張 偉 崔保閣

（山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 272055）

近年來，為對沖擊地壓進行及時的預測和預報，國內外學者對沖擊地壓主控因素進行了深入分析和探討，取得了較多成果，充實了沖擊地壓理論體系，解決了大量的現場問題[1-3]。目前唐口煤業(yè)公司主采采區(qū)的煤層埋深達到1000m，下一步規(guī)劃開采的630、730采區(qū)煤層埋深最大將達到1300m，大采深導致煤體垂直應力較高，隨著開采范圍的不斷擴大及開采強度的提高，礦井沖擊危險性逐步升高。因此為保證礦井的安全高效生產，對礦井沖擊地壓主控因素進行分析，提出合理的防治措施[4-5]。

1 工作面概況

為更好地分析礦井的沖擊地壓主控因素，現以6304為研究對象。6304工作面為唐口煤礦630采區(qū)第四個工作面，開采煤層為3煤，開采上下限位于-930.5～ -906.1m之間，開采深度為942～979.2m。工作面上方無可采煤層，下方各煤層均未開采，地面位于永北村東南約200m處。6304工作面分兩段，里段傾向設計長度185m，走向設計長度530m，外段傾向設計長度60m，走向設計長度1030m。

2 沖擊地壓主控因素分析

通過對6304工作面沖擊影響因素的分析，在6304工作面巷道掘進過程中，巷道的沖擊危險主要受集中靜載荷的影響。集中靜載荷主要源于自重應力，局部受斷層構造應力作用，軌順在掘進期間受相鄰采空區(qū)側向頂板活動的影響，在集中動荷載作用下，皮順主要受集中靜載荷。6304工作面回采過程中的沖擊危險受集中靜載荷、集中動載荷共同影響。

2.1 集中靜載荷作用能量分析

為對巷道掘進過程中集中靜載荷作用進行分析，假設巷道長度不限，兩幫對稱，對左幫進行分析。在工作面巷道掘進前，原巖應力分布未改變，不存在應力集中現象。巷道掘進后，因工作面的不斷回采，巷道頂部巖層受原始地應力的影響，巷道兩幫受力集中，易造成幫部的形變破壞。根據垂直應力大小分布可以發(fā)現，巷道圍巖應力分布會出現區(qū)域性差別，因此可將巷道圍巖分為三個區(qū)域：A、B、C。分析的結構模型如圖1所示。

根據虎克定理的煤體彈性應變能計算公式：

式中：

E-彈性模量；

μ-泊松比；

σ1、σ2、σ3-3 個主應力。

由計算公式可知，儲存彈性應變能由主要承載區(qū)的載荷大小決定。則可根據巷道幫部圍巖的載荷大小對其彈性應變能進行分區(qū)。

圖1 沖擊地壓發(fā)生結構模型

通過建立的結構模型，假設圍巖的承載載荷峰值在δ0max，承載的彈性應變能為EΩ0，即為巷道幫部的最大平衡區(qū)XΩ0。因為應力集中系數隨著煤巖體儲存能量的增大而增大的趨勢，因此巷道幫部煤體的主要受載荷區(qū)域為XΩ0區(qū)域，巷道圍巖彈性應變能最大區(qū)域為EΩ0區(qū)域。根據巖體動力破壞的最小能量原理，可得該巷道煤幫受載荷區(qū)域發(fā)生失穩(wěn)破壞的條件：當煤體所受的載荷大于煤體的抗壓強度和抗剪強度，則對應的能量準則為：

因此當XΩ0區(qū)域儲存的彈性應變能大于XΩ0區(qū)域煤巖破壞所需要的最小能量時，巷道載荷峰值區(qū)XΩ0區(qū)域達到沖擊地壓啟動的能量條件，發(fā)生沖擊的位置將會在XΩ0區(qū)域，發(fā)生后的剩余能量將以淺部圍巖為載體向巷道空間釋放，最后進行沖擊地壓顯現階段。則據此得到沖擊啟動能量判據：

2.2 集中動載荷作用能量分析

沖擊地壓的發(fā)生往往是受煤體幫部集中載荷和工作面上覆堅硬頂板共同影響所致，因此沖擊發(fā)生在工作面煤壁側位置，動載荷作用分析模型如圖2所示。工作面煤壁的最大平衡區(qū)域的集中靜載荷E0由彈性應變能公式計算得。

