張曉赟

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團雙柳煤礦，山西 孝義 033000)

煤炭開采逐漸由淺埋深向深部發(fā)展，沖擊地壓是深部開采的一個重要危險因素。沖擊地壓是由于巷道或工作面周圍煤巖體積聚的彈性能突然釋放而產(chǎn)生突然破壞的動力現(xiàn)象，一旦發(fā)生將會造成毀滅性的破壞。以汾西礦業(yè)雙柳煤礦4038工作面分析斷層影響下的沖擊地壓發(fā)生機理，并制定了有效的檢驗措施，保證了工作面采掘系統(tǒng)的安全。

1 4038工作面概況

4038工作面地面標(biāo)高+25.79m左右，井下標(biāo)高-790～ -680m，埋深約705～815m。工作面根據(jù)初始設(shè)計方案為俯采，根據(jù)軌道巷沿4037、4036和4035工作面采空區(qū)的布置方案，工作面走向長630m，傾向長126m，儲量約50萬t。

4038工作面位于-800m四采外，采面范圍內(nèi)老硐密集。工作面東北以逆斷層F3為界，落差9～11m，東面以正斷層F4′為界，落差18～30m，西以各7煤層工作面的停采線為界。圖1為4038工作面巷道布置與斷層的位置關(guān)系圖。

圖1 工作面與斷層位置關(guān)系圖

2 沖擊地壓發(fā)生應(yīng)力分析

4038工作面井下標(biāo)高是-790～ -680m，屬于深井開采，并且超過了沖擊地壓危險的臨界深度，在單一的重力條件影響下，井下開拓巷道存在潛在的沖擊危險性。

該工作面開采臨近斷層帶主要是F3斷層和F4斷層，2個斷層均為正斷層且落差大，危險性極高。由于斷層的存在會切斷上覆巖層頂板的連續(xù)性，加上井下巷道開拓，致使原巖應(yīng)力重新分配。工作面開采過程中，工作面始終受到上覆巖層的高應(yīng)力，當(dāng)工作面推進到斷層破裂帶時，斷層影響下的超前煤壁和周圍煤柱又會受到更多應(yīng)力加載，多重應(yīng)力相互疊加在一起就使得開采過程中沖擊危險的可能性大大增加。4038工作面臨近斷層開采，工作面掘進過程中揭露斷層，存在較大沖擊地壓危險性，應(yīng)降低掘進和回采速度，防止沖擊地壓的發(fā)生。

3 斷層影響機制

斷層切割頂板后工作面視為簡支邊界，簡支邊界解除了周邊的約束，失去了傳遞力的作用。當(dāng)工作面推進到斷裂線位置時，頂板巖層施加在工作面與斷層間煤柱重力明顯加劇，特別是在薄基巖厚表土的地質(zhì)條件下，頂板承受厚表施加的力比一般條件下大，較易形成高應(yīng)力集中，頂板的斷裂速度加快，垮落步距減小，頂板斷裂時釋放的能量大，容易出現(xiàn)強度大的沖擊地壓。如圖2為斷層區(qū)域支承壓力分布圖，當(dāng)工作面推進到斷裂線附近時，煤層邊緣所承受的支承壓力大，發(fā)生沖擊地壓的頻率高。

圖2 斷層支承壓力分布圖

4 數(shù)值模擬研究

用RFPA數(shù)值模擬軟件模擬工作面推進到斷層附近的應(yīng)力狀態(tài)。如圖3斷層型主應(yīng)力圖和圖4斷層型聲發(fā)射圖。

從圖3的主應(yīng)力數(shù)值模擬和圖4的聲發(fā)射數(shù)值模擬可知，工作面開采臨近斷層，加載不同應(yīng)力情況下的兩種模擬情況，由于受斷層的影響，工作面接近斷層側(cè)逐漸出現(xiàn)應(yīng)力集中和能量積聚，增大了發(fā)生沖擊地壓的危險性。

由于開采引發(fā)的巖層運動，波及到斷層斷裂線區(qū)域，在斷裂線一定范圍內(nèi)出現(xiàn)高應(yīng)力，并伴隨動壓現(xiàn)象的發(fā)生。因此在斷層區(qū)域留有足夠的煤柱是保障動壓現(xiàn)象安全的前提，對于斷層應(yīng)力影響區(qū)域應(yīng)根據(jù)煤體的受力狀態(tài)，采用降低應(yīng)力措施，避免開采期間沖擊地壓的發(fā)生。

