综放采场沿空区段巷道底板冲击地压防治及工程实践

高晓彬

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 兴县 033602）

0 引 言

从我国能源的生产和消费结构看，在未来数十年内，煤炭作为我国的主导能源不可替代。然而，数据显示，我国煤矿平均开采深度正在以每年8-12m的速度增加[1]。随着浅部资源逐渐消耗殆尽，深部开采势在必行。深部煤层具有赋存复杂、承压大、构造活跃等问题，动力灾害发生频繁，严重程度加剧。其中，冲击地压问题尤为突出。

在中国学术期刊网内检索2001-2017年17年间的冲击地压相关文献，共检索论文533篇，涉及矿井121个，发生在回采工作面、掘进巷道和回采巷道的冲击地压数量分别为16个、48个和57个，巷道冲击地压约占87%的比例。由此可见，近年来绝大多数冲击地压灾害都发生在巷道中，因此治理巷道底板冲击地压的发生，对有效防治冲击地压意义重大。

1 冲击地压影响因素分析

煤岩体开挖后，应力平衡瞬间被破坏，冲击地压便是煤岩体应力失衡后发生猛烈破坏的一种动力现象，其诱发因素既有煤岩体本身的力学性质影响，又有外力影响。

1.1 开采深度

岩体在三轴应力状态下，其内部集聚有大量弹性能，根据能量守恒，冲击地压发生时，变形弹性能将全部对煤岩体做功使其产生破坏和运动。由此推导出冲击地压发生的临界深度：

式中：Rc为煤岩体的单向抗压强度；γ为容重；调整系数，λ为侧压系数。

从式（1）可以看出，冲击地压临界深度H与煤岩体的单轴抗压强度Rc、容重γ以及侧压系数λ有关，不同矿井冲击地压发生的临界深度不同。开采深度越大，冲击地压发生的可能性越大，发生次数越频繁。

1.2 地质构造

据统计，发生在构造带（主要指断层、褶皱、相变）附近的冲击地压占所有冲击地压发生次数的70%以上[2]。

因构造带附近水平应力较高，侧压系数增大，从上式（1）可以看出，侧压系数λ越大H越小，构造带减小了冲击地压发生的临界深度，增加了冲击地压发生的可能性。

1.3 采煤方法

采煤方法对冲击地压的影响主要表现在支承压力分布的影响范围上。如图1所示，与单一煤层开采相比，综放开采一方面使超前支承压力的分布范围增大，应力峰值降低，增大了压力分布范围，有利于防止冲击地压；另一方面，裂隙区的增大改变了煤体的力学性质，使得煤体内的弹性能在释放时得以消耗和缓冲，在一定程度上降低了冲击危险性。

图1 综放与单一煤层开采支承压力分布对比

1.4 巷道布置

巷道布置对冲击地压的影响主要在于是否人为造成应力的集中或叠加，要避免形成“孤岛”或“半岛”的现象，引起应力集中。

2 冲击地压防治措施

目前，我国煤矿防治冲击地压的方法主要有局部主动解危方法和区域性防范方法[3][4]，其中前者包括断顶、断底爆破、底板开槽卸压等，后者包括优化巷道布置、开采保护层等。

1）局部主动解危方法。深孔断顶卸可以造成厚层坚硬顶板的预先断裂，削弱厚层顶板的连续性，减小压力集中，以减弱或消除冲击地压危害。

2）区域性防范方法。采用采矿优化设计方法能够从源头上消除或减小应力集中程度，降低冲击危险。如利用上区段采空区顶底板压力释放的优点，将下区段回风巷布置于卸压位置，有沿空留巷、错位布置等。

3 工程实践

某矿采用斜井多水平开拓方式，矿井采用分组开采方式，4#、6#煤层为一组，平均倾角为33°，6#煤作为保护层开采，已开采至-1010m。4#煤层平均厚度为6.4m，曾多次发生冲击地压。1412工作面采用综采放顶煤方法开采，本次工程实践为1412工作面区段回风巷的防冲设计。

3.1 沿空巷道底板防冲设计

根据2-3节分析，本次实践拟采用优化巷道布置的思路来完成1412工作面区段回风巷的防冲设计。

1）方案一。方案一考虑把沿空巷道布置在上工作面运输巷正下方，即无煤柱布置方式，同时减少了资源浪费，具体布置方式见图2。

图2 方案一沿空巷道布置图

2）方案二。因采深较大，仅靠解放6#煤不能完全消除冲击地压发生的可能性，方案二考虑寻找“假解放层”，将1412回风巷向1411采空区下方内错布置，具体布置方式见图3。

图3 方案二沿空巷道布置图

3.2 数值模拟

根据该矿地质资料，利用FlAC3D数值模拟考察两种方案下1412回风巷的变形情况、应力云及塑性区分布。

1）两种方案围岩应力分布考察。

图4 两种方案下开巷道围岩应力云分布图

由图4对比可以看出，方案一1412回风巷围岩承压较大，在支护完整的情况下，必然造成底板压力集聚，进而引起冲击地压。方案二1412回风巷围岩应力整体偏低，围岩承压分布均匀，有利于防止冲击地压。

2）两种巷道围岩塑性区考察。

由图5可见，巷道开挖后，巷道周围围岩表现不同程度的破坏，方案二的塑形破坏区远比方案1的大，也就表明围岩对冲击的缓冲能力较强，这对于防止冲击地压是极其有利的。

3）两种方案下超前支承压力考察。

由图6对比可以看出，方案二工作面前方最大支承压力较小，有利于巷道维护。

图6 两种方案超前支承压力分布图

4）两种方案最大底鼓量考察。

图7 两种方案工作面后方50m处最大底鼓量对比

由图7对比可以看出，两种开采方式下顶底板位移量均相对较小，但方案二后期底鼓量增加较少，有利于巷道维护。

4 结 论

1）冲击地压临界深度与煤岩体的单轴抗压强度、容重以及侧压系数有关，不同矿井冲击地压发生的临界深度不同。开采深度越大，冲击地压发生的可能性越大，发生次数越频繁。

2）在开采有冲击危险性的煤层时，应做好前期的地质探查工作，尽量避免巷道布置于较大的构造带内。合理布置工作面，合理选择采煤方法可在一定程度上规避冲击危险性。

3）巷道优化布置对于工作面超前支承压力峰值大小、位置影响较大。合理的巷道布置，对于分散支承压力、缓冲围岩应力效果比较明显，应力分布相对均衡。

4）防冲巷道布置方案下，底鼓量均较小，有利于巷道的维护。