深井综放开采回采巷道冲击地压防治研究

随着煤矿开采深度增加,综放开采回采巷道易发生冲击地压危害。研究综放工作面回采巷道冲击地压发生机理,结合工程实例,运用FLAC3D软件模拟综放面回采。分析了采用卸压措施前后煤层顶底板及两帮煤体移动变化规律、深部煤岩体受载及变形破坏规律、煤层应力变化及转移规律。研究结果对防治冲击地压有一定参考价值。

深井综放开采回采巷道冲击地压防治研究

摘 要：随着煤矿开采深度增加，综放开采回采巷道易发生冲击地压危害。研究综放工作面回采巷道冲击地压发生机理，结合工程实例，运用FLAC3D软件模拟综放面回采。分析了采用卸压措施前后煤层顶底板及两帮煤体移动变化规律、深部煤岩体受载及变形破坏规律、煤层应力变化及转移规律。研究结果对防治冲击地压有一定参考价值。

关键词：综放开采；冲击地压；应力集中；数值模拟

5 济三煤矿6303工作面辅顺煤体冲击现象

济三煤矿位于山东省济宁市东部，设计井型500万吨，矿井采用的采煤方法为综合机械化放顶煤开采，用直接跨落法管理顶板。6303工作面是六采区的第四个工作面。在其推进1310.7m（辅顺）时，在工作面辅顺距煤壁前方66～96m范围内，实体煤侧煤体瞬间突出，将工作面移动变电站的7个车盘子掀翻，造成工作面停产。煤体向巷道内冲出1～2m，冲出的煤体与顶板离层100～200mm。由于冲击地点附近没有作业人员，未造成人员伤亡。之后该辅顺又发生了几次小范围冲击。掘进期间也曾发生过三次冲击。

5 综放开采的计算模型

据济三煤矿提供的地质资料：六采区回采的3下煤层顶板老顶为坚硬稳定的中砂岩，泥硅质胶结，厚度大，平均厚度在23m左右，f =8～10。局部有直接顶，赋存不稳定，为粉砂岩和粉细砂岩互层，厚度在0～7m之间，f =4～6。3下煤层煤厚7.06～1.92m，平均4.75m。硬度f =1～2，倾角0～10°（大部分3～5°）。煤质性脆，硬度低，f =1～2，局部层理裂隙发育，具有较高的强度，单向抗压强度值为25Mpa。6303辅顺为沿空掘进巷道，东临6302工作面采空区，护巷煤柱宽度4m，巷道全长2144m，巷道绝对标高-636.2～-678m，地表标高+33.7m，埋深669.9～771.7m。该巷沿3下煤底板掘进。

3下煤层覆存深度大、强度高、弹性大、脆性大，能积聚较多的弹性能，且其顶板厚度大、坚硬，符合冲击危险煤层的基本特征。可以判断在一定条件下，能产生冲击地压危害。本文数值模拟对模型采用虎克-布朗（Hoek-Brown）强度准则： （1）式中： 为岩石峰值强度的最大主应力； 为最小主应力； 为煤岩单轴抗压强度； 为材料常数，它们取决于煤岩性质和原始破裂状况。此外，当拉应力超过材料的抗拉强度时，材料单元发生拉破坏。

三维计算模型的长、宽、高设置为120m，120m和70m。由于计算模型主要考察巷道、顶板的变形和破坏情况及计算模型的单元所限，对计算模型单元采用不等分划分（见图1）。计算模型共划分有72000个立方体单元，模型侧面限制水平移动，底面限制垂直移动，上部施加上覆岩层的自重应力。

本次数值模拟对模型进行适当的简化，视上覆 图1 计算模型单元网格划分示意图

随着煤矿开采深度增加,综放开采回采巷道易发生冲击地压危害。研究综放工作面回采巷道冲击地压发生机理,结合工程实例,运用FLAC3D软件模拟综放面回采。分析了采用卸压措施前后煤层顶底板及两帮煤体移动变化规律、深部煤岩体受载及变形破坏规律、煤层应力变化及转移规律。研究结果对防治冲击地压有一定参考价值。

岩层、煤层和底板为均质、各项异性材料，不考虑岩层和矿体中的结构面、裂隙和软弱夹层对强度的影响。同时只对综采沿空巷道围岩破裂特性、范围及应力应变分布进行分析，略去周期来压对顶煤与直接顶破裂的影响。

5 计算过程及结果分析

模型计算从形成原始应力场开始，由于6303辅顺为沿空掘进巷道，东临6302工作面采空区，所以运算达到初始平衡后将模型左边30m宽的煤层性质采用了弱化措施，作为初始应力降低区，其周边围岩受到较大集中应力，如图2(a)所示。同时在模型中设了一系列点，从巷道开始掘进，就记录下这些点的位移与应力变化情况。计算时，首先在模型中形成顺槽和切眼，即在相应空间中把实单元变为空单元。然后，工作面每推进4m记录一次计算结果。由于工作面的不断推进，采空区和跨落区始终处于运动和变化之中，致使计算过程需要不断变换跨落区材料单元的力学参数和跨落区域。采空区跨落的矸石用一种弹模和强度较小的材

