萬 曉 肖自義 袁健博 劉志剛 尚文政 朱鐵景 路亞軍

（1.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司；2.國家礦山安全監(jiān)察局山東局；3.山東科技大學(xué)采礦工程研究院；4.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司）

構(gòu)造型沖擊地壓是在煤炭開采過程中一種嚴(yán)重的煤巖動力失穩(wěn)災(zāi)害，尤其是在采煤活動接近斷層時，無論是能量、破壞強度還是危險程度都明顯增加，給礦井生產(chǎn)和安全帶來極大的威脅［1-4］。地塹結(jié)構(gòu)是煤炭采掘過程中常見的地質(zhì)構(gòu)造之一，是由斷層組成的特殊地質(zhì)構(gòu)造，在發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害時，相較傳統(tǒng)的沖擊地壓造成的危險更大。

本文以山東某礦6305 綜放工作面為工程背景，分析FL39 斷層和FL37 斷層組成的地塹構(gòu)造影響下的沖擊危險性［5-6］，綜合利用現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)值模擬等方法分析地塹結(jié)構(gòu)附近的煤巖體應(yīng)力變化，針對高應(yīng)力集中區(qū)域提出相應(yīng)的沖擊地壓防治措施［7］。

1 工作面概況

山東某礦工作面埋深為791.04～935.96 m。6305工作面位于北區(qū)進(jìn)風(fēng)巷以北，東為尚未開采的6306工作面，西為6304 采空區(qū)，南為六采下山保護(hù)煤柱，北為陳廟北斷層保護(hù)煤柱，該工作面周圍采空區(qū)如圖1 所示。6305 工作面走向長度平均1 390 m，傾斜長度262.4 m，煤層厚度7.9～10 m，傾角0°～12°，其頂、底板巖性厚度如圖2所示。

2 地塹構(gòu)造

6305 工作面附近斷層發(fā)育明顯且數(shù)量較多，其中FL37 和FL39 2 條傾斜的正斷層組成地塹復(fù)合結(jié)構(gòu)。FL37斷層的落差為0～9 m，傾角70°，走向NE，傾向SE。根據(jù)工程現(xiàn)場掘進(jìn)期間顯示，6305 下平巷揭露落差2.0 m，該斷層落差自西向東呈逐漸減小的趨勢；FL39斷層的落差為0～10 m，傾角70°，走向NE，傾向NW，該斷層在6305 下平巷揭露落差11.0 m，斷層落差自西向東呈逐漸增大的趨勢。

6305 工作面開采區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，上平巷埋深為810～830 m，下平巷埋深為815～830 m，工作面回采過程遇上FL37 斷層和FL39 斷層組成的地塹構(gòu)造帶，可能存在沖擊危險。6305 工作面上平巷局部剖面如圖3所示，6305下平巷局部剖面如圖4所示。

采用工程類比法將6305 工作面與相鄰6304 工作面類比可知，6304 工作面采用相關(guān)監(jiān)測卸壓措施后，工作面過地塹構(gòu)造區(qū)域期間未發(fā)生較大能量事件。根據(jù)6305工作面頂板巖性結(jié)構(gòu)和工作面推進(jìn)方向可知，6305 工作面推進(jìn)方向與地塹構(gòu)造延伸方向呈70°～80°，對6305 工作面推進(jìn)過程分析，期間不易形成三角煤柱，6305 工作面遇地塹構(gòu)造區(qū)域發(fā)生大能量沖擊地壓事件概率較低，但仍存在發(fā)生小型沖擊地壓的危險。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為了進(jìn)一步分析6305 工作面地塹構(gòu)造帶對工作面采掘期間的影響，對上述地塹構(gòu)造模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，利用FLAC3D建立長700 m、寬250 m、高50 m 的模型，模型底部埋深850 m。FL37 斷層和FL39 斷層以實際傾角、傾向、走向及落差建立，煤層頂板巖性、厚度根據(jù)圖2實際鉆孔信息建立，模型力學(xué)參數(shù)如表1所示?？傮w模型如圖5所示，該模型共生成了1 847 569 個網(wǎng)格單元，334 862 個節(jié)點。在X和Y方向分別施加邊界約束條件，根據(jù)現(xiàn)場實測地應(yīng)力結(jié)果施加邊界荷載條件及重力荷載條件，模型計算采用摩爾-庫倫強度準(zhǔn)則。

