台阶区域冲击地压发生机理和危险区域的圈定

赵 凯

（山西汾西矿业集团设计院， 山西 介休 032000）

1 工程概况

1304工作面地面标高39.1 m，地面位于阳城坝东南300 m地段，地表主要为农田和乡村公路，该工作面掘进对地表无影响。井下位于1303工作面采空区与1305工作面采空区之间，工作面上部为1303采空区，下部为1305采空区，北一采区轨道暗斜井以北，阳城坝断层东南470 m（如图1）。1304工作面标高为-535 ～-660 m之间，在三条暗斜井北部。所处地段煤岩层整体赋存形态为走向北东，倾向南东的单斜构造。主采煤层3煤，厚度为7.0～8.2 m，平均厚度7.5 m，属稳定的厚煤层。硬度系数f=1.5，属于中硬煤层。煤层倾角13°～17°，平均15°。在1303皮顺揭露的f1～f8断层，1304工作面巷道掘进过程中仍将可能揭露。

3煤为直接顶粉砂岩，直接顶板为细砂岩，厚度在12.98 m左右，老顶为中砂岩，厚度在30 m左右。该工作面地质条件较复杂，落差1.2 ～5.0 m的断层8条，均会对回采工作造成一定的影响。

图1 工作面布置图

从工作面平面布置图中可以看出，每个工作面的开切眼均不在同一位置，下一工作面的开切眼在上一工作面后方一定距离处。从平面图上看，类似于平常生活中的台阶，因此将其命名为台阶式工作面。同时，3煤的开采顺序依次为开采1301、1303、1305、1304、1302工作面，由于跳采的原因，导致在开采1304和1302工作面时形成上区段部分区域是实体区部分区域是采空区，下区段为采空区的特殊结构。将1302工作面和1304工作面命名为台阶式工作面，将上区段部分为实体区域的开采区域命名为台阶区域，1304工作面台阶区域长度为130 m。

2 台阶区域冲击地压发生机理

由于1303工作面已经采空，会在开切眼后方形成残余支承应力，而随着1304工作面的推进，超前支承应力影响范同逐渐接近1303工作面开采形成的残余支承应力，从而造成应力集中。如果得知两支承应力影响范围，便可以推算出应力叠加区，即得知应力集中区域[5-6]。

1303工作面开采过后在开切眼后方形成的残余支承应力和l303工作面开采形成的超前支承应力在1304工作面上顺槽一侧发生叠加，造成应力集中，使得台阶区域具有了发生冲击地压的高应力条件。同时，由于1303工作面和1305工作面的采空以及1304工作面的开采，形成了一种特殊的覆岩空间结构。该覆岩空间结构的断裂线位于实体侧，触矸线位于采空区内造成了1304工作面下顺槽侧发生较大变形，而1303工作面开切眼后方的实体侧由于岩体受三向约束作用，发生的变形量较小，从而积聚了大量的弹性能。1304工作面的开采初期，由于采空区范围有限，上覆岩层运动以低位岩梁为丰，同时，1303工作面开切眼实体侧积聚的弹性能也较小，此时岩梁断裂造成的影响较小。当1304工作面推进到一定距离后，上覆岩层运动高位岩梁已经达到一定的跨度，同时1303工作面开切眼实体侧积聚的弹性能也累积的很大，两应力叠加造成的高应力集中容易造成岩梁断裂，岩梁断裂产生的动压会引发冲击地压，若断裂的岩梁是高位岩梁，则发生冲击地压的可能性就会更大。

3 危险区域圈定

由于1303工作面和1305工作面的开采，当1304工作面未开采时，两顺槽附近已经形成应力集中，由数值模拟软件模拟分析可知上顺槽侧应力达到25 MPa，而下顺槽侧则达到了39.3 MPa，均大于原岩应力和煤的单轴抗压强度。1305工作面开采后，上覆岩层产生的塑性区面积很大，其高度可达到60 m，然而1303工作面开采后在开切眼后方的实体区域产生的塑性区面积相对较小，高度大约为15 m左右。由此可以推断出开采1304工作面时，下顺槽侧容易发生很大的变形，从而释放掉一部分应力，这就起到了一定的卸压作用；而上顺槽侧由于则发生了相对较小的变形，煤体受到三向应力的作用，导致实体侧容易积聚弹性能。因此，虽然下顺槽侧受到更大的应力集中，但是当受到外力扰动时，上顺槽侧比下顺槽侧更容易发生冲击地压，即上顺槽侧具有更大的冲击危险性。

