区段煤柱下工作面冲击危险评价及防治对策

区段煤柱下工作面冲击危险评价及防治对策

崔新峰

大屯煤电公司徐庄煤矿 江苏省 徐州市

摘要：由于工作面开采布局不合理，7332区段煤柱的留设，给8332工作面生产带来一定的危害。论文通过分析徐庄煤矿8332工作面采矿地质条件，采用综合指数法对工作面冲击危险性进行综合评价，采用FLAC^3D对8332工作面不同阶段回采过程中应力分布规律及集中程度进行模拟分析，动态评价了该工作面在不同回采过程中的冲击危险状态及区域。以此，制定了8332工作面冲击矿压监测与防治体系，即主要采用微震、钻屑法对冲击危险区域进行监测，根据监测与检验结果逐步采取大直径钻孔、煤体卸压爆破等措施对冲击危险区域进行解危，从而降低冲击危险性。论文研究为8332工作面安全回采提供了重要理论依据。

关键词：冲击矿压；区段煤柱；冲击危险评价;大直径钻孔；微震；钻屑法

1.引言

冲击矿压^[1-4]是煤岩体积聚的能量释放，发出强烈声响，造成井下围岩巷道、人工构筑物变形破坏及人员伤亡的动力现象。甚至会引起地表震动，地表构筑物损坏。冲击矿压是煤矿重大灾害之一。

矿井生产过程中，为避免地质构造因素的干扰，同时也是出于防治煤层自燃和瓦斯的需要，有时被迫留设区段煤柱，煤柱上的集中应力不仅对本煤层开采有影响，还向下传递，形成的应力集中对下部煤层造成了很大的威胁。

徐庄煤矿8332工作面上部7332区段煤柱的留

设，使得7332工作面临空侧上覆岩层活动引起的

应力在煤柱侧叠加，煤柱宽度越大，其承受的应力峰值越大，而作用于煤柱的高应力向下传递，使得8332工作面的回采存在较高的冲击危险性。

因此，论文将主要采用综合指数法、数值模拟对徐庄煤矿8332工作面开采过程中冲击危险进行评价分析，进而对8332工作面进行危险区域和危险指数划分，制定该工作面的冲击矿压防治体系。

2.工作面地质开采条件

徐庄煤矿8332工作面东部为Ⅱ3上山，南部为8232采空区，北部为未开拓区域，西部为8煤缺失区，上部为7235、7223采空区及其之间煤柱。工作面位置如图2-1所示。

图2-1 徐庄煤矿8332工作面位置图

工作面总体为一个宽缓向斜构造形态，向斜轴位于工作面中东部。煤层倾角自东向西、西部由浅向深角度逐步增大。工作面构造简单，工作面范围内无大中型断层构造发育。材料道将揭露两条断层f2472 H=5.0m、H=1.0m均为正断层；溜子道将揭露三条正断层，其中，f7672 H=2.8m、H=1.6m对盘上升；断层H=1.0m对盘下降；切眼中下部将揭露一条H=1.0m的断层，浅部下降。

煤层直接顶为砂质泥岩，灰色深灰色，致密，块状，砂质呈条带状分布。直接底为以泥岩为主，黑色，工作面西部基本为泥岩向工作面东部逐渐变相为砂质泥岩。老底为细砂岩，浅灰色细砂岩，成分以石英、长石为主，有暗色矿物，缓波状。

3.工作面开采环境综合评价分析

结合8332工作面现场地质条件，采用综合指数法对8332工作面冲击危险指数进行分析。

W_t表示工作面的冲击危险状态等级评定综合指数，以此可以圈定冲击矿压危险程度，有

（3-1）

根据8332工作面地质条件分析，确定的冲击矿压危险状态等级评定的综合指数W_t1=0.47，具有弱冲击危险性。主要影响因素为7332区段煤柱、煤层的埋深、煤层的冲击倾向性等。

根据8332工作面开采条件，确定综合指数W_t2=0.33~0.48。主要影响因素为工作面上部的区段煤柱留设导致的高应力集中。

综合地质因素与采矿技术因素，可得出冲击危险的综合指数为：

W_t=max{W_t1,W_t2}=max{0.47,0.33~0.48}=0.48

可见，8332工作面的冲击矿压危险状态等级评定综合指数W_t=0.48，具有弱冲击危险性，由于其综合指数接近中等冲击危险范围，因此可按中等冲击危险区域管理。

4.工作面开采应力分布特征的数值模拟分析

采用FLAC^3D数值模拟软件，模拟分析8332工作面掘进与回采过程中回采区域的应力分布情况，

三维数值模型长度为2000m，宽度为800m；模型高度为160m；三维模型共划896000个三维单元，共1352978个结点，具体模型见图4-1。

图4-1 工作面模型三维视图

4.1 工作面回采前数值模拟分析

图4-2为工作面回采前压力分布图，由图可知

可以看出，8332工作面回采前，7235、7332工作面回采已经结束，应力值较低处于卸压状态，而采空区周围的遗留煤柱区应力集中程度较大。随着7235、

7332工作面回采完毕，受采空区侧向支承压力的影

响，遗留煤柱区应力集中程度较高。由此可知当工作面上方为保护层开采时，应力值较低，对工作面的冲击危险影响较小；当工作面上方为采空区遗留煤柱时，受上层采空区侧向支承压力的影响，该区域会形成明显的应力集中现象，加之工作面采深平均为620m左右，使该区域应力集中程度进一步提高，冲击危险性较高。

