兴隆庄煤矿B4322边角煤工作面冲击矿压综合防治技术研究

苗磊刚,常万众

（1.江苏建筑职业技术学院,江苏 徐州 221116；2.兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿,山东 兖州 272100）

0 引言

边角煤工作面在大小、形状、巷道布置及生产系统方面与一般工作面不同，由于边角煤工作面大部分是一般工作面设计时考虑断层等地质因素而不易开采的遗留部分，故边角煤工作面通常距离断层等复杂地质构造区较近，加之工作面尺寸较小，煤柱效应明显，边角煤区域应力集中程度往往较高，因此，边角煤工作面较一般工作面而言，巷道围岩稳定性较差，冲击矿压事故发生的可能性也较大。

1 B4322工作面基本情况

该工作面地面位于工业广场以西、护驾营村西南方向。在工作面地面上方为农田，回采后将引起地面沉降。B4322工作面位于B4320南部（已回采），西部为4322综放工作面（已回采），东靠护驾营村庄保护煤柱，设计停采线与B4320综放工作面停采线平齐。开采-350水平，地面标高+45.5～+47.8，平均+46.6m，工作面标高-293～-352m，埋藏深度为338.5～399.8m。煤层倾角0～14°,平均6.5°。煤层结构复杂，在距顶板2.8～3.0m发育一厚0.03m左右泥岩夹矸。煤层厚度一般在10.3～6.7m，平均8.78m，普氏硬度f=2.3。其中工作面具体布置情况如下图1所示。

图1 B4322工作面布置图

2 B4322工作面围岩应力分布及演化规律模拟研究

2.1 B4322工作面模型的建立

根据B4322工作面的综合地质柱状图及该工作面布置平面图，用FLAC3D数值模拟软件，建立了该工作面回采的FLAC3D模型[2]。根据综放工作面具体情况建的模型图如下图2所示，其中共创建了17652个单元、205979个网格节点。

图2 B4222工作面FLAC3D建模模型

B4322模型倾斜长度为650m，宽度为352m，模型高度为106.4m，整个模型的垂直深度为480m，模型顶部上覆岩层的重量为12MPa，模型的前、后、左、右、底各面均采用固支方式。

2.2 围岩应力分布及演化规律研究

本次主要是模拟B4322工作面受B4320采空区及左侧采空区影响的应力分布规律 ，以确定B4322工作面采场和巷道相关区的应力分布及演化状况，确定B4322高应力区域的大小及其对巷道稳定性的影响。其中在B4322巷道形成后，工作面还未回采的应力大小如下图3所示。

图3 B4322巷道形成后应力云图分布

由图3可以看出，B4322工作面在巷道形成后，由于受临近采空区的影响作用，在工作面切眼左侧形成了一定的应力集中，其应力大小为37Mpa，是原岩应力的3.1倍。同时，由于工作面左侧采空区的存在，造成B4322上顺槽压力值相对下顺槽整体相对偏大，存在一定的应力集中现象，也造成左侧采空区残留煤柱处于很大的应力水平，其最大值约为60Mpa，是原岩应力的5倍。下图4为B4322工作面从工作面推进40m，其煤层底板的应力状态图。

图4 B4322开挖40m时垂直应力云图

2.3 B4322工作面开采过程中的应力变化和分布特征

通过对B4322工作面围岩应力分布及演化规律模拟研究，可得出以下结论：

（1）B4322工作面在巷道形成后，受B4320工作面采空区的影响，在工作面切眼左侧形成了一定的应力集中水平，其应力大小为37Mpa，是原岩应力的3.1倍。同时B4322上顺槽压力值相对下顺槽整体偏大，存在一定的应力集中现象，采空区残留煤柱处于很大的应力水平，其最大值约为60Mpa，是原岩应力的5倍。

（2）B4322工作面由于受工作面前方拐角煤柱、采空区、残存煤柱及的影响作用，随着工作面的逐步推进，在B4322工作面切眼到左侧残留煤柱区域的上顺槽形成很大的应力集中水平，同时工作面左侧应力水平相对右侧较高。

（3）通过对边角煤工作面围岩应力分布及演化规律的数值模拟可知，工作面存在不同程度的应力集中现象，因此，工作面生产过程中仍需加强临近采空区、断层、工作面超前支承压力、残留煤柱等的影响区监测和防治。

