CG1306工作面过断层回采时冲击危险分析及防治

李 皎

(山东义能煤矿有限公司)

在我国煤矿开采过程中，由于特殊的地质条件，经常遇到断层构造，尤其是过断层开采时会受到断层扰动影响[1-4]，极易诱发冲击地压。长期以来,国内外专家学者对断层附近的采矿活动进行了大量的研究[5-7]，包括煤矿冲击地压灾害防治技术体系以及控制理论[8-9]等。本文以山东义能煤矿CG1306工作面为研究背景，分析工作面过断层时支承应力演化规律及冲击危险性，进而提出相应的防范措施，为类似条件下的冲击地压灾害分析与防治提供参考。

1 工程概况

山东义能煤矿CG1306工作面位于1采区，CG1306工作面东部为13皮带上山，南部为DF25断层，北部为井田冲刷区域，西部为DF31断层。CG1306工作面主采煤层为3#煤层，平均厚3.7 m，埋深为750 m，煤层倾角平均为3°；工作面宽度为130 m，走向推进长度为1 312 m，面积为170 560 m2。该工作面内距停采线25 m处有一倾角70°、落差0～3 m的断层，与回采工作面斜交，方向与工作面推进方向基本相同，断层走向长度为30 m。另外，皮带顺槽外侧断层较多，随着顺槽与断层距离的减小，断层位置附近应力增大，受采动影响逐渐增强，很有可能发生构造型冲击地压。工作面布置见图1。

2 模型建立

为了全面、系统地反映CG1306工作面过断层开采时巷道及采场围岩的力学变化过程，以CG1306工作面地质条件和开采技术条件为背景，建立FLAC3D三维计算模型(图2)。

图1 CG1306工作面布置

图2 回采区域内断层模型

模型尺寸为240 m×180 m×70 m(长×宽×高)，本构模型采用莫尔-库仑模型，模型顶部为自由边界，施加18.75 MPa均布载荷，底部垂直方向及左右两侧采用位移限定边界。模型中煤岩层的力学参数根据该矿现场实际岩石力学特性和物理力学特性确定，见表1。工作面沿x轴方向回采，并在170～200 m范围内布置倾角70°、落差2 m、走向长度30 m 的走向逆断层。考虑边界效应的影响，边界处各留设20～30 m宽的煤柱，轨道顺槽和皮带顺槽尺寸为3.8 m×3.0 m。

表1 煤岩体物理力学参数

3 模拟结果及分析

3.1 工作面支承应力演化与冲击危险分析

通过研究工作面回采过断层时前方支承应力分布，分析断层对工作面冲击地压的影响。图3和图4为工作面推进15 m时(即推进到断层走向长度的一半)，工作面前方应力分布云图和曲线图。

图3 工作面过走向断层时前方应力分布云图

图4 工作面过走向断层时前方应力分布曲线

由图3可知，在工作面过断层期间，上下盘工作面超前支承应力分布差异显著。断层上盘工作面应力集中程度大，工作面受断层影响区域广。由图4可知，在断层上盘靠近断层10 m处形成约60 MPa的应力集中区域，应力集中系数达3.2，冲击危险性高，这是断层本身的构造应力与工作面超前支承压力相互叠加，使断层附近的支承压力增高的结果。随着与断层距离的增大，应力值逐渐减小，且远小于断层附近应力值，主要由于未受到断层影响的区域，只受到采动作用的影响。下盘工作面靠近断层处超前支承应力峰值较小，随着与断层的距离增大，应力集中峰值增加，在皮带顺槽处达到峰值，应加强皮带顺槽的安全技术防范措施。

工作面过断层时，断层对工作面应力集中产生了影响，工作面前方应力集中值比无断层时大了近30 MPa。当叠加应力超过冲击的临界应力时，冲击地压发生的可能性增加，且断层处岩层的不连续性会导致断层周围岩体的不稳定性。在高应力作用下，断层比完整岩层先行运动，使得断层产生活化，引发构造型冲击地压。

3.2 顺槽支承应力分布及危险性分析

根据工作面开采设计，皮带顺槽靠近断层，受断层影响较大。由图4可知，皮带顺槽与轨道顺槽应力集中峰值分别为40，30 MPa。皮带顺槽围岩应力大于轨道顺槽，有很高的冲击危险性，要特别注意皮带顺槽的巷道维护，防止发生冲击地压。

