與周期來壓;第二，工作面覆巖“見方”垮落;第三，工作面過斷層及褶曲軸部期間。

2.2.4 切眼及停采線位置

切眼及停采線位置對于初、末采期間沖擊危險影響顯著，受工作面停采線及后期鄰近工作面停采線的影響，應(yīng)力集中程度高，應(yīng)加強停采線附近的監(jiān)測，對該區(qū)域應(yīng)采取措施，防治沖擊地壓的發(fā)生。此外，護巷煤柱段應(yīng)為沖擊危險重點防范區(qū)域。

2.3 工作面開采分析

分析沖擊區(qū)域的壓力分布狀態(tài)及其值的高低，對防治沖擊地壓具有重要作用。多數(shù)情況下，巷道和采面圍巖的應(yīng)力越高越集中，該區(qū)域越容易積聚大量的彈性能，更容易引發(fā)沖擊地壓。所以，在一定的采掘范圍內(nèi)，分析應(yīng)力集中程度的大小和應(yīng)力的變化對進行沖擊危險程度評價，確定沖擊危險區(qū)域，以采取及時的防治措施具有重要意義。

2.3.1 工作面開采模擬方案

為了更好地研究-440 m水平的應(yīng)力分布狀況及其變化規(guī)律，以東部區(qū)正在開采的第三工作面為例進行數(shù)值模擬，考慮到東部區(qū)第三工作面南部緊鄰第一工作面采空區(qū)，停采線靠近采區(qū)上山，第三工作面回采區(qū)域的應(yīng)力分布受第一工作面采空區(qū)的影響。因此，為了較為真實地反映第三工作面和巷道的受力情況，對第三工作面附近區(qū)域巷道的采掘工作面工況分別進行了模擬。

2.3.2 數(shù)值模型建立

①計算模型。充分考慮第三工作面采場及其相鄰采空區(qū)、巷道的應(yīng)力分布和變化情況，建立的模型尺寸為：160 m×420 m×60 m，選取模型第三工作面底板右下角為零點建立，采空區(qū)寬度30 m，上下順槽為5 m，考慮到應(yīng)力的影響范圍，下順槽向外擴展25 m為左右邊界。②邊界條件?；诘貞?yīng)力實測結(jié)果，最大水平主應(yīng)力σmax=15.3 MPa。隨著埋深的增加，模型Z方向所受到的約束力呈現(xiàn)增加的趨勢，假設(shè)該點在煤層巷道底板處，第三工作面最大埋深h為612 m。模型水平主應(yīng)力大小為：σmax=γh×h=15.3 MPa，h=612 m，γh=2.5×104 N/m3，則σh1=σh-γh×h0=13.8 MPa，σh2=σh+γh×h0=16.8 MPa。模型豎直應(yīng)力為：由于σv=15.3 MPa，根據(jù)巷道底板上部煤巖體參數(shù)（厚度和密度），則模型頂面豎直應(yīng)力為：σv1=σv-ρ2h2-ρ3h3=14.27 MPa。因此，模型的前后邊界為固定位移約束，模型的左右和上下邊界條件如圖2所示。

2.3.3 模擬結(jié)果

為了研究工作面回采前后采場周圍應(yīng)力的變化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場工作面開采順序，模擬掘進第三工作面上下順槽、工作面分布開采過程中應(yīng)力場分布情況。

