冲击地压矿井综采工作面同时相向回采可行性分析

李 磊

(中煤科工能源科技发展有限公司，北京 100000)

冲击地压是煤矿井下开采过程中常见的重大自然灾害之一，给矿井安全生产带来极大威胁[1]。近年来，受煤矿开采强度和开采深度不断增大及矿井开采布局和开采条件的复杂多变性等多种因素影响，冲击地压灾害发生的频次和强度也逐渐增大[2-3]，特别是相向同时回采工作面，由于2个工作面同时回采时相向的应力产生叠加作用，使相向同时回采的2个工作面周围顶底板应力强度和上覆岩层运动程度进一步增大，与常规开采工作面情况相比，受到冲击地压灾害危险性程度更高[4-6]。因此，冲击地压矿井在出现工作面相向同时回采时，分析研判其回采的可行性显得尤为必要。本文以大有能源股份有限公司耿村煤矿13230工作面和13200工作面为研究对象，通过应用理论分析、数值模拟分析等方法，确定13230工作面和13200工作面同时回采的可行性，并提出冲击地压防治技术建议，为工作面安全回采提供了一定的参考依据。

1 工程概况

1.1 矿井及工作面概况

耿村煤矿设计生产能力120万t/a，经多次升级改造后，核定生产能力360万t/a。矿井主采2-3煤层，煤层埋深626～698 m，煤层厚度0.32～20.82 m，平均厚度9.12 m。2-3煤层属半暗煤型，煤层倾角11°，煤层坚固性系数1.5，煤层具有冲击倾向性，属于高瓦斯矿井。煤层顶板无伪顶，直接顶为灰黑色、黑色泥岩，粉砂质泥岩；基本顶为分层厚度6～10 m、总厚度大于100 m的坚硬砂岩。煤层直接底为黑色炭质泥岩，厚度约2 m；基本底为泥岩、细砂岩、粉砂岩互层，局部有煤屑。

耿村煤矿13采区采用走向长壁后退式综采放顶煤开采工艺，全部垮落法控制顶板，该采区现采工作面13230工作面，接替面为13200工作面，工作面布置如图1所示。13230工作面地质构造简单，煤层赋存较稳定，煤层整体呈南东倾斜的单斜构造，工作面煤层平均厚度为17.4 m，煤层结构较复杂，局部层理紊乱，煤层破碎松软，工作面走向可采长度971 m，倾斜长196 m；13200工作面地质构造条件中等，煤层赋存较稳定，煤层整体呈南东倾斜的单斜构造，工作面所采煤层平均煤厚19.3 m，煤层结构较复杂，煤层破碎松软，工作面可采长度748.7 m，倾斜长245 m。两工作面煤层冲击危险性评价结果为强冲击和中等冲击。

图1 13301工作面与13302工作面布置Fig.1 Layouts of No.13301 and No.13302 working faces

1.2 工作面同时回采方案

根据矿井采掘接续情况，13230工作面与13200工作面将在一段时间内出现同时回采，具体情况如下：①13230工作面自东向西回采，13200工作面自西向东回采；②13230工作面回采至距终采线108 m时，13200工作面开始回采，两工作面形成同时回采，此时两工作面间隔距离1 055 m；③在工作面同时回采期间，13230工作面推进度为每天1刀(0.6 m)，13200工作面推进度为每天1刀(0.8 m)；④13230回采结束时，13200工作面回采144 m，两工作面同时回采结束，13200工作面开始进入单采阶段，此时两工作面距离804 m；⑤13200工作面单采结束时与13230工作面终采线相距200 m。

2 工作面同时回采影响分析

为研究分析两工作面同时回采可行性，根据工作面地质条件及不同回采阶段，通过FLAC3D软件，在两工作面中部沿走向剖面建立同时回采模型[7-11]，根据工作面同时回采期间及单独回采期间的时空条件，设计了5个模拟阶段(表1)，对13230、13200工作面同时回采可行性进行数值模拟分析。

2.1 数值计算模型及参数

为全面系统地反映13200、13230工作面按表1不同阶段回采后，超前支承压力的分布规律及应力的相互叠加效应，分析工作面同时回采可行性。以13200工作面和13230工作面所在区域地质条件和开采技术条件为研究背景(图2)，采用FLAC3D建立数值模型(图3)，模型范围为1 300 m(长)×225 m(高)，单元网格数为163 994，节点数为246 459。由于模型尺度有限，建模时考虑煤层上方100 m范围的岩层，其他上覆岩层施加重力；受边界效应的影响，模型两侧应力分布特征与实际情况出现偏差；由于模型两侧是工作面采空区，不作为研究的重点。因此，仅分析两工作面之间的应力分布特征。