为了摸清采动影响下1304工作面上顺槽侧冲击危险相关规律，通过监测不同工作面推进步距下煤壁前方80 m范围内的支承压力，了解工作面煤壁前方超前支承压力分布范围及应力集中规律，就可以得到应力叠加区域，从而圈定出冲击危险区域。

图2 不同推进步距下工作面上端头支承压力分布

图3 开切眼后方支承压力分布

整体来讲，工作面煤壁前方支承压力有一个从形成到发展，最后达到稳定的过程，随着工作面不断推进，煤壁前方支承压力峰值逐渐增加，最后趋于的稳定值也逐渐增大，此稳定值也明显大于原岩应力，冲击危险不断增大；相同推进步距下，煤壁前方支承压力先是逐渐增大，到达峰值后开始减小，最后趋于稳定值；工作面煤壁前方0 ～60 m范围内，支承压力变化较为明显，在60 m之后，支承压力曲线较为平缓，因此，工作面超前支承压力影响范围为60 m左右；随着工作面的推进，支承压力峰值位置略有变化，工作面倾向不同位置处，支承压力峰值位置有所不同，然而，峰值位置大都集中在煤壁前方10～15 m之间，即在工作面煤壁前方10～l5 m之间为塑性区。

1303开切眼后方残余支承压力作用在开切眼后方实体侧，如图3所示，支承压力先是逐渐增大，到达峰值后开始减小，最后趋于稳定值且峰值位置在12 m处，即1303开切眼后方12 m范围内为塑性区，支承压力影响范围在50m左右。综合图2，图3可知，两应力叠加影响范围为距1303开切眼处60 m，至距1303开切眼12 m，60～130 m范围内没有发生应力叠加。

确定台阶式工作面台阶区域冲击危险区域:

1）上顺槽附近。0 ～70 m处为低应力区，此区域具有弱冲击危险性，但是在此区域积聚了大量的弹性能；70～118 m处为应力叠加区，此区域具有强冲击危险性；118～130 m处为应力释放区，此区域具有强冲击危险性。

2）下顺槽附近为应力释放区。但是，由于1305工作面的开采，导致此区域产生范围较大的塑性区，在开采1304工作面的过程中，产生了大变形，释放掉一部分应力，从而起到一定的卸压效果，因此，此区域具有弱冲击危险性。同时，当1304工作面推进到初次来压和周期来压阶段时，应特别注意防冲工作。

图4 台阶区域冲击危险区域

4 结语

文中通过理论分析得到台阶工作而具有冲击危险的原因是:1303工作面开采过后在开切眼后方形成的残余支承应力和1303工作面开采形成的超前支承应力在1304工作面上顺槽一侧发生叠加，造成应力集中，使得台阶区域具备了发生冲击地压的高应力条件。同时，由于1303工作面和1305工作面的采空以及1304工作面的开采，形成了一种特殊的覆岩空间结构。该覆岩空间结构造成了1304工作面下顺槽侧发生大变形，而1303工作面开切眼后方的实体侧积聚了大量的弹性能。1304工作面的开采初期，由于采空区范围有限，上覆岩层运动以低位岩梁为主，同时1303工作面开切眼实体侧积聚的弹性能也较小，此时岩梁断裂造成的影响较小。当1304工作面推进到一定距离后，上覆岩层运动高位岩梁已经达到一定的跨度，同时1303工作面开切眼实体侧积聚的弹性能也累积的很大，两应力叠加造成的高应力集中容易造成岩梁断裂，岩梁断裂产生的动压会引发冲击地压，若断裂的岩梁是高位岩梁，则发生冲击地压的可能性就会更大。

圈定了台阶区域冲击危险区域，上顺槽附近:0～70 m处为小变形弹性能积聚区，此区域具有弱冲击危险性；70～118 m处为应力叠加区，此区域具有强冲击危险性；118～130 m处为应力释放区，此区域具有强冲击危险性。下顺槽附近为应力释放区，是大变形弱冲击区域。