①研究平面的選取。應(yīng)力集中區(qū)域分為豎直應(yīng)力集中區(qū)域和水平應(yīng)力集中區(qū)域。為了便于研究不同應(yīng)力的集中區(qū)域分布規(guī)律，分別對第三工作面上下順槽掘進和工作面推進過程中的應(yīng)力集中區(qū)域進行分析，并得出：煤層豎直應(yīng)力集中區(qū)域在順槽頂板中部附近，煤層水平應(yīng)力集中區(qū)域為上下順槽的兩幫處。②第三工作面上下順槽掘進后應(yīng)力集中區(qū)域分布。對第三工作面上下順槽進行數(shù)值模擬，得出煤層應(yīng)力云圖和應(yīng)力分布曲線。由于上下順槽的開挖，對采掘周圍巖體進行了擾動，應(yīng)力重新分布，形成了應(yīng)力集中區(qū)域。第一，豎向應(yīng)力集中區(qū)域分布。豎向應(yīng)力從下順槽到上順槽逐漸降低，下順槽附近應(yīng)力最大為13.77 MPa。這是由于第一工作面煤層開采后，圍巖壓力已經(jīng)釋放，順槽附近應(yīng)力重新分布，逐漸達到平衡。當?shù)谌ぷ髅嫦马槻墼诿簩又芯蜻M，掘進后導致采區(qū)邊界圍巖應(yīng)力重新分布，礦山壓力向?qū)嶓w煤側(cè)轉(zhuǎn)移，內(nèi)部支承壓力明顯升高。離采空區(qū)距離愈遠，應(yīng)力受采空區(qū)影響愈小，采場應(yīng)力逐漸增大。由于第一工作面已回采完畢，頂板巖層基本穩(wěn)定，對第三工作面影響較小，且第三工作面整個采場內(nèi)應(yīng)力集中程度較大，因此，第三工作面中部應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生沖擊地壓的可能性較大。第二，水平應(yīng)力集中區(qū)域分布。煤層中部出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，最大值達到5.77 MPa，上、下部順槽全長段水平應(yīng)力均較小。由于第一工作面采空區(qū)的影響，下巷水平應(yīng)力影響范圍較大。向煤層內(nèi)部延伸，大大增加了水平應(yīng)力的集中程度，造成水平應(yīng)力迅速增加，中部位置應(yīng)力最大。巷道開挖后，頂板、底板一定的范圍內(nèi)水平應(yīng)力急劇增加，不利于圍巖的穩(wěn)定性。煤層中部水平應(yīng)力很大，集中系數(shù)很高，易發(fā)生沖擊地壓，造成頂板的冒落、底板隆起。③第三工作面推進過程中應(yīng)力集中區(qū)域分布。第一，豎向應(yīng)力集中區(qū)域分布。隨著工作面的推進，煤層頂板的豎向應(yīng)力最大值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，應(yīng)重點對高應(yīng)力區(qū)進行卸壓，預(yù)防沖擊災(zāi)害發(fā)生。第二，水平應(yīng)力集中區(qū)域分布。水平應(yīng)力主要集中在煤層中部和兩幫，隨著工作面的推進，應(yīng)力集中不斷發(fā)生變化。綜上所述，重點應(yīng)對煤層中部進行卸壓，保證工作面開采過程中的安全穩(wěn)定，對下巷底板采取加強支護，防止底鼓的發(fā)生。上下巷兩幫壓力較大且不穩(wěn)定，應(yīng)防止偏幫的發(fā)生。

3 結(jié)語

通過危險區(qū)的多因素疊加，危險區(qū)域及其危險性等級將隨工作面的具體接續(xù)計劃而變化，監(jiān)測、支護亦可隨其動態(tài)調(diào)整。①針對第十七、八工作面西側(cè)下幅區(qū)域，即待開采區(qū)域Ⅰ，由于上幅已經(jīng)開采，起到了保護層作用，大大降低了其設(shè)計開采的沖擊危險性，劃分為無沖擊危險區(qū)域。②集中巷兩側(cè)煤柱區(qū)域，此區(qū)域是孤島煤柱，即待開采區(qū)域Ⅱ，主要沖擊危險區(qū)域包括孤島效應(yīng)、斷層危險區(qū)，整體劃分為中等危險區(qū)域，局部大斷層、兩側(cè)采空區(qū)邊界劃分為強沖擊危險區(qū)域。③第十三工作面，現(xiàn)采區(qū)域Ⅲ，該區(qū)域主要包括斷層危險區(qū)、空區(qū)邊界效應(yīng)、遺留煤柱危險區(qū)等，整體劃分為弱危險區(qū)域，局部大斷層分布區(qū)劃分為中等沖擊危險區(qū)域，其中，原龍鳳礦7402工作面采空區(qū)下保護層卸壓區(qū)域可劃分為無沖擊危險區(qū)域，龍鳳礦7402東停采線為強沖擊區(qū)域。④第十五工作面區(qū)域，即待開采區(qū)域Ⅳ，該區(qū)域已進行兩順布置，因此受開采技術(shù)條件影響的沖擊危險因素較大，該區(qū)主要受到周圍采空區(qū)分布、斷層分布的影響，整體劃分為弱沖擊危險區(qū)域，局部大斷層分布區(qū)劃分為中等沖擊危險區(qū)域。⑤第三工作面區(qū)域，即開采區(qū)域Ⅴ，該區(qū)域已經(jīng)進行兩順布置，因此受開采技術(shù)條件影響的沖擊危險因素較大，該區(qū)主要受到斷層分布、停采線位置、聯(lián)絡(luò)巷及巷道交叉、留設(shè)底煤、第一工作面采空區(qū)和巷道錯層交叉的影響，整體劃分為弱沖擊危險區(qū)域。⑥第六工作面區(qū)域，即待開采區(qū)域Ⅵ，該區(qū)域尚未進行兩順布置，因此受開采技術(shù)條件影響的沖擊危險因素較少，該區(qū)主要受到斷層、煤柱拐角、區(qū)段煤柱、底煤、采空區(qū)邊界的影響，整體劃分為中等沖擊危險區(qū)域。