3 B4322边角煤工作面冲击矿压综合防治技术

为防治B4322边角煤工作面矿压冲击事故灾害，在采煤面超前支护应力影响范围内应保证超前工作支护，在工作面巷道帮提前使用直径大的钻孔进行预卸压，对于采用钻屑法预测超过指标临界值的区域需要采用卸压解除危险，卸压方法主要采用大直径钻孔技术、煤层注水技术和卸压爆破技术，在应力高的区域优先选用大直径钻孔卸压技术，如果条件允许也可采用煤层注水技术。

3.1 超前支护

B4322工作面超前支承应力影响范围内，煤岩体承受较大的静载荷，具有较高的冲击危险性，可采用超前支护技术，上下顺槽出口超前支护距离L≥60m。上下巷道均使用工字钢和单体支柱配合使用加强支护。所有支立的单体支架必须坚固有力，达到支撑力，走向方向采用成线穿绳联锁布置。两巷支护高度H≥ 2.3m，行人通道宽度L≥ 0.7m，上下巷道变形严重的地方应及时维修改造，保证巷道必需的通风断面和畅通的安全出口，保证生产安全。进、回风巷两帮鼓帮变形时，单体支柱侧向会增加受力，必须及时改柱，防止支柱折断或支柱失去支护作用危及生产安全。

3.2 大直径钻孔卸压

对于采用电磁辐射技术预测异常，且钻屑监测数值达到或超过临界值的位置，应该在该区域前后各50m左右的范围采用大直径钻孔卸压，在回采工作面上或巷道两帮打直径100mm以上，孔深10～50m的卸压孔时，间距范围1.5～2.0m，钻孔应布置在采高中部，和煤壁垂直布置。在掘进工作面采用此技术时，按每10m2断面布置一个卸压钻孔，在断面的中心位置布置打孔，方向要平行于煤壁或按规定的方向布置。

3.3 煤层注水

该技术是向煤层实体注水，利用压力水的物理化学作用，湿润煤体，降低强度，降低煤层的冲击危险性，使高应力区转移向煤体深部，将煤层内可以逆转的弹性能转变为不可逆转的塑性能，从而达到降低危险的作用，同时还可以起到降尘目的。在工作面B4322开采之前，在工作面进、回风巷侧煤壁内进行压力注水，提前软化煤体，减少冲击倾向性，提高诱发冲击的条件，注水时长保持为3个月。

3.4 卸压爆破

经过大直径钻孔卸压后采用钻屑监测或电磁辐射技术判断仍处于高应力的区域，可以采用煤层卸压爆破技术处理。卸压爆破布置在异常区的60m范围内，爆破孔间距为20m，采用煤电钻机或者风动钻机，麻花钻杆配合 mm钻头进行施工钻孔，深度控制在10～15m，和煤壁垂直布置。在B4322工作面煤壁前方的煤体，在利用大直径钻孔卸压后经钻屑监测或电磁辐射技术预测仍为高应力时，也可利用爆破卸压技术，爆破区域为工作面前方100m左右的位置。在使用煤体卸压爆破等技术解除危险后，可通过钻屑法进行效果检验，根据对比爆破前后的钻屑量来判断是否解除了冲击危险性，若依然存在危险，则继续在原来的钻孔之间进行爆破，然后再检验效果，直到解除危险为止。

4 小结

（1）通过模拟、分析研究得出拐角煤柱区、断层、临近采空区、残留煤柱、工作面超前支承压力影响区是B4322边角煤工作面冲击危险的主要影响因素，这些因素综合影响的区域是重点冲击危险区域。因此对冲击危险区域应加强监测，对于形成的高应力状态要及时卸压，防止冲击的发生；

（2）采用超前支护、大直径钻孔卸压、煤层注水和卸压爆破措施等措施防治冲击矿压具有显著的效果，为B4322边角煤工作面的安全回采提供了保障。

[1]黄福昌.兖州矿区深部开采冲击地压防治技术与实践[J].煤炭科学技术，2010(05):1-4.

[2]宋维源,潘一山等.冲击地压的混沌数学模型及预测预报[J].煤炭学报,2001(01):26-30.

[3]曲延伦.兖州矿区冲击地压事故分析及防治措施[J].中国煤炭,2006(10):35-37.

[4]周澎. 特厚煤层综放开采冲击地压防治技术与实践[J].煤炭科学技术，2011(04):35-39.