深部地堑构造区域沿空工作面冲击地压分析及防治措施

万 晓 肖自义 袁健博 刘志刚 尚文政 朱铁景 路亚军

（1.山东新巨龙能源有限责任公司；2.国家矿山安全监察局山东局；3.山东科技大学采矿工程研究院；4.兖矿能源集团股份有限公司）

构造型冲击地压是在煤炭开采过程中一种严重的煤岩动力失稳灾害，尤其是在采煤活动接近断层时，无论是能量、破坏强度还是危险程度都明显增加，给矿井生产和安全带来极大的威胁［1-4］。地堑结构是煤炭采掘过程中常见的地质构造之一，是由断层组成的特殊地质构造，在发生冲击地压灾害时，相较传统的冲击地压造成的危险更大。

本文以山东某矿6305 综放工作面为工程背景，分析FL39 断层和FL37 断层组成的地堑构造影响下的冲击危险性［5-6］，综合利用现场调研、数值模拟等方法分析地堑结构附近的煤岩体应力变化，针对高应力集中区域提出相应的冲击地压防治措施［7］。

1 工作面概况

山东某矿工作面埋深为791.04～935.96 m。6305工作面位于北区进风巷以北，东为尚未开采的6306工作面，西为6304 采空区，南为六采下山保护煤柱，北为陈庙北断层保护煤柱，该工作面周围采空区如图1 所示。6305 工作面走向长度平均1 390 m，倾斜长度262.4 m，煤层厚度7.9～10 m，倾角0°～12°，其顶、底板岩性厚度如图2所示。

2 地堑构造

6305 工作面附近断层发育明显且数量较多，其中FL37 和FL39 2 条倾斜的正断层组成地堑复合结构。FL37断层的落差为0～9 m，倾角70°，走向NE，倾向SE。根据工程现场掘进期间显示，6305 下平巷揭露落差2.0 m，该断层落差自西向东呈逐渐减小的趋势；FL39断层的落差为0～10 m，倾角70°，走向NE，倾向NW，该断层在6305 下平巷揭露落差11.0 m，断层落差自西向东呈逐渐增大的趋势。

6305 工作面开采区域地质构造复杂，上平巷埋深为810～830 m，下平巷埋深为815～830 m，工作面回采过程遇上FL37 断层和FL39 断层组成的地堑构造带，可能存在冲击危险。6305 工作面上平巷局部剖面如图3所示，6305下平巷局部剖面如图4所示。

采用工程类比法将6305 工作面与相邻6304 工作面类比可知，6304 工作面采用相关监测卸压措施后，工作面过地堑构造区域期间未发生较大能量事件。根据6305工作面顶板岩性结构和工作面推进方向可知，6305 工作面推进方向与地堑构造延伸方向呈70°～80°，对6305 工作面推进过程分析，期间不易形成三角煤柱，6305 工作面遇地堑构造区域发生大能量冲击地压事件概率较低，但仍存在发生小型冲击地压的危险。

3 数值模拟

3.1 模型建立

为了进一步分析6305 工作面地堑构造带对工作面采掘期间的影响，对上述地堑构造模型进行适当简化，利用FLAC3D建立长700 m、宽250 m、高50 m 的模型，模型底部埋深850 m。FL37 断层和FL39 断层以实际倾角、倾向、走向及落差建立，煤层顶板岩性、厚度根据图2实际钻孔信息建立，模型力学参数如表1所示。总体模型如图5所示，该模型共生成了1 847 569 个网格单元，334 862 个节点。在X和Y方向分别施加边界约束条件，根据现场实测地应力结果施加边界荷载条件及重力荷载条件，模型计算采用摩尔-库伦强度准则。

3.2 巷道掘进

6305 工作面巷道掘进完成后地堑区域应力分布如图6 所示。在掘进6305 上、下平巷之后，巷道两帮应力相对升高，如图6（a）所示；6305 上、下巷道受FL37 断层和FL39 断层影响，在地堑构造区域中的上、下平巷两帮及6305 工作面内出现明显的应力集中，最大应力达到33 MPa 左右，而FL37 断层和FL39断层区域出现较为明显的应力降低，存在应力阻隔现象，如图6（b）所示。

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3.3 工作面回采

6305 工作面回采X方向应力分布如图7 所示。当6305 工作面回采至FL37 断层附近时，已回采煤层下方砂质泥岩、粉砂岩及FL37 断层处出现明显应力降低，而工作面前方20 m 区域受FL37 断层及工作面超前支承压力影响出现局部应力集中，最大应力为34 MPa左右，如图7所示。

通过6305 工作面Z方向应力分布云图可知（图8），6305 工作面回采至FL37 断层时，由于模型边界效应及回采后围岩应力变化，6305 工作面上、下平巷出现较为明显的高应力区，处在地堑构造带的工作面前方及上、下平巷处应力较高，说明受FL37断层及工作面超前支承压力影响，距离FL37 断层15～30 m应力集中程度较高，最大应力在33 MPa左右。

