鲍店煤矿某工作面的冲击危险性的分析与评价

张传宁，杨 永，张胜功

（山东能源集团鲍店煤矿，山东 邹城 273513）

1 鲍店煤矿5312工作面概况

1.1 工作面位置及四邻关系

5312工作面位于3煤层，与之相邻的5311工作面2010年完成回采，南部一采区1303工作面也已经回采，东北部以铺子断层为采区边界。工作面北起5312切眼①，东部紧邻五采区边界线，西部距5311采空区3.5 m；南至5312设计停采线，距五采第四皮带上山59.4 m，与5311综放工作面停采线停齐；西至5312胶运顺槽，与5311采空区相邻；东至5312辅运顺槽，临近铺子断层。工作面共开3个切眼，面长分别为60 m，120 m和222 m，对应推进长度为174 m、190 m和112 m，煤层底板标高为-497～-450 m，地表高度为+43.44～+43.9 m。

1.2 煤层概况

5312工作面煤层厚度8.08～9.73 m，平均8.65 m，结构简单，煤层硬度系数f=2.9。工作面煤层走向150°～162°、倾向60°～72°、煤层倾角2°～15°。工作面最低点位于5312辅运顺槽③靠近切眼①位置。巷道布置如图1所示。

1.3 煤层顶底板条件

5312工作面直接顶为粉砂岩，厚度3.56 m，节理较发育、易破碎；老顶为粉细砂岩互层，厚度8.47 m，坚硬致密、以细砂岩为主。直接底不发育；老底以细砂岩为主，夹粉砂岩条带，厚度18.43 m，经鉴定煤层具有强冲击倾向性。

2 工作面冲击危险性影响因素

2.1 煤层埋深

深部开采煤层的地应力是影响冲击地压的主要因素，煤层平均垂直应力分量接近与埋深成正比，即埋深越大，地应力越高。5312工作面煤层埋深493.9～540.4 m，垂直应力可达到10.0～13.5 MPa，对冲击地压的影响极大。

2.2 采动影响

煤层的采动导致周边围岩应力扰动，导致岩体应力急剧增加，尤其是在回采工作面附近的暴露面积较大，导致回采区域出现应力集中现象[1]。5312工作面回采时在5311采空区一侧形成应力集中区，铺子断层一侧，工作面超前区域在切眼①推进过程中应力集中程度低，回采至切眼②位置，工作面对接区域应力集中现象更为显著。工作面回采过切眼②后，铺子断层一侧煤柱呈孤岛形态，超前支承压力叠加较大，切眼③在开采过程中的应力集中现象最为明显[2]。

2.3 断层构造影响区域

5312工作面临近铺子断层，工作面回采过程中，断层区域产生的应力集中，对工作面回采有一定影响。5312工作面顺槽靠近铺子断层，在切眼①推进过程中应力集中程度低，影响范围小，铺子断层影响尚不显著。在向切眼②推进过程中，采空区后方保护煤柱易发生应力集中问题，工作面前方的断层保护煤柱应力集中明显。工作面对接后，辅运顺槽远离铺子断层，保护煤柱宽度变大，区域应力集中会有所降低，但是随着采空区增大，保护煤柱由于断层变成较大区域的孤岛，会受到顶板传递过来的应力影响。

2.4 工作面对接区域

5312工作面由切眼①向南开采，开采至切眼②进行对接，切眼②与切眼③对接，由于不规则工作面的存在，应力集中程度会提高，该区域采动应力高，容易引发较强的矿压显现[3-4]。

2.5 侧向支承压力

5311工作面已开采，煤体上方直接顶垮落，老顶回转下沉触矸，上覆岩层冒落时间较长，经过沉降逐渐趋于稳定，经过充水软化，应力降低。5312工作面胶运顺槽沿空掘巷并留设小煤柱，可减小侧向支承压力影响[5-6]。

2.6 开切眼、停采线影响区域

设计工作面的开切眼与停采线对齐，有利于减少相邻开采造成的应力集中。5312工作面切眼内错于5311工作面，停采线对齐于5311工作面停采线，有利于降低冲击危险。

2.7 老顶破断影响区域

从能量条件来看，老顶破断前会使前方煤岩体中积聚弹性能，破断时易导致动力显现。应考虑5312工作面老顶初次破断、见方区域的冲击危险。

3 鲍店煤矿5312工作面冲击危险性评价

影响冲击地压风险的因素较多，其中煤层埋深导致的垂直应力状态和煤岩体的自身强度特征是影响到冲击地压最为关键的因素[7-9]。鲍店煤矿通过采取可能性指数诊断法对5312工作面的冲击危险性进行评价，评价的内容包括：

