沿断层开采工作面冲击危险分析及防治技术研究

2018-11-01李新文

山东煤炭科技 2018年10期

李新文

（大同煤矿集团铁峰煤业有限公司，山西大同 037200）

1 工程背景与数值模拟

1.1 工程背景

增子坊煤矿5300工作面位于矿井中南部，开采煤层为山西组3煤，地面标高为+43.87～ +44.98m，平均采深为849 m。工作面宽230 m，推进长度为634.3 m，为五采区北翼首采工作面，西部靠近DF46毕垓断层，断层落差为16～43 m，工作面沿断层回采。

1.2 模型建立

采用FLAC3D软件对5300工作面开采过程中的应力场演化规律进行了模拟研究，观测断层附近巷道围岩应力变化情况，为冲击危险分析提供依据，模型如图1所示。

在数值模型中，根据Z8钻孔柱状图参数，煤层开采高度即按柱状图显示的平均值给定，直接顶、基本顶等岩层均按实际平均厚度给定。模型范围：640 m（长）× 784 m（宽）× 166 m（高），煤岩物理力学参数见表1所示。模型左右前后边界施加水平约束，即边界水平位移量为零；模型底部边界固定，即底部边界水平、垂直位移量均为零；模型顶部为自由边界，施加19.42 MPa的均布载荷。

2 应力演化规律及危险性分析

2.1 工作面开采过程应力演化分析

通过研究工作面推进至不同距离时，工作面上端头前方高应力集中区应力峰值、应力集中系数、工作面中部超前支承应力峰值、应力集中系数及下端头前方应力集中区应力峰值、应力集中系数的变化情况，对工作面开采过程中的危险区域进行分析，具体数据见表2。

图1 三维数值模型

表1 煤岩物理力学参数表

表2 工作面开采过程中超前支承压力及应力集中系数

由表1可知：随着工作面向停采线的推进，5300工作面上端头前方高应力峰值工作面中部前方支承压力及工作面中部超前支承压力峰值呈现先增加后减小的趋势。在推进工作面612 m时工作面上端头超前支承压力峰值及中部超前支承压力峰值最大。受毕垓断层构造影响，上端头处于高应力状态，应加强监测与防范。

2.2 顺槽在掘进过程中应力演化规律

由图2可知：受毕垓断层的影响，运输顺槽围岩处于高应力状态，应力峰值稳定在28.76MPa～29.81MPa之间，对5300运输顺槽具有较大的影响，应加强冲击危险监测与预警；轨道顺槽应力峰值稳定在24.06MPa～24.95MPa之间，轨道顺槽受毕垓断层的影响相对较小。

图2 顺槽掘进过程中围岩应力变化

2.3 工作面在回采过程中对顺槽的影响

由图3可知，受毕垓断层的影响，5300工作面上端头处于高应力状态，超前支承应力峰值稳定在42.18 MPa～61.90 MPa之间，对5300运输顺槽维护存在较大的影响，应加强冲击危险监测与预警；下端头的超前应力峰值稳定在35.72 MPa～57.96 MPa之间，轨道顺槽受毕垓断层的影响相对较小。

图3 工作面上下端头超前应力峰值与推进距离关系

3 冲击地压监测与防治措施

3.1 监测方案

5300工作面回采期间，主要采用钻孔应力在线监测系统对工作面前方采动应力场及特定区域应力场进行实时监测，记录监测数据并绘制应力变化曲线，实时准确反映采煤工作面煤体应力，及时发现应力超限预警区域，采用钻屑法对预警区进行检验。

根据5300工作面的布置特点及构造特征，工作面前方200m范围内，压力传感器在两顺槽内自工作面前方30m开始布置，轨道顺槽受毕垓断层影响，断层煤柱应力集中程度较高，在轨道两帮安装压力传感器，运输顺槽压力传感器安装在回采实体煤侧，强冲击危险区20m一组，中等冲击危险区30m一组。每组两个测点，间距0.5～2m，埋设深度分别为8m、14m，对工作面回采影响巷道危险区域进行实时应力在线监测预警。