韓傳磊 姬廣雨 韓傳廷

（汶上義橋煤礦有限責任公司，山東 濟寧 272511）

隨著煤炭資源開采深度和難度的增大，沖擊地壓災(zāi)害已成為我國深部復(fù)雜條件下煤炭資源開采所面臨的重大安全問題[1]。

本文以汶上義橋煤礦3305 工作面為研究對象，通過分析3305 工作面沖擊地壓主控因素，構(gòu)建工作面沖擊地壓綜合防控技術(shù)體系，再結(jié)合微震及應(yīng)力分布演化規(guī)律分析，探討沖擊地壓綜合防控技術(shù)的有效性，為類似條件礦井沖擊地壓的有效防治提供重要的參考。

1 工程背景

汶上義橋煤礦生產(chǎn)條件復(fù)雜，主要表現(xiàn)在采深大，斷層多，頂板厚硬巖層多。其中3305 工作面就是該礦井較典型的一個綜放工作面，工作面設(shè)計呈“刀把”形的不規(guī)則工作面，整體埋深為430～720 m。其北側(cè)為3303 采空區(qū)，南側(cè)為SF21 正斷層（落差0～60 m，傾角60°），東側(cè)為三采區(qū)膠帶下山，西側(cè)為YF7 斷層（落差>500 m，傾角<60°）。軌道順槽長1432 m，膠帶順槽長1240 m，膠帶順槽外段長734 m，切眼長155 m，回采后期工作面加寬至240 m。如圖1。

圖1 3305 工作面井下位置關(guān)系圖

3305 工作面開采3 煤層，煤層厚度3.5～5.2 m，平均厚度4.1 m，平均傾角13°，普氏硬度1.48。煤層頂?shù)装鍘r層情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層情況表

經(jīng)煤巖層沖擊傾向性鑒定試驗，3 煤層平均動態(tài)破壞時間為161 ms，沖擊能量指數(shù)為1.38，彈性能量指數(shù)為2.28，單軸抗壓強度為14.47 MPa，綜合判定煤層具有弱沖擊傾向性；3 煤頂板巖層彎曲能量指數(shù)為272.23 kJ，判定頂板巖層具有強沖擊傾向性。

2 沖擊危險狀態(tài)及主控因素分析

2.1 沖擊危險狀態(tài)評價

綜合指數(shù)法作為一種沖擊地壓危險性的早期綜合評價方法，得到了廣泛的認可和應(yīng)用。

綜合指數(shù)法[2]分地質(zhì)因素影響的沖擊地壓危險程度及危險指數(shù)Wt1和開采技術(shù)因素影響的沖擊地壓危險程度及危險指數(shù)Wt2。沖擊地壓危險狀態(tài)等級評定綜合指數(shù)取兩者中的大值，即Wt=max{Wt1，Wt2}，對應(yīng)的沖擊危險狀態(tài)見表2。

表2 綜合指數(shù)法確定的沖擊危險狀態(tài)分級

根據(jù)3305 工作面具體地質(zhì)條件和生產(chǎn)技術(shù)條件，確定工作面沖擊地壓危險綜合指數(shù)為0.52，為中等沖擊危險狀態(tài)，見表3。

表3 3305 工作面沖擊危險狀態(tài)評估

2.2 沖擊地壓主控因素

3305 工作面沖擊地壓危險的主控因素主要有開采深度、斷層構(gòu)造、堅硬頂板巖層、臨近采空區(qū)及擴面等，具體分析如下：

（1）開采深度

統(tǒng)計表明：開采深度與沖擊地壓發(fā)生的概率成正相關(guān)關(guān)系。當開采深度超過500 m 時，隨深度的增加，沖擊地壓的危險性急劇增加。3305 工作面平均采深580 m，最大采深720 m，處于較高的沖擊地壓危險階段。

（2）斷層構(gòu)造

3305 工作面斷層構(gòu)造發(fā)育，工作面北、南、東側(cè)分別被YF7、SF21、YF20 隔斷，形成地塹，且開采范圍內(nèi)還有6 條落差大于5 m 的斷層。

