李振武，何建新，沈建波

（1.濟(jì)寧能源發(fā)展集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.山東濟(jì)礦魯能煤電有限公司 陽城煤礦，山東 濟(jì)寧 272500）

0 引 言

沖擊地壓是一種常見的礦山和采場(chǎng)動(dòng)力災(zāi)害，常導(dǎo)致巷道片幫、冒頂及支護(hù)失效等現(xiàn)象[1-4]，嚴(yán)重威脅了煤礦的安全生產(chǎn)，造成經(jīng)濟(jì)損失[5]。孫秉成[6]通過分析寬溝煤礦I010203工作面開采過程中上覆堅(jiān)硬厚頂板沖擊地壓過程，并提出了相應(yīng)的防沖技術(shù)措施。李躍文[7]以徐莊煤礦為研究背景，采用理論分析和微震監(jiān)測(cè)方法確定礦震發(fā)生的時(shí)間及位置，并得出煤層厚度、采掘擾動(dòng)、堅(jiān)硬頂板及斷層構(gòu)造是誘發(fā)沖擊地壓的主要來源。秦喜文[8]通過對(duì)巷道內(nèi)支架壓力變化情況進(jìn)行分析，得出巷道失穩(wěn)破壞主要是受工作面采動(dòng)影響。任建喜[9]、管禎[10]通過微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，確定工作面震源位置，并提出合理防沖措施。因此，確定沖擊地壓誘發(fā)因素具有顯著意義，本文以安居煤礦C2316工作面為研究背景，采用理論分析、數(shù)值模擬得出該礦誘發(fā)沖擊地壓事件的主要因素，并提出防沖措施，以期為類似工程提供有益指導(dǎo)。

1 概 況

C2316工作面為安居煤礦新設(shè)計(jì)工作面，屬于安居煤礦二采區(qū)范圍，工作面地面標(biāo)高為+34.0—+36.0 m，工作面標(biāo)高為-927—-916 m，工作面埋深950～961 m，平均埋深956 m。工作面臨近C2310采空區(qū)且煤層厚度平均為2.1 m，所開采煤層為3上煤，工作面可推進(jìn)長(zhǎng)度合計(jì)為79.2 m（平距），切眼長(zhǎng)度83.7 m（平距），開采總面積6 243 m2，工作面頂?shù)装鍘r層基本情況見表1。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r性特征Table 1 Lithological characteristics of coal seam and roof-floor

1.1 工作面沖擊地壓誘發(fā)因素分析

1.1.1 煤巖層埋藏深度

煤巖層埋深越大，所受的自重應(yīng)力越大，因此，造成自身聚積的彈性能較高。在工作面開采過程中，受高地應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)影響，煤巖體會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力增加現(xiàn)象，而安居煤礦C2316工作面埋深約為950～961 m，對(duì)應(yīng)沖擊地壓發(fā)生指數(shù)Wt約為0.7左右，由此可判斷C2316工作面已具備沖擊地壓發(fā)生的采深條件。

1.1.2 煤層賦存特征

煤層賦存狀態(tài)參差不齊，在實(shí)際開采過程中，會(huì)遇到煤層突然變厚或變薄的情況，受煤層厚度變化的影響，煤體內(nèi)因靜載荷作用易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)煤層變薄時(shí)，煤體所受的垂直應(yīng)力會(huì)增加；而煤層局部變厚處垂直應(yīng)力會(huì)減小。因此，煤層厚度的變化是誘發(fā)沖擊地壓現(xiàn)象的主要因素之一，而C2316工作面煤層整體賦存形態(tài)為傾向西南，煤厚1.7～2.3 m，平均2.1 m，可采系數(shù)100%，變異系數(shù)27%，屬較穩(wěn)定煤層。由此可判斷C2316工作面煤層賦存形態(tài)誘發(fā)沖擊地壓的危險(xiǎn)性較小。

1.1.3 煤層頂?shù)装鍘r體的物理力學(xué)性質(zhì)及特征

為進(jìn)一步確定安居煤礦C2316工作面沖擊地壓誘發(fā)因素，通過對(duì)煤層頂?shù)装瀣F(xiàn)場(chǎng)取樣，并采用加工、物理力學(xué)測(cè)試、沖擊傾向性鑒定等手段，得出表2的煤層頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)及能量指數(shù)。結(jié)果表明，C2316工作面頂板為強(qiáng)沖擊傾向性巖層，沖擊傾向性Ⅲ類，而底板巖層沖擊傾向性為Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性巖層。同時(shí)結(jié)合工作面頂板巖性情況可知，煤層頂板20 m范圍內(nèi)存在4.1 m中砂巖和14.39 m細(xì)砂巖，屬于工作面礦壓顯現(xiàn)的關(guān)鍵巖層，因此C2316工作面具備沖擊地壓發(fā)生的基本屬性，工作面掘進(jìn)過程中應(yīng)加強(qiáng)沖擊地壓的監(jiān)測(cè)與防治。