3.2 巷道掘進(jìn)

6305 工作面巷道掘進(jìn)完成后地塹區(qū)域應(yīng)力分布如圖6 所示。在掘進(jìn)6305 上、下平巷之后，巷道兩幫應(yīng)力相對升高，如圖6（a）所示；6305 上、下巷道受FL37 斷層和FL39 斷層影響，在地塹構(gòu)造區(qū)域中的上、下平巷兩幫及6305 工作面內(nèi)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)到33 MPa 左右，而FL37 斷層和FL39斷層區(qū)域出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力降低，存在應(yīng)力阻隔現(xiàn)象，如圖6（b）所示。

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3.3 工作面回采

6305 工作面回采X方向應(yīng)力分布如圖7 所示。當(dāng)6305 工作面回采至FL37 斷層附近時，已回采煤層下方砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及FL37 斷層處出現(xiàn)明顯應(yīng)力降低，而工作面前方20 m 區(qū)域受FL37 斷層及工作面超前支承壓力影響出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為34 MPa左右，如圖7所示。

通過6305 工作面Z方向應(yīng)力分布云圖可知（圖8），6305 工作面回采至FL37 斷層時，由于模型邊界效應(yīng)及回采后圍巖應(yīng)力變化，6305 工作面上、下平巷出現(xiàn)較為明顯的高應(yīng)力區(qū)，處在地塹構(gòu)造帶的工作面前方及上、下平巷處應(yīng)力較高，說明受FL37斷層及工作面超前支承壓力影響，距離FL37 斷層15～30 m應(yīng)力集中程度較高，最大應(yīng)力在33 MPa左右。

6305 工作面回采地塹煤層X方向應(yīng)力分布如圖9所示。當(dāng)6305工作面回采至地塹構(gòu)造帶時，工作面上、下平巷及采空區(qū)兩側(cè)煤柱應(yīng)力集中程度明顯升高，F(xiàn)L37 斷層和FL39 斷層兩側(cè)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力降低區(qū)。FL39 斷層側(cè)未開采區(qū)域出現(xiàn)一定的應(yīng)力變化，但應(yīng)力集中程度較小，即由于FL39斷層的存在，阻斷了工作面超前支承壓力的傳遞。

6305 工作面回采地塹煤層Z方向應(yīng)力分布如圖10 所示。通過應(yīng)力分布云圖10 可知，6305 工作面回采地塹構(gòu)造帶時，工作面后方煤柱區(qū)域出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為58 MPa左右。

綜上可知，當(dāng)6305 工作面回采至FL37 斷層時，工作面前方區(qū)域受FL37斷層及工作面超前支承壓力影響出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，并導(dǎo)致局部區(qū)域應(yīng)力集中明顯，而在回采至地塹構(gòu)造帶時，由于FL39斷層的存在，阻斷了超前應(yīng)力的傳遞，臨近FL39斷層的工作面前方區(qū)域應(yīng)力出現(xiàn)一定變化，但變化幅度較小。

6305 工作面回采活動主要導(dǎo)致地塹構(gòu)造區(qū)域發(fā)生明顯應(yīng)力環(huán)境變化，且應(yīng)力主要集中在6305 工作面上、下平巷處，可能會造成支架歪抖下滑和壓架等事故，需要進(jìn)一步確定卸壓解危措施。

4 綜合治理方案研究

6305 工作面遇FL37 斷層和FL39 斷層組成的地塹結(jié)構(gòu)區(qū)域，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，沖擊危險性較大，對6305 上、下平巷采取大直徑深孔、頂板致裂卸壓以及煤層爆破的卸壓方案［8-10］，其中針對其復(fù)合地塹區(qū)域上、下平巷進(jìn)行深孔卸壓［11-15］。

4.1 大直徑深孔卸壓方案

6305 工作面上平巷為沿空巷道，卸壓孔布置在巷道下幫；下平巷為實體巷道，卸壓孔布置在巷道兩幫。卸壓孔施工保持在超前工作面距離300 m 以外，鉆孔施工方向垂直巷道軸向，平行煤層層面布置，如圖11所示。

