楊 軻

（上海大屯能源股份有限公司姚橋煤礦，江蘇 沛縣 221611）

1 工作面概況

姚橋煤礦西九采區(qū)東以主井工廠保護煤柱線、中央采區(qū)邊界為界，西以西六采區(qū)為鄰，南以西五采區(qū)為鄰，北以-850 m煤層底板等高線為界。開采上限為-360～ -650 m，下限為-850 m。采區(qū)走向長1612～1954 m，傾向長368～1386 m，面積2.2 km2。采區(qū)地面標(biāo)高為+33.96～+36.08 m，地勢較為平坦，為黃淮沖積平原。對采區(qū)開采有影響的村莊有彭官屯、張街、孔莊、楊屯、甘莊、黃店，村莊壓煤面積占總面積的99.3%。楊屯河及礦區(qū)專用鐵路從采區(qū)北部通過。7263工作面位于西九采區(qū)7煤層，工作面傾斜長度254 m，設(shè)計走向長度771 m，煤層平均傾角5°，平均煤厚3.57 m，設(shè)計采高3.4～4.5 m。7263工作面為智能化綜采工作面，本工作面為中等沖擊地壓、低瓦斯、二類自燃工作面。工作面回采期間將過兩個較大的斷層：f602逆斷層，落差為11.7 m；F-216正斷層，落差3.3 m。工作面為局部兩側(cè)采空的孤島工作面布置形式，其中工作面溜子道側(cè)的7265工作面于2018年01月回采結(jié)束，工作面材料道側(cè)的7253工作面于2010年09月回采結(jié)束，西九采區(qū)其余工作面（7267、7269、7271工作面）停采日期均大于3年以上。工作面沖擊危險區(qū)域劃分如圖1，表1給出了煤層頂?shù)装迩闆r。

表1 煤層頂?shù)装鍡l件

圖1 工作面沖擊危險區(qū)域劃分圖

2 工作面初次來壓沖擊力學(xué)機理分析

2.1 力學(xué)模型建立

根據(jù)采場薄板礦壓理論，把基本頂初次斷裂前的巖層視為彈性薄板結(jié)構(gòu)，依據(jù)板殼理論可以將其簡化為矩形薄板，以工作面傾向為x軸，工作面走向為y軸，當(dāng)工作面初次垮落前，工作面兩側(cè)為采空區(qū)，將其視為簡支邊，另外兩邊視為固支邊為邊界約束條件，并假設(shè)薄板上表面承受巖層的自重應(yīng)力q（q=γh，γ為頂板巖層的容重）作用[1-2]，薄板力學(xué)分析模型如圖2。

圖2 采場頂板力學(xué)模型

2.2 頂板初次來壓破斷力學(xué)分析

根據(jù)圖2，可得矩形薄板的邊界條件為：

根據(jù)上述條件，取：

根據(jù)里茨法求得：

因此，薄板的撓度為：

根據(jù)彈性力學(xué)中內(nèi)力彎矩的公式，可得：

根據(jù)薄板破壞強度[1]條件Mmax＞Ms，可知見方期間頂板覆巖將在采場中部發(fā)生破壞，隨著頂板覆巖的破斷失穩(wěn)，薄板積聚的彈性變形能瞬時釋放容易誘發(fā)沖擊。

3 回采以來的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

7263工作面自7月13日正式回采以來，共發(fā)生微震事件384次，總能量5.05×105J，其中三次方事件共計131次（4.37×105J），四次方及以上事件共計0次，平均每日釋放能量6.2×103J，平均每米釋放能量7.8×103J。各階段微震事件占比統(tǒng)計見表2。

表2 各階段微震事件占比統(tǒng)計

受回采速度較慢及工作面初采影響，7263工作面試采期間微震事件整體較少，平均每日震動2次，每日總能量平均92 J，單次震動平均能量46 J；工作面正式回采后，能量事件頻次及能量逐漸增加，前20 m推進期間：平均每日震動4.4次，每日總能量平均3600 J，單次震動平均能量822 J；接著在20 m推進期間：平均每日震動13.5次，每日總能量平均18 900 J，單次震動平均能量1400 J；后5 d平均每日震動20.8次，每日總能量平均23 800 J，單次震動平均能量3600 J。四個回采階段內(nèi)微震震動頻次、總能量、平均能量均呈激增趨勢。在工作面推進約66 m時，工作面釋放能量及頻次達到峰值狀態(tài)，此時工作面沖擊危險性較強，結(jié)合鄰近工作面初次來壓步距，預(yù)測工作面初次來壓。

4 防沖治理及效果分析

4.1 防沖治理措施

（1）煤體大直徑鉆孔卸壓

7263工作面初次來壓影響區(qū)域大直徑卸壓鉆孔間距（1.6±0.2）m，鉆孔角度為煤層傾角±2°，距底板（1.3±0.3）m，直徑150 mm，孔深20 m。鉆孔平面和剖面布置示意圖如圖3。

圖3 大直徑鉆孔布置圖

（2）頂板深孔爆破

根據(jù)7263工作面綜合柱狀圖，7263 工作面煤層上方約23 m處存在厚5.6 m的中砂巖，在工作面回采期間通過施工頂板深孔預(yù)裂爆破，從而降低上覆關(guān)鍵層破斷誘發(fā)工作面沖擊地壓的可能性[3-4]。7263工作面初次來壓影響區(qū)域施工頂板深孔預(yù)裂爆破，鉆孔間距10 m，孔徑75 mm，鉆孔具體參數(shù)見鉆孔布置圖如圖4。

圖4 工作面兩道頂板預(yù)裂爆破鉆孔布置圖（m）

4.2 防沖治理效果分析

通過對7263工作面卸壓前后煤粉量變化分析，可以看到在實施頂板深孔爆破和大直徑鉆孔卸壓措施后，鉆屑每米實際煤粉量均低于臨界值，且監(jiān)測過程中無動力現(xiàn)象等，說明7263工作面初次來壓影響期間卸壓措施可以起到釋放煤巖體中積聚的大量彈性能的作用，具有較好的卸壓效果。工作面解危后煤粉量數(shù)據(jù)如表3。

表3 工作面解危后煤粉量數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

利用彈性力學(xué)薄板理論建立采場頂板力學(xué)分析模型，導(dǎo)出了工作面頂板位移及內(nèi)力彎矩的表達式，分析了工作面初次來壓期間誘發(fā)沖擊力學(xué)機理。通過對工作面初次來壓期間沖擊危險性微震監(jiān)測分析，工作面初次來壓期間，工作面釋放能量及頻次達到峰值狀態(tài)，容易誘發(fā)沖擊地壓。制定了工作面初次來壓期間大直徑鉆孔卸壓、頂板深孔爆破卸壓方案，通過工作面卸壓前后鉆屑監(jiān)測結(jié)果可知，在采取煤體大直徑鉆孔、頂板深孔爆破之后，對工作面沖擊地壓防治起到了良好的效果。