上述斷層均為正斷層，正斷層一般是在重力和水平張力共同作用下形成的，正斷層體內(nèi)一般不會產(chǎn)生能量積聚，其誘發(fā)沖擊地壓機理主要是應(yīng)力疊加。因此，在工作面采掘靠近以及穿越斷層時，沖擊危險性較高。

（3）堅硬頂板巖層

堅硬厚層頂板容易積聚大量彈性能，在堅硬頂板破斷或滑移過程中，大量彈性能突然釋放，易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害[3]。

由表1 可知，3 煤上方10.60 m 厚的細砂巖，距煤層僅0.80 m，易儲存大量彈性能，對工作面沖擊地壓顯現(xiàn)具有重要的影響。因此，在工作面初次來壓、采空區(qū)見方等期間是防沖重點區(qū)域。

（4）臨近采空區(qū)

3305 工作面北側(cè)為3303 工作面采空區(qū)，兩工作面間區(qū)段煤柱寬度為4 m，小煤柱護巷下的3305工作面軌道順槽處于內(nèi)應(yīng)力場，沖擊危險性較低。

回采期間3305 工作面的老頂初次斷裂完成后，其上位巖層將與3303 工作面的同層位巖層一起運動，采場覆巖將形成“S”型空間結(jié)構(gòu)[1]，此時工作面軌道順槽側(cè)受動載影響，沖擊地壓危險明顯升高。

（5）擴面

受斷層影響，3305 工作面后期擴面生產(chǎn)，原切眼長度155 m，擴面后工作面加寬至240 m。

研究表明，擴面后形成的不規(guī)則區(qū)域與原規(guī)則區(qū)域相比，應(yīng)力分布將發(fā)生明顯的變化，如圖2。

圖2 擴面后不規(guī)則區(qū)域應(yīng)力分布示意圖[4]

原規(guī)則工作面的支承壓力可表示為：

式中：K（x）為應(yīng)力集中系數(shù)，x表示一點距采空區(qū)距離；γ為巖層平均容重；H為開采深度。

擴面后不規(guī)則區(qū)域的支承壓力為：

式中：Kf為不規(guī)則區(qū)域應(yīng)力傳遞系數(shù)，Kf>1.0。具體參數(shù)見表4。

表4 支承壓力計算參數(shù)

經(jīng)計算可知，工作面超前20 m 處應(yīng)力集中程度最高，支承壓力達到峰值，原規(guī)則工作面支承壓力峰值為47.73 MPa，擴面后不規(guī)則區(qū)域支承壓力峰值為59.66 MPa，即擴面區(qū)域所形成的拐角煤柱區(qū)域應(yīng)力集中程度顯著上升，沖擊危險程度較高。因此應(yīng)積極構(gòu)建綜合防沖體系并做好監(jiān)測及卸壓解危工作。

3 沖擊地壓綜合防控技術(shù)體系

根據(jù)上述分析可知，3305 工作面沖擊地壓誘發(fā)因素較多，對于該工作面的沖擊地壓防控應(yīng)從多方面考慮。最終完成對沖擊危險區(qū)域的劃分，其中深色橢圓代表弱沖擊區(qū)域、淺色橢圓代表中等沖擊區(qū)域。具體如圖3所示。基于此，提出了3305工作面“預(yù)防、監(jiān)測、解危與防護”四位一體的沖擊地壓綜合防控技術(shù)體系。

圖3 3305 工作面沖擊危險區(qū)域劃分圖

（1）預(yù)防

根據(jù)以上對沖擊地壓主控因素的分析，對3305工作面劃分不同的沖擊危險等級?；夭汕?，對預(yù)先劃為的沖擊危險區(qū)域進行大直徑鉆孔預(yù)卸壓處理，卸壓鉆孔直徑150 mm，孔深20 m，卸壓孔間距：弱沖擊危險區(qū)域D≤3.5 m，中等沖擊危險區(qū)域D≤2.3 m，強沖擊危險區(qū)域D≤1.2 m。

（2）監(jiān)測

應(yīng)用SOS 高精度微震系統(tǒng)、鉆屑法、應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)及支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)建了3305工作面區(qū)域與局部結(jié)合的沖擊地壓多層次監(jiān)測預(yù)警體系。

