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基于冲击危险区域划分的煤炭开采率提升实践暴斌（山西兰花科创公司伯方煤矿分公司，山西高平048400）摘要：结合伯方煤矿实地工程，根据 3209 工作面具备的开采地质条件，研究分析确定该工作面主要冲击影响因素，同时通过多因素叠加法对 3209 工作面回采过程中可能出现冲击危险区域进行划分，经评价之后确定保护开采技术，以此达到煤矿在安全开采情况下提高采出煤炭量、减少资源浪费、提高整体煤炭采出率、提高资源利用率及节能环保的目的。关键词：提高资源利用率；提高采出率；多因素叠加法；危险区域划分；灾害防治中图分类号：TD311文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）09-0154-030引言随着能源行业的不断发展，国家对煤炭开采行业的要求不断提高，煤炭虽然不是清洁能源，但是属于不可再生能源，因此，提高煤炭资源的利用率势在必行。同时，煤炭在我国能源行业中所占比重巨大，实现煤炭行业的节能环保对整个能源行业也有着重要意义。所以煤矿一经开采，就需要尽可能地采出整个矿井所能采出的所有煤炭，这样才能确保采出率和资源利用率。近年来，我国矿井开采深度不断加大，也避免了开采基础设施的多次布置造成的资源浪费，但是由于随着开采深度的不断增加，煤层顶底板承受压力也越来越大，相应的力学问题也越来越复杂。在这种情况下，煤矿冲击地压的发生频率不断加大，已成为威胁煤矿安全生产的重大隐患1-4。尤其是当形成了孤岛工作面时，因孤岛工作面受到 2 面或 3 面采空区的应力叠加作用5，相应的冲击地压问题也尤为严重。为有效防治冲击地压灾害，使管理部门能对工作面回采过程中可能出现的冲击危险问题提前准备，现结合相应理论分析和前人学者总结的经验6-8，根据伯方煤矿实地工程情况，采用多因素叠加法对 3209 工作面回采过程中可能出现冲击危险区域进行划分，为煤矿管理部门冲击地压防治工作的开展提供前期数据参数。划分区域后能够提高安全区域的采出率，同时可安全开采出特殊条件下的煤炭，使资源得到充分利用。1工程概况伯方煤矿地处于山西高平西北方向 7 km 寺庄镇伯方村西，矿井生产能力 180 万 t/a，现开采 3 号煤，3209 综放工作面位于二盘区。表 1 为 3 号煤层的顶底板情况。2多因素叠加法概述多因素叠加法指的是综合看待问题并全面分析综合指数法中各类、各种影响因素，对比其中各种因素的权重，同时要分析各种因素相互叠加的影响。利用多因素叠加法来综合准确地评估不同地段的冲击矿压危险。在评估危险时对工作面的区域进行相应的划分，具体的划分方法如表 2 所示。3多因素影响分析根据 3209 工作面具备的开采地质条件，研究分析确定该工作面主要冲击影响因素有三种，并进行如下分类：受开采规划影响，3209 工作面为两侧采空的状态，即孤岛工作面，由于存在孤岛工作面问题，相应的应力问题变得复杂9，两侧采空区覆岩载荷会向本工作面实体煤区域转移，进而导致 3209 工作面的内应力集中非常严重，同时在 3209 工作面的回采工作过程中易引发邻近采空区的覆岩发生二次活化运动，进而引发矿震动载扰动。所以对影响 3209 工作面的孤岛工作面因素进行分析，3209 工作面围岩易在高集中静载及矿震动载扰动下发生冲击失稳。在工程实践过程中，3209 工作面上下端头为直角拐角煤柱区，这种情况易导致应力集中，煤岩体破坏也比较严重，在煤体深部容易形成冲击核区，冲击危险性高。在工程实践中，回顺与切眼相接处为“三角”交叉区域，这种情况下，拐角煤柱区域应力集中系收稿日期：2022-10-04作者简介：暴斌（1983），男，先后毕业于山西煤炭职业技术学院采矿技术专业和山西大同大学采矿工程专业，函授本科，工程师，现任山西兰花科创公司伯方煤矿分公司生产技术科科长，主要从事生产技术管理工作。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.059表 13 号煤层顶底板情况表顶底板岩石厚度/m岩性老顶灰色粗粒砂岩1.70灰色，以石英为主，次为长石，含碳化物，有节理直接顶灰色砂质页岩4.36灰色，底部渐变为页岩，有斜节理3 号煤5.59黑煤，以粉末状为主，成条带状分布，劈理发育直接底灰黑色碳质页岩0.20灰黑色，有滑面，易碎老底灰色细粒砂岩1.98灰色，局部有斜节理生产实践2023 年第 9 期表 2多因素叠加法分区分级划分表因素说明划分危险等级W1落差大于 3 m、小于 10 m 的断层区域距离断层 20 m 范围严重距离断层（20 m，50 m范围中等W2落差大于 10 m的断层或断层群区域距离断层 30 m 范围严重距离断层（30 m，50 m范围中等W3“刀把”形等不规则工作面拐角煤柱前后 20 m 范围严重W4巷道交叉区域“四角”交叉前后 20 m 范围严重“三角”交叉前后 20 m 范围中等W5沿空巷道煤柱区段煤柱宽（6 m，10 m）时一般区段煤柱宽10m，30 m时严重区段煤柱宽（30 m，50 m时中等W6工作面超前支承压力区工作面煤壁超前（0 m，50 m范围严重工作面煤壁超前（50 m，100 m范围中等工作面煤壁超前（100 m，150 m范围一般W7老顶初次来压前后 20 m 范围中等W8工作面采空区“见方”区域单工作面初次“见方”前后 50 m 范围严重多工作面初次“见方”前后 50 m 范围严重单或多工作面周期“见方”前后 20 m范围中等W9采掘扰动区域严重数比较高，煤体塑性破坏程度也比较高，所以分析后得出冲击危险性高。