料单元替代。

从最大主应力的等值图（图2(b)）分析可知：支承压力的峰值出现在6303辅顺实体煤侧距煤帮距离约7～9m，分析其受较大集中应力的原因为：①6303辅顺掘进后，其巷道两帮煤体受到塑性破坏，支承能力降低，应力向附近区域转移。②由于老顶坚硬且厚度大，6302工作面采空区顶板未能完全跨落，造成实体煤侧受到集中应力。因此在采空区边缘煤体内出现集中应力，且距离沿空巷道较近，从而在巷帮与集中应力区之间产生较大的应力差，使巷帮产生破坏，集中应力向煤岩体深部转移。在地质构造附近及煤层赋存异常的地点，这种应力转移不能正常进行，产生局部应力集中，并积聚大量能量。在能量积累到一定程度时，再受到某种扰动，则会出现冲击地压显现。

在煤矿实际操作中，其目前常用的解除冲击危险的措施为卸压爆破法及钻孔卸压法，济三煤矿先是采用大直径钻孔卸压的方法。共计施工卸压孔6个，深度8.3m～18.5m，终孔直径分别为56mm、

随着煤矿开采深度增加,综放开采回采巷道易发生冲击地压危害。研究综放工作面回采巷道冲击地压发生机理,结合工程实例,运用FLAC3D软件模拟综放面回采。分析了采用卸压措施前后煤层顶底板及两帮煤体移动变化规律、深部煤岩体受载及变形破坏规律、煤层应力变化及转移规律。研究结果对防治冲击地压有一定参考价值。

110mm、130mm。但由于煤层内应力集中，施工过程中卡钻现象较严重、抽钻杆困难、孔内煤炮声频繁。由于施工卸压孔困难，难以达到卸压的目的，决定采取卸压爆破法。由于6303辅顺临近6302采空区，采空区上覆裂断岩梁与6303辅顺及保护煤柱上覆岩梁之间以砌体梁的状态存在，通过爆破，将砌体梁破断，或利用爆破在顶板中形成裂隙，破坏其整体性，降低其强度，释放因压应力而聚集的能量。卸压爆破从工作面煤壁处开始，至辅顺1800m处，分别对顶板和实体煤帮进行卸压爆破。卸压爆破是利用爆破形成的冲击波以最大限度的释放煤体中聚集的弹性能，形成卸压破坏区，使应力集中区向煤体深部转移。

由于FLAC软件是静态有限差分程序，它对爆破动态作用过程无法处理，因此，本文在模拟过程中，对爆破范围内的顶板与煤体采用了弱化措施，即在模型计算过程中降低相应单元的强度和弹模。图2©为采取卸压措施后的最大主应力等值图。

从不同时期最大主应力的等值图（图2）分析可知：煤层中支承压力分布具有明显的分区特征，即在未掘进顺槽时，应力集中区分布在6302工作面采空区的两侧（图2(a)）；顺槽开挖，随着工作面地推进，应力集中区一处在6303辅顺实体煤侧距煤帮约7～9m，另一处则位于6302工作面采空区一侧深处，6303顺槽围岩的最大主应力值明显降低（图2(b)）。在顺槽中采用卸压方案后，巷道围岩出现卸压破坏区，集中应力区明显向煤体深部发展至10-14m（图2(c)）。

随着煤矿开采深度增加,综放开采回采巷道易发生冲击地压危害。研究综放工作面回采巷道冲击地压发生机理,结合工程实例,运用FLAC3D软件模拟综放面回采。分析了采用卸压措施前后煤层顶底板及两帮煤体移动变化规律、深部煤岩体受载及变形破坏规律、煤层应力变化及转移规律。研究结果对防治冲击地压有一定参考价值。

图3为卸压前、后最大主应力的等值图。从图3可以看出，较大应力集中区在图中显示为平行于回采巷道的长带，采用卸压方案后，回采巷道围岩受到的集中应力向煤体深部转移约3～5m （图中每一个网格的长和宽都代表实际大小2m）,在6303顺槽实际测量结果为2～3m。平行于工作面煤壁前方6m左右处也为应力集中区，但其集中营力值较小。这块矩形煤体边角处，回采巷道实体煤侧的集中应力与工作面煤壁前方的集中应力在其区域内叠加，致使该处受到最大集中应力，因而能量最容易积聚，又由于该区域不断地受开采扰动，可以认定边角处煤体最容易发生冲击危险。在采用卸压方案后，应重点检验该区域的卸压效果。