表1 13200与13230工作面同时回采可行性分析数值模拟Tab.1 Numerical simulation of feasibility analysis for simultaneous mining of No.13200 and No.13230 working faces

图2 区域地质条件与开采技术条件模型Fig.2 Model of regional geological conditions and mining technology conditions

图3 同时回采可行性分析数值模型Fig.3 Numerical model of simultaneous mining feasibility analysis

2.2 13200与13230工作面同时回采可行性分析

(1)阶段1：13230工作面正常回采，13200工作面开始回采。13200工作面超前支承压力峰值点位于工作面前方37 m，采动应力集中系数1.59，超前影响范围157 m；13230工作面超前支承压力峰值点位于工作面前方25 m，采动应力集中系数1.50，超前影响范围165 m；两工作面之间733 m未受采动影响。13230工作面正常回采，13200工作面开始回采的应力云图如图4所示，数据分析如图5所示。

图4 13230工作面正常回采、13200工作面开始回采应力云图Fig.4 Stress nephograph of normal stoping at No.13230 working face and starting coal winning at No.13200 working face

图5 13230工作面正常回采、13200工作面开始回采应力分析Fig.5 Stress analysis of normal mining at No.13230 working face and starting coal wining at No.13200 working face

(2)阶段2：13230工作面回采完毕，13200工作面正常回采。13200工作面超前支承压力峰值点位于工作面前方33 m，采动应力集中系数1.97，超前影响范围170 m；13230工作面超前支承压力峰值点位于工作面前方21 m，采动应力集中系数2.00，超前影响范围206 m；两工作面之间428 m未受采动影响。13230工作面回采完毕，13200工作面正常回采的应力云图如图6所示，数据分析如图7所示。3条下山距离13230工作面终采线60～137 m，小于工作面的超前支承压力影响范围，将受13230工作面回采的影响。

图6 13230工作面回采完毕、13200工作面正常回采应力云图Fig.6 Stress nephograph of completion of mining at No.13230 working face and normal coal wining at No.13200 working face

图7 13230工作面回采完毕、13200工作面正常开采应力分析Fig.7 Stress analysis of completion of mining at No.13230 working face and normal mining at No.13200 working face

(3)阶段3：13230工作面回采完毕，13200工作面继续向前回采400 m。13200工作面超前支承压力峰值点位于工作面前方37 m，为31.25 MPa，采动应力集中系数2.26，超前影响范围164 m；两工作面之间124 m未受采动影响。13230工作面回采完毕，13200工作面继续向前回采400 m的应力云图如图8所示，数据分析如图9所示。

图8 13230工作面回采完毕、13200工作面继续向前 回采400 m的应力云图Fig.8 Stress nephograph of the completion of mining at No.13230 working face and continuing coal wining 400 m forward at No.13200 working face

(4)阶段4：13230工作面回采完毕，13200工作面继续向前回采500 m。13200工作面超前支承压力峰值点位于工作面前方36 m，为31.93 MPa，采动应力集中系数2.30，超前影响范围164 m；两工作面之间30 m未受采动影响。13230工作面回采完毕，13200工作面继续向前回采500 m的应力云图如图10所示，数据分析如图11所示。

图9 13230工作面回采完毕、13200工作面继续向前回采 400 m的应力数据分析Fig.9 Stress analysis of completion of mining at No.13230 working face and continuing coal wining 400 m forward at No.13200 working face

图10 13230工作面回采完毕、13200工作面继续向前 回采500 m的应力云图Fig.10 Stress nephograph of completion of mining at No.13230 working face and continuing coal wining 500 m forward at No.13200 working face

图11 13230工作面回采完毕、13200工作面继续向前 回采500 m的应力数据分析Fig.11 Stress analysis of the completion of mining at No.13230 working face and and continuing coal wining 500 m forward at No.13200 working face

(5)阶段5：13230工作面回采完毕，13200工作面回采完毕。13200工作面超前支承压力峰值点位于工作面前方26 m，为36.81 MPa，采动应力集中系数2.65；两工作面之间的平均垂直应力为19.38 MPa，为原岩应力的1.39倍。3条下山距离13200工作面终采线的距离为66～143 m，小于工作面的超前支承压力影响范围，将受13200工作面回采的影响。13230工作面回采完毕，13200工作面回采完毕的应力云图如图12所示，数据分析如图13所示。