6305 工作面回采地堑煤层X方向应力分布如图9所示。当6305工作面回采至地堑构造带时，工作面上、下平巷及采空区两侧煤柱应力集中程度明显升高，FL37 断层和FL39 断层两侧出现明显的应力降低区。FL39 断层侧未开采区域出现一定的应力变化，但应力集中程度较小，即由于FL39断层的存在，阻断了工作面超前支承压力的传递。

6305 工作面回采地堑煤层Z方向应力分布如图10 所示。通过应力分布云图10 可知，6305 工作面回采地堑构造带时，工作面后方煤柱区域出现局部应力集中，最大应力为58 MPa左右。

综上可知，当6305 工作面回采至FL37 断层时，工作面前方区域受FL37断层及工作面超前支承压力影响出现局部应力集中，并导致局部区域应力集中明显，而在回采至地堑构造带时，由于FL39断层的存在，阻断了超前应力的传递，临近FL39断层的工作面前方区域应力出现一定变化，但变化幅度较小。

6305 工作面回采活动主要导致地堑构造区域发生明显应力环境变化，且应力主要集中在6305 工作面上、下平巷处，可能会造成支架歪抖下滑和压架等事故，需要进一步确定卸压解危措施。

4 综合治理方案研究

6305 工作面遇FL37 断层和FL39 断层组成的地堑结构区域，应力集中现象较为明显，冲击危险性较大，对6305 上、下平巷采取大直径深孔、顶板致裂卸压以及煤层爆破的卸压方案［8-10］，其中针对其复合地堑区域上、下平巷进行深孔卸压［11-15］。

4.1 大直径深孔卸压方案

6305 工作面上平巷为沿空巷道，卸压孔布置在巷道下帮；下平巷为实体巷道，卸压孔布置在巷道两帮。卸压孔施工保持在超前工作面距离300 m 以外，钻孔施工方向垂直巷道轴向，平行煤层层面布置，如图11所示。

4.2 顶板致裂卸压方案

爆破孔布置在6305 工作面两巷切眼以南100 m处，上平巷倾向爆破孔沿工作面倾向布置，每组3 个孔，间距15 m，孔径89 mm，钻孔垂直下帮，仰角为80°，70°，50°，孔深分别为51，53，66 m，装药量分别为75，78，99 kg；上平巷走向钻孔沿巷道走向布置，每组1 个孔，孔间距5 m，仰角70°，孔深50 m，装药量75 kg。下平巷倾向爆破孔沿工作面倾向布置，每组3 个孔，间距15 m，孔径89 mm，钻孔垂直上帮，仰角为80°，70°，50°，孔深分别为51，53，66 m，装药量分别为75，78，99 kg；下平巷走向孔自切眼以南100 处施工，沿巷道走向布置，每组1 个孔，孔间距5 m，仰角70°，孔深50 m，装药量75 kg。

针对大直径深孔以及顶板致裂卸压的方案，可采用应力在线监测和钻屑法煤粉监测进行效果检验，确定施工预防性卸压措施的区域冲击危险性，采用钻屑法煤粉监测执行正常监测参数，实现方案预卸压效果。

4.3 煤层爆破卸压方案

6305 工作面回采期间有冲击危险的区域可采取爆破卸压方案［16-20］，爆破孔垂直于煤壁、平行于煤层，使用煤矿许用炸药和同段别毫秒延期电雷管，炮眼深度15 m，爆破孔间距5 m，炮眼直径42 mm。

钻孔采用正向装药爆破，每孔装药3～5 kg，按照孔内并联、孔间串联的方式，采用长脚线连线，并实现一次装药必须一次连线3～5 个起爆钻孔。在施工解危卸压孔后，必须在距卸压孔前后1 m 左右施工煤粉监测孔检验。

4.4 效果检验

采用应力在线监测和钻屑法煤粉监测对工作面上、下平巷预防性卸压效果检验，在6305工作面施工解危卸压孔后，必须在距卸压孔前后1 m 左右施工煤粉监测孔检验，当卸压效果不明显时，需加密补打卸压孔。采用钻屑法煤粉监测执行正常监测参数。经现场微震监测，应力在线监测和钻屑法煤粉监测合格，实现预期卸压效果。

5 结 论

（1）6305 工作面巷道掘进期间，地堑构造区域出现应力增高，6305 上、下平巷在地堑构造区域有明显的应力集中，最大应力达到33 MPa左右。回采期间，高应力区域集中体现在6305 工作面上、下平巷两侧煤柱区域，最大应力在34 MPa左右。

（2）当工作面回采至FL37断层时，工作面前方区域受FL37断层及工作面超前支承压力影响出现局部应力集中，最大应力为33 MPa左右。工作面上、下平巷应力集中现象更为显著，能量聚集程度更高，冲击危险性更大。在回采至地堑构造带时，由于FL39 断层的存在，阻断了超前应力的传递。

（3）6305 工作面经过地堑构造带及上、下平巷应力高集中区时，可采取大直径深孔卸压、顶板致裂以及爆破卸压方案进行卸压解危，实现工作面安全开采。