图4为布置在模型回采巷道围岩部分测点处位移变化曲线图。其中1～6号测点布置在6303顺槽实体煤侧，它们从掘进6303顺槽开始，一直记录到工作面推进距2、4、6号测点4m处。其中1、2号测点距煤帮6m，3、4号测点距煤帮10m，5、6号测点距煤帮14m。它们记录的位移变化情况如图4所示。 从图4中可以看出：在顺槽掘进至工作面切眼完成阶段，明显出现位移为1、2号测点处，其原因是1、2号测点距煤帮仅6m，顺槽掘进使其围岩应力集中，1、2号测点处受其影响从而产生变形。3、4、5、6号测点位于围岩深部，此时基本不受影响。由于1号

测点附近顺槽先被掘出，1号测点的位移数值略大于2号测点。随着工作面的推进，回采巷道围岩的应力集中区逐渐向深部转移。3、4号测点处也产生位移，5、6号测点处不受影响，1、2号测点处位移逐渐增大。对回采巷道采用卸压方案后，应力集中区进一步向围岩深部转移。5、6号测点处也产生位移。1、2、3、4号测点处位移值明显增大。在工作面推进至距2、4、6号测点4m处，这三点处位移值都急剧上升说明煤壁前方4m处煤体已发生塑性破坏。

随着煤矿开采深度增加,综放开采回采巷道易发生冲击地压危害。研究综放工作面回采巷道冲击地压发生机理,结合工程实例,运用FLAC3D软件模拟综放面回采。分析了采用卸压措施前后煤层顶底板及两帮煤体移动变化规律、深部煤岩体受载及变形破坏规律、煤层应力变化及转移规律。研究结果对防治冲击地压有一定参考价值。

在现场观测可以发现靠近6303辅顺的工作面经常因煤体破碎而使煤壁自动垮落因而有5～10个支架超前推进。结合图3、4可以看出：在巷道围岩深部发生较大支承压力集中时，其应力集中区域会发生形变，若煤质性脆，硬度低，煤体则会发生较大损伤。在工作面推至其附近时，由于该区域煤体承受较大的应力差，再受到采动扰动，就会发生自动垮落现象。以此可以对综采面的冲击地压危害进行预警：在有冲击地压危害的综采面，采取卸压措施后，集中应力往煤岩体深部转移，煤壁自动垮落位置应稳定且距回采巷道较远。在地质构造附近及煤层赋存异常的地点，这种应力转移不能正常进行，产生局部应力集中，并能积聚大量能量。此时若跨落位置向回采巷道方向偏移，表明较大应力集中区域位于距回采巷道较近位置，应对该段采取卸压措施及相关的安全措施。

4现场冲击危险检测

在6303综放面冲击地压治理整个过程中，进行了全程矿压专项观测，检测卸压爆破效果，进一步监测冲击危险区域，判断冲击危险解除与否。采用的方法有：①电磁辐射仪监测，②用钻孔窥视仪检测顶板爆破效果，③钻屑法检测冲击危险及卸压效果。

5易发生冲击地压段工作人员避险措施

据济三煤矿几次发生冲击地压的记录资料，可以发现发生冲击地压处都在距工作面100m范围内的辅顺段，而且当时采煤机多在工作面遛尾处工作。此现象说明动压是诱发6303辅顺发生冲击地压的重要原因之一。为此规定：采煤机向溜尾方向运行，在通过100号综采支架后（共161个支架，溜尾处为161号），工作人员禁止通过辅顺的超前支护段。同时在回采过程中加强对辅顺超前支护段锚网支护，避免在发生冲击地压时造成人员伤亡。

6主要结论

随着煤矿开采深度增加,综放开采回采巷道易发生冲击地压危害。研究综放工作面回采巷道冲击地压发生机理,结合工程实例,运用FLAC3D软件模拟综放面回采。分析了采用卸压措施前后煤层顶底板及两帮煤体移动变化规律、深部煤岩体受载及变形破坏规律、煤层应力变化及转移规律。研究结果对防治冲击地压有一定参考价值。

（1）FLAC有限差分程序能较好地模拟综放开采煤层顶底板及两帮煤体移动变化规律、深部煤岩体受载及变形破坏规律、煤层应力变化及转移规律，在采矿工程计算领域值得推广。

（2）所采用的钻孔卸压法与卸压爆破法能有效地使应力集中区域向围岩深部转移，减小了在综放开采回采巷道内发生冲击危险。

（3）煤体边角处为最大应力集中区，能量最容易积聚，由于该区域不断地受开采扰动，可以认定边角处煤体最容易发生冲击危险。在采取卸压措施后，应重点检验该区域的卸压效果。

（4）工人在生产过程中通过观测煤壁垮落位置来判断应力集中区域是否靠近回采巷道，从而能及时采取卸压等措施消除冲击危险。

（5）在工作面超前支护段加强锚网支护，并规定采煤机在附近工作时禁止人员该段通行，避免因冲击地压造成工作人员伤亡。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/a15q.html