图12 13230、13200工作面回采完毕的应力云图Fig.12 Stress nephograph of completion of coal wining at No.13230 and No.13200 working faces

图13 13230、13200工作面回采完毕的应力数据分析Fig.13 Stress analysis of completion of coal wining at No.13230 and No.13200 working faces

3 两工作面同时回采可行性分析及冲击地压防治

3.1 可行性结果分析

13200工作面与13230工作面不同回采阶段数值模拟结果汇总见表2。

(1)工作面同时回采期间13230工作面应力模拟结果。工作面超前支承压力的最大值为20.74～27.65 MPa，应力峰值点位于工作面前方21～25 m，采动应力系数为1.50～2.00，超前影响范围到工作面前方206 m。

表2 13200、13230工作面同时回采数值模拟结果Tab.2 Numerical simulation results of simultaneous coal mining at No.13200 and No.13230 working faces

(2)工作面同时回采期间13200工作面应力模拟结果。工作面超前支承压力的最大值为21.98～27.24 MPa，应力峰值点位于工作面前方33～37 m，采动应力系数为1.59～1.97，超前影响范围到工作面前方170 m。

(3)工作面单采期间13200工作面应力模拟结果。工作面超前支承压力的最大值为31.25～36.81 MPa，应力峰值点位于工作面前方23～37m，采动应力系数为2.26～2.65，超前影响范围到工作面前方200 m。最大应力值位于13200工作面终采线附近。

(4)13200工作面停采时应力模拟结果。13200工作面超前支承压力的最大值为36.81 MPa，应力峰值点位于工作面前方26 m，采动应力系数为2.65。超前支承压力与13230工作面支承压力相互叠加。

(5)3条下山距13230工作面终采线60～137 m，距13200工作面终采线66～143 m，小于两工作面的超前支承压力影响范围，3条下山均受到两工作面回采的影响。模拟结果表明，同时回采期间两工作面距离1 055～804 m，未受采动影响距离733～428 m；符合《煤矿安全规程》的相关规定[12]；单采期间两工作面距离804～200 m，未受采动影响距离428～0 m。13200工作面单采期间的采动应力和影响范围均高于同时回采期间，13200工作面单采期间冲击地压危险性进一步增大。两工作面的同时回采期间相互影响很小，不是引发冲击地压的主要因素。13200和13230工作面可以按计划进行回采。根据工作面回采期间冲击地压危险性评价结果，制定专项防冲措施，加强工作面的冲击地压防治工作。

3.2 冲击地压防治建议

(1)冲击地压发生受多因素影响，冲击危险存在于13200和13230工作面整个回采阶段，13200工作面单采期间冲击地压危险性进一步增加，邻近3条下山区域冲击地压危险性更大，建议加强回采全过程的监测和防治工作。

(2)工作面回采期间，冲击地压防治以工作面两巷超前施工卸压钻孔、煤层超前深孔注水、提高支护强度等作为常规措施，以底煤卸压、深孔爆破等作为特殊卸压措施；同时根据工作面钻屑法效果检验、应力监测和微震监测等综合监测结果，对工作面有冲击地压危险的重点区域及时优化调整卸压措施相关参数和支护方式及工艺。

(3)两工作面同时回采期间严格执行错时生产，避免同时相互扰动。为避开13230工作面回采扰动与13200工作面回采扰动时间叠加，13230工作面和13200工作面严格执行错时生产，13230工作面四点班进行生产，13200工作面零点班进行生产。

(4)降低回采强度，严控推进速度，保持匀速推进。13230工作面末采期间，坚持每天1刀煤，即0.6 m/d；13200工作面回采期间，严格按照每天1刀煤，即0.8 m/d。两工作面均保持匀速回采，坚持“既定”工作面循环，严禁随意调整工作面推进度。

4 结语

(1)根据13230、13200工作面同时回采方案，将工作面划分为5个回采阶段，结合工作面地质条件和5个回采阶段的情况，利用FLAC3D数值模拟软件，建立工作面同时回采期间不同阶段回采模型，综合分析研判两工作面同时回采是可行的。

(2)通过对13230、13200工作面不同阶段回采情况进行数值模拟分析，结果表明，两工作面同时回采期间相互影响很小，不是引发冲击地压的主要因素；13200工作面单采期间的采动应力和影响范围均高于同时回采期间。两工作面回采期间需制定冲击地压专项措施，加强回采全过程的监测和防治工作，同时根据工作面钻屑法效果检验、应力监测和微震监测等综合监测数据结果，对工作面有冲击地压危险的重点区域及时优化调整卸压措施相关参数和支护方式及工艺。