圖2 集中動載荷沖擊地壓結構模型

隨著工作面的開采，上覆頂板懸頂會造成工作面煤壁最大平衡區(qū)的載荷高度集中，儲存大量彈性能，對外界動載荷響應敏感，易滿足失穩(wěn)破壞條件，但外界動載為誘發(fā)沖擊的直接因素，必須以靜載荷集中度為基礎，才可能誘發(fā)沖擊地壓的發(fā)生。堅硬頂板斷裂產生動載荷Ed計算如下：

式中：

Ed-頂板斷裂彈性能傳遞的能量；

Ed0-頂板斷裂時釋放的初始能量；

R-頂板斷裂位置與平衡區(qū)的距離；

η-煤巖介質彈性波傳播衰減指數。

因此誘發(fā)工作面煤壁沖擊地壓的能量條件為：最大平衡區(qū)彈性應變能、頂板斷裂動載荷能量之和大于煤巖破壞所需要最小能量，則建立沖擊地壓啟動能量判據為：

通過對唐口礦沖擊地壓發(fā)生集中靜載與集中動載的分析，確定唐口礦沖擊地壓發(fā)生的主控因素為地質因素造成的煤體內積聚的高應力和受采動影響產生的頂板運動。掘進期間，其動力現象的來源主要來自于側向采空區(qū)頂板活動造成的應力集中。而回采期間工作面主要載荷來源仍以集中靜載荷為主，以及回采過程中工作面上方頂板的運移、垮斷產生動載荷對工作面圍巖應力帶來的疊加影響。

3 工作面沖擊地壓防治措施

針對唐口礦沖擊地壓發(fā)生集中動載荷與集中靜載荷影響因素，針對特定危險源采取相應的治理技術。針對煤體內的集中靜載荷，采用煤層注水的方法進行高應力疏解；而針對煤體內的集中動載荷，則采用大直徑鉆孔卸壓技術。

（1）煤層注水

根據6304工作面注水條件，注水孔間距30m，孔深40m，封孔長度20m，鉆孔直徑Φ75mm，注水初始壓力不小于5MPa。注水孔布置在順槽回采幫，要求鉆孔盡量沿著煤層傾角，工作面長度變寬時還需增加孔深或采用雙向注水。鉆孔布置如圖3所示。

圖3 6304工作面進巷注水孔布置

通過煤層浸水性試驗，確定煤層注水后沖擊傾向性是否降低。多數煤體注水后能夠明顯降低沖擊傾向性。唐口煤業(yè)公司煤層浸水10d時，動態(tài)破壞時間由原來的90ms下降到30ms，之后隨浸水時間的延長，動態(tài)破壞時間持續(xù)增加。煤層沖擊能量指數變化規(guī)律與動態(tài)破壞時間的變化有很好的相關性，表現出先增大后減小的規(guī)律，在浸水10d時，沖擊能量指數顯著增強，隨后逐漸減小，最終保持在較低水平。

（2）大直徑鉆孔卸壓

回采過程中，對于中等及以上沖擊危險區(qū)域，在超前工作面100m范圍內采用大直徑鉆孔卸壓措施，在回采期間根據監(jiān)測實際情況適當加密卸壓孔。

鉆孔參數：距迎頭不超過50m，在迎頭后方弱危險區(qū)域鉆孔間距3.2m，中等危險區(qū)域2.4m，強危險區(qū)域1.6m；鉆孔直徑150mm，孔深20m；按“三花”布置，布置在巷道中部。鉆孔布置相關參數如圖4所示。

圖4 6304工作面巷道幫部卸壓鉆孔布置

大直徑鉆孔施工過程中單孔排粉量0.55t，每米巷道排粉量0.34t，單個鉆孔施工時間2h/個，施工效率32m巷道施工20個鉆孔，需要8個班次，排粉11t。

6304長段工作面回采過程中綜采支架壓力、煤體應力未超過臨界預警值，巷道變形量較小，如圖5所示，未出現沖擊危險，表明6304開采階段，沖擊危險得到了有效預警與防治。

圖5 6304工作面軌道順槽煤體應力監(jiān)測柱狀圖

4 結論

（1）唐口礦沖擊地壓發(fā)生的主控因素為大采深及構造運動造成的煤體內積聚的高應力和受回采影響產生的頂板運動。

（2）針對6304工作面煤體內的集中靜載荷，采用煤層注水的方法，對煤體高應力區(qū)疏解達到了較好效果；而針對工作面煤幫的集中動載荷，采用大直徑鉆孔卸壓技術后，沖擊危險得到了有效預警與防治。