综上所述，工作面过断层时尤其是靠近断层的皮带顺槽，冲击危险性大，应减小钻屑检测孔间距，及时测试煤粉量，一旦有煤粉量超标现象，及时采取卸压措施，降低发生冲击地压的可能。

4 工作面冲击地压监测与控制措施

4.1 监测方案

CG1306工作面回采时，主要采用钻屑法监测工作面超前应力。根据监测频率要求，在顺槽两帮增设监测钻孔，对超前煤壁150 m范围内进行冲击地压监测，重点监测工作面煤壁前方75 m范围内的区域以及断层附近的皮带顺槽。回采期间，一般冲击危险区域每天监测一次，每次不少于3个钻孔；在中等、强冲击危险区域，工作面初次来压、周期来压，过断层，过地质构造，应加大监测频次，每班监测一次，每次不少于2个钻孔；在遇到断层等构造区域时，应根据现场实际情况在断层前后50 m范围的区域，上、下顺槽均进行钻屑法监测。

4.2 防治方案

CG1306工作面回采期间，冲击地压解危施工主要采用大直径钻孔卸压方法。

4.2.1 施工方法

采用气动架柱式钻机施工卸压钻孔，打卸压孔之前，先进行应力监测，以查清支承压力带的范围、状态和危险程度。从低应力区开始施工卸压孔，且要由低应力区向高应力区钻进。

钻屑法监测超标时，在钻屑孔前后5 m范围内打卸压孔；应力在线监测点超标时，在该测点前后15 m范围内打卸压孔。

4.2.2 煤帮钻孔布置

卸压钻孔直径为150 mm，钻孔布置在采高的中部，孔深应达到高应力集中区，回采工作面孔深一般不小于3.5倍的采高，卸压孔孔深为20 m，间距为5 m，距底板1.2 m。

4.2.3 效果检查

卸压孔打完后，利用钻屑法进行效果检验，检验煤粉孔布置在2个卸压孔之间，距卸压孔不小于2 m，深度为10 m，方向平行于卸压孔。若指标仍然超限，要增加卸压孔个数或采取其他解危措施。若需要补打卸压钻孔，钻孔间距定为2～3 m，补打卸压钻孔布置见图5。

图5 CG1306工作面补打卸压钻孔布置

5 结 论

(1)CG1306工作面在过断层时期，断层上下盘工作面超前支承应力峰值演化成反比。靠近断层处上盘工作面超前支承应力峰值逐渐增大，下盘逐渐减小。当工作面回采过断层时，要提前做好防护措施，防止冲击地压灾害。

(2)皮带顺槽较轨道顺槽受断层影响大，在工作面过断层期间，应力集中大于轨道顺槽。采用钻屑法监测，发现煤粉量超标，及时采用大直径钻孔卸压，直到煤粉量正常，方可继续回采。

[1] 吕进国，姜耀东，李守国,等.巨厚坚硬顶板条件下断层诱冲特征及机制[J].煤炭学报，2014，39(10)：1961-1969.

[2] 邓国恩，焦 斌，范文胜.综采工作面件过断层技术探讨[J].现代矿业，2012(12)：65-68.

[3] 张德峰，陈 勇.综放工作面过断层顶板活动规律研究与应用[J].煤炭科技，2013，39(4)：56-59.

[4] 王浩，赵毅鑫，牟宗龙,等.综放工作面采动诱发逆断层张剪失稳特征及矿震活动规律分析[J].煤炭学报，2017，42(10)：2573-2581.

[5] 王庆雄.5 m大采高工作面过断层矿压显现规律研究[J].煤炭科学技术，2015，43(5)：22-25.

[6] 蒋金泉，武泉林，曲 华.硬厚岩层下逆断层采动应力演化与断层活化特征[J].煤炭学报,2015,40(2):267-277.

[7] 高 琳，蒋金泉，张培鹏,等.工作面向正断层推进支承应力演化规律[J].煤矿安全，2017,48(1)：44-47.

[8] 欧阳振华.煤矿冲击地压灾害防治技术体系[J].煤矿安全，2014，10(11)：168-171.

[9] 齐庆新，李晓璐，赵善坤,等.煤矿冲击地压应力控制理论与实践[J].煤炭科学技术，2013，41(6)：1-5.