1）计算采动应力场分布规律和测试煤岩体的冲击倾向性。

2）分别计算应力和冲击倾向性对冲击地压的影响，并得出各自对应的“冲击地压事件”隶属度值，并计算冲击可能性指数。

3）根据可能性指数对标检查判断工作面冲击地压的可能性。

3.1 采动应力场分布规律

采动应力场最大动载荷Ec的计算公式（1）如下：

式中：k为应力集中系数，根据经验在背斜翼部以及断层的影响瞬时动应力集中系数k取值2.5；γ为单位深度载荷值，取值0.02 MPa/m；H为煤层埋深，5312工作面采煤深度最大值为540 m左右，取值540 m。

则按照公式计算得出Ec=2.5×540 m×0.02 MPa/m=27.0 MPa。

3.2 煤岩体的冲击倾向性

经鉴定5312工作面所在的3号煤层具有强冲击倾向性，鉴定结果表明煤层的弹性能量指数Wet＝15.8。

3.3 隶属度计算

应力对应“冲击地压事件”隶属度Uk公式（2）如下所示：

式中：Ic=Ec/σc=27.0 MPa/26 MPa=1.04。对照公式（2），得出采动应力对应“冲击地压事件”隶属度UIc=0.54。

冲击倾向性对对应“冲击地压事件”隶属度公式（3）如下所示：

式中：Wet为弹性能量指数，5312工作面Wet=15.8（依据煤层冲击倾向性鉴定结果）。对照上式，得出冲击倾向性对应“冲击地压事件”隶属度UWet=1。

3.4 冲击地压发生的可能性对标检查

冲击地压发生可能性评价指标表如表1所示。经计算得5312工作面冲击地压的可能性指数U=0.75，对照表1，得出该工作面的冲击地压可能性指数为“可能”。

表1 冲击地压发生可能性评价指标

4 工作面巷道危险区域评价

4.1 胶运顺槽多因素耦合冲击危险性评价

5312工作面胶运顺槽沿5311采空区布置，中间留设3.5 m煤柱，随工作面开采，侧向应力将作用于胶运顺槽，由于胶运顺槽一侧长期处于浸泡状态，煤体冲击倾向减弱，有利于工作面防冲。考虑局部区域受到工作面V-F208断层、V-F209断层、一次见方等叠加影响，相应区域在回采期间存在弱冲击危险。

4.2 辅运顺槽多因素耦合冲击危险性评价

辅运顺槽①沿3号煤底板掘进，靠近切眼③位置临近铺子断层，回采时会受到断层的明显影响，以及顶板断裂等影响，辅运顺槽存在弱冲击危险。回采至停采线附近，辅运顺槽的联合巷由于部分区域存在底煤，会受到采动影响，因此靠近停采线110 m方位内存在弱冲击危险。

辅运顺槽②和辅运顺槽③沿3号煤底板掘进，靠近切眼位置临近铺子断层，回采时受顶板断裂的叠加影响，区域存在弱冲击危险。

4.3 切眼多因素耦合冲击危险性评价

5312工作面由切眼①向南开采，开采至切眼②进行对接，由于不规则工作面该区域受采动应力应力的叠加影响，切眼②位置存在弱冲击危险，由于不规则工作面区域存在孤岛工作面，切眼③位置存在弱冲击危险。

5 结语

1）通过采取可能性指数诊断法对5312工作面开展冲击危险性评价，得出该工作面具备“可能”发生冲击地压的条件。

2）工作面胶运顺槽临近5311采空区，煤柱承载力降低，应加强沿空巷道的矿压监测。工作面辅运顺槽临近铺子断层，须根据揭露断层情况及时修正铺子断层的结构参数，必要时重新评估断层影响。

3）在实际开采过程中要根据影响因素的变化动态调整冲击危险监测指标和防冲技术参数，做好顺槽超前支护相应措施。