在工程实践中，3209 工作面南侧大约有宽度为20 m 左右的回风顺槽区段煤柱，工作面北侧大约有23 m 宽的运输顺槽区段，经过研究表明，一般情况下的区段煤柱留设易形成弹性核区。此情形下，虽然在一定程度上可保证煤柱具有一定的稳定性，但一旦发生失稳现象将会导致冲击灾害。近些年来，数值模拟在煤矿设计和开采研究过程中都起着至关重要的作用10-12。根据数值模拟结果，3209工作面超前支承应力严重影响区域约 30 m，在超前影响区域内，两侧回采顺槽变形严重，应加强回采过程中超前支承应力对影响区域内的矿压监测工作。通过了解大量的有关矿山压力方面的知识，并根据煤矿工作面矿压显现规律，总结出工作面在初次来压、周期来压、工作面“见方”时，覆岩的运动、移动、破坏都会相应增加，因此 3209 回采工作面在矿压情况发生多种变化的过程中应当重点关注煤岩体的应力变化以及破坏状态。4冲击危险区域分级分区划分对影响 3209 回采工作面冲击地压显现的原因进行研究，利用综合指数法计算冲击危险等级为无冲击危险，但是因为回采工作面的两侧是采空区，同时 3号煤的弹性能指数大于 5，所以不能断定 3209 工作面不会发生冲击地压。为了确保 3209 工作面能够安全正常开采，工作面在正常回采的同时，应在特定区域加强围岩矿压显现监测及人员管理。将 3209 工作面冲击矿压危险区域划分为三个等级：无、一般、中等，据此对冲击地压防治工作提供参考。考虑到 3209 工作面的地质及生产条件，可以划分 3 个中等的冲击危险区域：回采工作面的运输顺槽一侧从开切眼 050 m 的范围内，此范围主要受到区段煤柱的应力集中以及老顶垮落影响；在 130190 m的范围内，此范围主要受区段煤柱的应力集中以及回采工作面的“见方”矿压显现的影响；回采工作面的回风顺槽侧从开切眼 0155 m 范围内，主要受区段煤柱的应力集中、老顶垮落、回采工作面见方以及 S13 向斜构造的影响。3209 工作面划定的一般冲击危险区域有 1 个，即工作面运输顺槽 S16 背斜轴两侧各 30 m 范围内，主要受背斜及区段煤柱应力集中的影响。3209 工作面回采范围内除中等、一般冲击危险区域外均为无冲击危险区域。3209 工作面冲击危险区域划分如图 1 所示。5结论根据邻近综放工作面生产情况，单侧采空工作面顶板初次来压约为 1525 m，周期来压为约为 1015 m。3209 工作面为两侧采空工作面，其顶板来压规律会发生改变，为监测 3209 工作面来压时间并分析其来压规律，矿方配备有 KJ327 型矿山压力监测系统，以此监测工作面支架全天 24 h 压力情况。3209 工作面为两侧采空工作面，根据矿压显现规律，3209 工作面超前支承应力影响范围相对于单图 1伯方煤矿 3209 工作面冲击危险区域划分老顶初次垮落无危险区域一般危险区域中等危险区域3207 采空区见方影响3211 采空区S16 背斜影响3209 工作面S13 向斜、老顶垮落、见方影响暴斌：基于冲击危险区域划分的煤炭开采率提升实践155窑窑山西冶金E-mail:第 46 卷侧采空工作面将扩大。为监测 3209 工作面超前支承应力影响情况，在两侧回采巷内单体柱上安装 WC-2测压计，以监测回采巷道内单体支柱支撑力大小及其变化规律。3209 工作面直接顶为砂质页岩，老顶为粗粒砂岩，两侧回采巷道内顶板离层量大小对支护效果及端头支护难度有显著影响，因此，在 3209 工作面两侧回采巷道内安装 LBY-3 型顶板离层仪器，以实时监测巷道顶板离层大小及变化特征。煤岩体变形破坏特征可直观反映矿压显现程度，两侧回采巷道内底鼓量、顶板下沉量、两帮移近量可反映工作面超前支承应力大小，工作面内冒顶情况、煤壁片帮程度可反映工作面顶板来压情况，因此，每班安排技术人员对工作面及两侧回采巷道内煤岩体变形破坏特征进行观察记录，可总结分析工作面矿压显现程度，进而对煤岩体冲击危险性进行实时评估。3209 工作面为两侧采空工作面，其超前支承应力大小及其影响范围高于同等生产地质条件下单侧回采工作面，因此，将 3209 工作面两侧回采巷道内超前支护距离由 20 m 调整为 60 m，以适应 3209 两侧采空的生产条件。邻近 3206、3305、3206（b）工作面在回采过程采取爆破切顶弱化工作面矿压显现方法，效果良好。