圖3 斷層型主應(yīng)力圖

圖4 斷層型聲發(fā)射圖

5 斷層區(qū)域工作面驗證

臨近斷層工作面采用鉆屑指標(biāo)法進行區(qū)域驗證。掘進期間用鉆屑指標(biāo)法對劃分單元進行區(qū)域驗證，指標(biāo)及臨界值見表1。

表1 工作面煤層突出危險性指標(biāo)臨界值

工作面前方煤體內(nèi)施工3個直徑42mm、孔深8～10m的鉆孔，鉆孔應(yīng)盡可能布置在軟分層中，鉆孔傾角沿煤層傾角，中部鉆孔平行于巷道中線方向布置，實際鉆孔長度為8m，其它兩幫鉆孔實際長度為9m，與巷道中線成20°的方位角布置，兩鉆孔的終點外擴巷道輪廓線外2～4m處，如圖5所示。同時在工作面采取超前物探措施（瞬變電磁儀探測），探明前方地質(zhì)構(gòu)造和觀測沖擊預(yù)兆，當(dāng)區(qū)域驗證為無沖擊危險時，應(yīng)當(dāng)采取安全防護措施后進行采掘作業(yè)。

圖5 鉆孔布置圖

預(yù)測鉆孔施工必須使用配套的鉆頭與螺旋麻花鉆桿施工，鉆頭直徑42mm，鉆桿的直徑應(yīng)略小于鉆頭。當(dāng)預(yù)測過程中所有測定值均小于臨界值，并且無噴孔、頂鉆及其他明顯突出預(yù)兆，則該工作面為無突出危險工作面，否則為突出危險工作面。

在采用鉆屑指標(biāo)法預(yù)測的同時，應(yīng)積極觀察分析工作面發(fā)生的各種現(xiàn)象，出現(xiàn)煤層的構(gòu)造破壞帶，包括斷層、劇烈褶曲、火成巖侵入等；煤層賦存條件急劇變化的區(qū)域；采掘應(yīng)力疊加等情況時，除已經(jīng)實施了工作面防突措施的以外，應(yīng)視為突出危險工作面并實施相關(guān)措施。

當(dāng)預(yù)測為無突出危險工作面時，應(yīng)當(dāng)采取安全防護措施后進行掘進作業(yè)，且每循環(huán)應(yīng)保留不少于2m投影孔深的預(yù)測孔超前距。

6 防治措施

根據(jù)預(yù)測指標(biāo)，在斷層區(qū)域進行綜合性的防治沖擊地壓措施。

由于本工作面的危險僅僅存在于過斷層的過程中，評定為中等沖擊危險，所以用大直徑鉆孔卸壓足以消除或者降低沖擊危險。具體措施是：在工作面過斷層超前50m時，對工作面開始進行鉆孔卸壓。鉆孔參數(shù)為：孔深15～20m，孔徑Φ110mm，孔距1～2m。鉆孔圖示如圖6所示。

圖6 卸壓鉆孔布置平面示意圖

7 結(jié)論

（1）通過描述具體的工作面與斷層的位置關(guān)系，分析了工作面臨近斷層時的應(yīng)力作用，主要受到斷層斷裂面和上覆巖層的支承應(yīng)力使得工作面附近的應(yīng)力疊加達到最高點，有局部發(fā)生沖擊危險的可能。

（2）以RFPA為數(shù)值模擬軟件模擬斷層附近的支承應(yīng)力和聲發(fā)射現(xiàn)象，得出斷層附近有高的應(yīng)力，使得煤體集聚大量的能量，有發(fā)生沖擊地壓的可能。

（3）以具體的鉆屑法來驗證斷層附近區(qū)域工作面的鉆屑指標(biāo)，說明了具體的實施步驟和操作程序，保證了工作面在采動過程中實時地判斷出是否有沖擊危險；用大直徑鉆孔卸壓措施防治沖擊地壓，消除或降低了沖擊危險性，保證了井下人員和設(shè)備的安全生產(chǎn)。