表2 頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)匯總Table 2 Physical and mechanical properties test summary of roof and floor rock

綜上所述，根據(jù)安居煤礦C2316工作面煤層實(shí)際賦存狀態(tài)及沖擊傾向性鑒定可得：工作面沖擊地壓誘發(fā)因素主要由煤層埋深、煤層厚度參差不齊及工作面頂板關(guān)鍵巖層為硬巖所造成的。

2 沖擊地壓發(fā)生規(guī)律的數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)C2316工作面上覆巖層及巷道底板煤層等高線圖，同時(shí)考慮到模型邊界效應(yīng)及計(jì)算速度，最終確定數(shù)值計(jì)算模型邊長(zhǎng)為x×y×z=150 m×100 m×60 m，工作面兩側(cè)各留煤柱水平寬度30 m，用于消除邊界效用，工作面走向長(zhǎng)度（沿y方向）為800 m，模型中模擬煤巖體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，模型四周及底面全部施加位移約束，數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示，煤巖層物理參數(shù)見表3。計(jì)算模型頂部施加應(yīng)力邊界，經(jīng)計(jì)算，模型施加垂直應(yīng)力22.5 MPa，側(cè)壓力系數(shù)取為0.8。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Numerical calculation model

表3 巷道巖層及煤的物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of roadway rock and coal

2.2 工作面推進(jìn)過程中覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律

為進(jìn)一步揭示工作面推進(jìn)過程中采空區(qū)頂板上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)工作面開采過程進(jìn)行模擬，工作面推進(jìn)步距每次為6 m，采空區(qū)上賦巖層由于工作面不斷向前推進(jìn)導(dǎo)致采空區(qū)頂板產(chǎn)生裂隙并逐漸垮落，如圖2所示。

圖2 不同推進(jìn)距離下工作面上覆巖層垮落規(guī)律示意Fig.2 Caving rule of overlying strata on working face under different advance distance

由圖2可知，在工作面推進(jìn)至12 m過程中，采空區(qū)直接頂有下沉的傾向，說明此時(shí)工作面采空區(qū)上覆巖層直接頂發(fā)生折彎現(xiàn)象，覆巖離層開始出現(xiàn)；工作面推進(jìn)至24 m時(shí)，工作面采空區(qū)直接頂基本垮落，由此可判斷出基本頂?shù)膩韷翰骄酁?4 m，且垮落范圍約14 m。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，工作面上覆巖層隨采隨垮；當(dāng)工作面推進(jìn)36 m，工作面采空區(qū)上覆巖層基本完成垮落。從覆巖垮落規(guī)律可知，隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)周圍煤巖體發(fā)生塑性破壞的范圍逐漸增大，導(dǎo)致煤巖體承載能力逐漸減小，在開采或動(dòng)力擾動(dòng)作用下，可能會(huì)誘發(fā)局部沖擊地壓事件。

2.3 工作面推進(jìn)過程中礦壓顯現(xiàn)特征

為進(jìn)一步確定工作面不同推進(jìn)距離對(duì)超前支承壓力的影響規(guī)律，以工作面推進(jìn)至12、24、36 m時(shí)為例（圖3），對(duì)工作面超前支承壓力進(jìn)行重點(diǎn)分析。分析可知，隨著工作面推進(jìn)距離的增加，超前支承壓力總體呈增加趨勢(shì)。當(dāng)工作面推進(jìn)至12 m時(shí)，超前支承壓力達(dá)到32.65 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)至24 m時(shí)，超前支承壓力達(dá)到45.03 MPa，基本頂初次來壓，工作面前方垂直應(yīng)力集中顯著，易誘發(fā)沖擊地壓危險(xiǎn)，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，超前支承壓力趨于穩(wěn)定狀態(tài)，但應(yīng)力集中系數(shù)≥2.0，仍存在有一定的沖擊危險(xiǎn)。

圖3 不同推進(jìn)距離下超前支承壓力峰值變化示意Fig.3 Peak change of advance abutment pressure under different advance distance

3 結(jié) 論

（1）安居煤礦C2316工作面煤層頂板巖層沖擊傾向性為Ⅲ類，為具有強(qiáng)沖擊傾向性巖層；底板巖層沖擊傾向性Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性巖層。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果表明，基本頂?shù)膩韷翰骄酁?4 m，且垮落范圍約14 m，超前支承壓力達(dá)到45.03 MPa，基本頂初次來壓，工作面前方垂直應(yīng)力集中顯現(xiàn)，易誘發(fā)沖擊地壓危險(xiǎn)。