3209 工作面老顶为粗粒砂岩，强度高、完整性好，在回采过程中易将采空区覆岩载荷转移至工作面煤体，增加了煤体应力集中程度，导致煤体易于发生冲击破坏。因此，3209 工作面在回采过程中，可参考 3206、3305、3206（b）工作面爆破切顶卸压经验，在区域划分为冲击危险区域采取爆破切顶卸压措施，以降低煤岩体冲击危险性。通过矿压监测和矿压治理，在划分区域后，针对不同区域采取相应技术进行开采，从整体上采出了一般情况下舍弃开采或难以开采的煤炭，同时采煤工作更加安全可靠，达到了在保证安全的前提下，不浪费任何可采出的资源。在特殊开采条件及地质条件下，采出了尽可能多的煤炭，丰富了采煤监测和治理理论，提升了企业效益，响应了国家号召。参考文献1刘士君.冲击地压的成因浅析J.煤炭技术，2009，28（1）：179-180.2孙晓明，何满潮.深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研究J.中国矿业大学学报，2005，34（2）：166-169.3何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究J.岩石力学与工程学报，2005，24（16）：2 803-2 813.4窦林名，何学秋.冲击地压防治理论与技术M.徐州：中国矿业大学出版社，2001.5魏辉，张文豪，李杰.类梯形孤岛工作面冲击危险性评价及其防治技术研究J.煤炭技术，2021，40（10）：93-96.6窦林名，田鑫元，曹安业，等.我国煤矿冲击地压防治现状与难题J.煤炭学报，2022，47（1）：152-171.7万志军，赵阳升，窦林名，等.煤矿冲击地压问题的系统分析法与时间相关性C/中国岩石力学与工程学会.岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题：中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集，2002：571-573.8张俊文，钟帅.我国煤矿冲击地压灾害研究进展及技术体系分析J.煤炭技术，2021，40（7）：105-108.9张敬宇.煤矿孤岛工作面冲击地压影响因素分析J.科学技术创新，2020（23）：138-139.10王明星.基于 FDS 的煤矿井下数值模拟与分析J.内蒙古煤炭经济，2021（19）：14-15.11刘安强，王子童.煤矿三维地质建模相关技术综述J.能源与环保，2020，42（8）：136-141.12高富强.数值模拟在地下煤矿开采岩石力学问题中的应用J.采矿与岩层控制工程学报，2019（2）：21-28.（编辑：武倩倩）Coal Mining Rate Improvement Practice Based on Impact Risk Area ClassificationBao Bin（Bofang Coal Mine Branch of Shanxi Lanhua Technology Innovation Co.,Ltd.,Gaoping Shanxi 048400,China）Abstract:Based on the on-site engineering of the Bofang Coal Mine and the geological conditions of the 3209 working face,the main impactinfluencing factors of the working face are studied and analyzed.At the same time,the multi-factor superposition method is used to dividethe potential impact risk areas during the mining process of the 3209 working face.After evaluation,protective mining techniques aredetermined to improve the coal output and reduce resource waste under safe mining conditions.The goal is to improve the overall coalextraction rate,resource utilization rate,and energy conservation and environmental protection.Key words:improve resource utilization;improve recovery rate;multi-factor superposition;division of hazardous areas;disaster preventionand control156窑窑