區(qū)域監(jiān)測采用SOS 高精度微震系統(tǒng)實時監(jiān)測工作面范圍內(nèi)及周邊區(qū)域的震動事件。局部監(jiān)測采用應(yīng)力在線監(jiān)測和鉆屑法，其中應(yīng)力監(jiān)測實時監(jiān)測掘進迎頭后方200 m 和回采工作面超前300 m 的應(yīng)力變化情況，鉆屑法監(jiān)測范圍為掘進迎頭后方60 m和回采工作面超前100 m。支架工作阻力監(jiān)測作為輔助監(jiān)測手段，用以分析工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，進而指導(dǎo)防沖措施的實施。

工作面回采期間微震系統(tǒng)監(jiān)測顯示工作面斷層YF7、SF21、YF20 區(qū)域微震總能量達到3.6×105J 且存在上升趨勢，因此應(yīng)提前對該區(qū)域進行卸壓解危。

（3）解危

工作面生產(chǎn)過程中，應(yīng)用各種監(jiān)測方法監(jiān)測到的沖擊危險區(qū)域，必須進行解危處理，直至沖擊危險消除為止。

對于3305 工作面，沖擊危險區(qū)域的解危方法優(yōu)先選擇采用大直徑鉆孔卸壓，直徑150 mm，間距不大于2.0 m，孔深20 m。卸壓后，鉆屑法檢驗仍具有沖擊危險時，再加密實施大直徑鉆孔卸壓。當加密實施大直徑鉆孔卸壓后仍無法有效消除沖擊地壓危險時，再采用煤體內(nèi)爆破卸壓方法進行解危處理，直至沖擊危險解除。卸壓前后鉆屑法監(jiān)測煤粉量如圖4 所示。

圖4 3305 工作面卸壓前后煤粉量對比圖

由圖4 可知，3305 工作面沖擊危險區(qū)域經(jīng)大直徑鉆孔卸壓解危后，通過鉆屑法監(jiān)測煤粉量較卸壓前出現(xiàn)顯著的下降，總體處于煤粉臨界值之下，且監(jiān)測過程中未出現(xiàn)卡鉆、吸鉆等現(xiàn)象，卸壓效果良好。

（4）防護

考慮到?jīng)_擊地壓影響因素的復(fù)雜性，要實現(xiàn)沖擊地壓的零發(fā)生難度極大，從保障井下工人人身安全的角度，應(yīng)加強工作面兩順槽支護，并提高工作面超前支護強度和范圍，增加支護抵抗沖擊地壓的能力，最終實現(xiàn)“有震無災(zāi)”。

3305 工作面兩順槽采用長度為2400 mm 高強錨桿支護，頂部采用錨索+W 型鋼帶或槽鋼進行加強支護。錨桿和錨索支護長度能夠貫穿巷道塑性區(qū)，深入穩(wěn)定區(qū)進行固定，并配合W 型鋼帶、槽鋼、金屬網(wǎng)等加強支護效果。應(yīng)用McGarr 建議的質(zhì)點運動速度v、震源中心到?jīng)_擊破壞點的距離R與沖擊強度ML之間的關(guān)系式lgRv=3.95+0.57ML[5]，驗證了巷道支護系統(tǒng)的抗沖擊能力。結(jié)果表明：順槽支護系統(tǒng)可以抵御2.25 級的震動事件。

工作面超前支護區(qū)域是沖擊地壓易發(fā)區(qū)域，鑒于此，為提高超前支護強度及抗沖擊能力，取消單體液壓支柱的超前支護方式，改用超前支架配合單元支架的超前支護方式。

4 應(yīng)用效果驗證

3305 工作面從2018 年1 月初開始回采，至2019 年12 月工作面安全回采完畢。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及記錄，采用本文提出的沖擊地壓綜合防控技術(shù)后，3305 工作面生產(chǎn)過程中未出現(xiàn)任何強礦壓顯現(xiàn)及沖擊地壓事件。

在工作面生產(chǎn)期間，微震監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：微震活動始終較平緩，微震總能量為2.7×104J<5.0×104J，且一直處于較低水平。這表明該技術(shù)體系可以有效預(yù)防與消除工作面存在的沖擊危險，保證了工作面的安全高效生產(chǎn)，為類似工作面開采提供了參考。