4.2 頂板致裂卸壓方案

爆破孔布置在6305 工作面兩巷切眼以南100 m處，上平巷傾向爆破孔沿工作面傾向布置，每組3 個孔，間距15 m，孔徑89 mm，鉆孔垂直下幫，仰角為80°，70°，50°，孔深分別為51，53，66 m，裝藥量分別為75，78，99 kg；上平巷走向鉆孔沿巷道走向布置，每組1 個孔，孔間距5 m，仰角70°，孔深50 m，裝藥量75 kg。下平巷傾向爆破孔沿工作面傾向布置，每組3 個孔，間距15 m，孔徑89 mm，鉆孔垂直上幫，仰角為80°，70°，50°，孔深分別為51，53，66 m，裝藥量分別為75，78，99 kg；下平巷走向孔自切眼以南100 處施工，沿巷道走向布置，每組1 個孔，孔間距5 m，仰角70°，孔深50 m，裝藥量75 kg。

針對大直徑深孔以及頂板致裂卸壓的方案，可采用應(yīng)力在線監(jiān)測和鉆屑法煤粉監(jiān)測進(jìn)行效果檢驗，確定施工預(yù)防性卸壓措施的區(qū)域沖擊危險性，采用鉆屑法煤粉監(jiān)測執(zhí)行正常監(jiān)測參數(shù)，實現(xiàn)方案預(yù)卸壓效果。

4.3 煤層爆破卸壓方案

6305 工作面回采期間有沖擊危險的區(qū)域可采取爆破卸壓方案［16-20］，爆破孔垂直于煤壁、平行于煤層，使用煤礦許用炸藥和同段別毫秒延期電雷管，炮眼深度15 m，爆破孔間距5 m，炮眼直徑42 mm。

鉆孔采用正向裝藥爆破，每孔裝藥3～5 kg，按照孔內(nèi)并聯(lián)、孔間串聯(lián)的方式，采用長腳線連線，并實現(xiàn)一次裝藥必須一次連線3～5 個起爆鉆孔。在施工解危卸壓孔后，必須在距卸壓孔前后1 m 左右施工煤粉監(jiān)測孔檢驗。

4.4 效果檢驗

采用應(yīng)力在線監(jiān)測和鉆屑法煤粉監(jiān)測對工作面上、下平巷預(yù)防性卸壓效果檢驗，在6305工作面施工解危卸壓孔后，必須在距卸壓孔前后1 m 左右施工煤粉監(jiān)測孔檢驗，當(dāng)卸壓效果不明顯時，需加密補打卸壓孔。采用鉆屑法煤粉監(jiān)測執(zhí)行正常監(jiān)測參數(shù)。經(jīng)現(xiàn)場微震監(jiān)測，應(yīng)力在線監(jiān)測和鉆屑法煤粉監(jiān)測合格，實現(xiàn)預(yù)期卸壓效果。

5 結(jié) 論

（1）6305 工作面巷道掘進(jìn)期間，地塹構(gòu)造區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力增高，6305 上、下平巷在地塹構(gòu)造區(qū)域有明顯的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)到33 MPa左右?；夭善陂g，高應(yīng)力區(qū)域集中體現(xiàn)在6305 工作面上、下平巷兩側(cè)煤柱區(qū)域，最大應(yīng)力在34 MPa左右。

（2）當(dāng)工作面回采至FL37斷層時，工作面前方區(qū)域受FL37斷層及工作面超前支承壓力影響出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為33 MPa左右。工作面上、下平巷應(yīng)力集中現(xiàn)象更為顯著，能量聚集程度更高，沖擊危險性更大。在回采至地塹構(gòu)造帶時，由于FL39 斷層的存在，阻斷了超前應(yīng)力的傳遞。

（3）6305 工作面經(jīng)過地塹構(gòu)造帶及上、下平巷應(yīng)力高集中區(qū)時，可采取大直徑深孔卸壓、頂板致裂以及爆破卸壓方案進(jìn)行卸壓解危，實現(xiàn)工作面安全開采。