图4-2 工作面回采前应力分布

选取观测线A-A、B-B，观测8332工作面回采期间煤壁前方支承应力的变化情况，为工作面安全开采提供理论依据。观测线位置如图4-3所示。

图4-3 A-A、B-B测线示意图

4.2 工作面回采前段遗留煤柱下两侧采空期间模拟结果分析

（1）工作面回采初期模拟结果分析

图4-4为B-B测线上工作面回采至不同推进位置煤壁前方50m处应力变化曲线。由图可知，受工作面上方保护层的影响，煤壁前方整体应力值较低，保护层起到了很好的卸压效果；工作面第一次回采煤壁前方的应力值明显高于后面第二、三、四次回采，且前两次回采的煤壁前方的应力差值明显高于第三、四次的应力差值；随着工作面的推进，回采初期煤壁前方的超前支承应力值逐渐减小，应力峰值均出现在煤壁前方10~20m的范围。

图4-4 工作面回采初期煤壁前方支承压力分布曲线

图4-5 工作面回采初期遗留煤柱区支承压力分布曲线

图4-5为A-A测线上工作面回采至不同位置采空区遗留煤柱上的应力分布曲线。可以看出，上煤层遗留煤柱区两侧临空时，应力集中程度较大，平均达到了70MPa；上煤层遗留煤柱一侧临空时，随着另一侧逐渐远离采空区，应力逐渐减小。8332工作面开始回采时，在8332采空区上方的遗留煤柱应力急剧减小，说明随着8332工作面的回采，遗留煤柱区的应力会向采空区释放，使冲击危险性上升；并且在工作面超前100m范围遗留煤柱区的应力会再次叠加，最大可达79MPa，说明超前100m遗留煤柱下方的工作面冲击危险性较高。

（2）工作面回采后段遗留煤柱下一侧采空期间模拟结果分析

图4-6为B-B测线上工作面回采至不同推进位置煤壁前方50m处应力变化曲线。由图可知，工作面煤壁前方10~20m处有第一个应力峰值，且超前支承压力逐渐上升，但是随着工作面的推进，回采工作面逐渐向实体煤下方接近，保护层的卸压作用减小，在实体煤下方的支承压力急剧上升。如回采至460m时，工作面前方60m为实体煤下方，但是在工作面超前50m处的支承压力

图4-6 工作面400~460m回采阶段煤壁前方支承压力分布曲线

就开始急剧上升。

图4-7为A-A测线上工作面回采至不同位置采

空区遗留煤柱上的应力分布曲线。由图可知，工作面回采末期，遗留煤柱区内的超前支承压力变化不明显，应力峰值大约为73MPa，但是7332采空区与遗留的实体煤交界处，遗留煤柱区的支承压力有先减低后上升再逐渐降低的趋势，说明在此区域，遗留煤柱区的支承应力先向采空区释放一部分，然后又在实体煤上聚集，最后再逐渐向实体煤深部转移。

图4-7 工作面回采400~460m遗留煤柱区支承压力分布曲线

5.工作面冲击矿压防治对策方案制定

工作面冲击地压危险的整体影响因素是指整个工作面中危险性影响程度相同的因素，前文针对这些因素分别进行了分析计算，判定工作面在回采过程当中，都将面临冲击危险，工作面全体区域都至少属于弱冲击危险区，危险区域划分如图5-1所示。

通过对徐庄煤矿8332工作面冲击危险性监测数据综合分析表明，8332工作面在过“区段煤柱影响区域”冲击危险性均较高，在基于钻屑法监测等监测方法下，该工作面还需制定相应的防治方案，其防治方案如图5-2所示。

大直径钻孔卸压作为徐庄煤矿各工作面预卸压及重点区域解危防治的首要选择，在区段煤柱影响区域，在划分的强冲击危险区域，工作面回采前应预先采取大直径钻孔卸压措施。钻孔布置参数为：φ110mm，钻孔间距1.6m，钻孔深度15m，与巷道底板间距1.2m，与煤壁垂直，与掘进时所打卸压孔间隔布置，打钻时避免钻入顶底板岩层。

图5-1 工作面回采危险区域划分图

图5-2 8332工作面冲击矿压防治对策体系

6.主要结论

（1）通过采用综合指数法对8332工作面所处开采环境进行系统分析，得出该工作面在回采过程中整体处于弱冲击危险性，由于其综合指数接近中等冲击危险范围，因此可按中等冲击危险区域管理。需要在开采过程中采取针对性监测和防治措施。

（2）通过数值分析巷道掘进及各个阶段回采过程中应力分布特征，得出8332工作面回采初期，工作面不同区域受区段煤柱高压力集中的影响，在回采初期已处于高应力状态，具有强冲击危险性。

（3）结合综合指数法及数值模拟分析结果，对工作面进行冲击危险区域划分，煤层具有冲击倾向性、埋深大、原岩应力集中程度高，冲击危险性较强。总体判定整个工作面在回采过程中都将面临冲击危险

（4）基于冲击危险的综合评价与应力演化特征的模拟分析，制定了工作面回采过程中冲击矿压的监测与防治体系，制定适合该工作面的防治对策，保证了该工作面的安全高效开采。

参考文献

[1] 窦林名,何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2001.

[2] 赵本均.冲击矿压及防治[M].北京:煤炭工业出版社,1995.

[3] 窦林名,陆菜平,牟宗龙,等.冲击矿压的强度弱化减冲理论及其应用[J].煤炭学报,2005,30(5):690-694.

作者简介：

崔新峰，男，1986年12月15日出生，2009年6月25日毕业于湖南科技大学，现任徐庄煤矿冲击地压防治科科长，从事煤矿冲击地压防治技术管理工作，通讯地址：大屯煤电公司徐庄煤矿冲击地压防治科。