深部開采綜放面應力集中區沖擊地壓危險評價與防治

張鳳壘 李偉民 譚洪山

（肥城礦業集團 梁寶寺能源有限責任公司，山東 嘉祥272404）

1 3316 工作面概況

肥礦集團梁寶寺公司3316 工作面主采煤層為3 煤， 工作面位于背斜東翼，煤巖層主要為向東傾伏的褶曲構造。 該面煤巖層走向變化較大。 面內斷層發育，3316 外切眼向南400m 處及以南范圍內的煤層被巖漿巖侵入。

工作面停采線設計在超前工作面聯絡巷，該聯絡巷前方發育火成巖侵入區，皮帶順槽經過南宋莊背斜，且靠近斷層DF18，該順槽及軌道順槽外側火成巖侵入區邊界處微震事件分布較多；工作面停采線外圍巷道分布密集，受到工作面超前支承壓力與火成巖法向作用力的影響，壓力較大。

2 3316 工作面高應力區壓力顯現

工作面推采位置距停采線60 米， 經工作面安設的地應力在線及微震監測系統顯示，多次發生預警，同時微地震監測事件數量和能量成增長態勢，現場動力現象逐漸明顯，煤炮頻繁，錨桿盤出現翻盤、錨桿折斷等現象（見圖1）。

圖1 3316 工作面微地震事件平面分布（2013.07.11～2013.08.14）

3 3316 工作面沖擊危險影響因素

3.1 煤層具有強沖擊傾向性∶經煤科總院北京開采研究所煤樣測定，判定梁寶寺公司3 煤層屬于3 類，為強沖擊傾向性煤層。

3.2 工作面埋深較大∶工作面埋深為-845.0～-885.5m，采深越大，越容易導致沖擊地壓的發生。

3.3 高應力工廣煤柱邊緣∶由于工業廣場周圍均有工作面布置，各工作面均停采在工廣煤柱線邊緣，形成了以工業廣場為中心的應力高度集中區域。

3.4 外圍巷道留底煤∶由于開采煤層活動的擾動作用，高垂直應力向巷道兩側轉移形成水平應力，使底板兩側和底部三個方向受力，此時，可以將底板受力狀態簡化為“壓桿模型”。由于底板為煤體，強度較低，在水平應力的作用下，“壓桿”失穩破壞，形成底鼓和底板中部拉伸破壞現象。 工作面外圍巷道多數留有4m 以上底煤，巷道兩腳處容易產生底煤沖擊。

3.5 外圍分布巷道群∶巷道交叉布置時， 巷道兩側集中壓力產生疊加，特別是在銳角部分上的煤體壓力應力集中系數較高，特易誘發沖擊地壓。

3.6 工作面構造發育∶在褶曲及斷層的附近會造成煤巖局部應力集中，從而可能發生沖擊地壓，工作面受斷層DF18 及褶曲的影響。 古應力場作用下，向背斜軸部附近兩翼區域是構造應力集中區域，受采掘活動的影響，極易發生沖擊地壓。 斷層活化是巖層運動的一種特殊形式，斷層處巖層的不連續性導致斷層本身的不穩定性，在高應力作用下，斷層比完整巖層先行運動。 斷層與工作面中間位置為應力疊加高峰區，如果斷層本身能夠積聚能量，則疊加后的應力高峰區位置同樣容易積聚較大能量，可以誘發沖擊地壓。據經驗，在工作面前方距離斷層20～40m 時,最容易誘發沖擊地壓。

3.7 火成巖侵入∶火成巖的侵入，使煤層出現相變區，相變周圍巖體的應力狀態發生改變。從圖中可以看出，由于受火成巖的影響，形成支承壓力，同時超前支承壓力轉移受阻，煤層中應力集中，采掘工作面的推進造成前方出現支承壓力，隨著采掘工作面的推進，火成巖形成的支承壓力和采掘形成的支承壓力在采掘工作面前方疊加，誘發沖擊地壓的發生。

3.8 工作面三次見方∶工作面進入第三次見方階段，一般而言，工作面見方階段，煤層上方的覆巖空間結構出現整體性運動，工作面礦壓顯現明顯，煤炮、震頂現象頻繁。

4 3316 工作面沖擊地壓誘發機理分析

梁寶寺公司3 煤層具有沖擊傾向性，具備發生沖擊地壓的基本條件；靜載作用與動載作用疊加，是誘發沖擊地壓發生的根本原因。

靜載作用包括地壓與支承壓力之和，地壓包括自重應力場與構造應力場，工作面煤層埋藏較深，井下標高-840.0～-880.5,同時工作面推采方向朝向高應力工廣煤柱邊緣，地壓較大；該工作面恰位于地質構造形成的應力集中區內∶受火成巖侵入的擠壓作用影響，相鄰的區域出現水平構造應力，應力方向沿火成巖侵入體外法線方向；南宋莊背斜軸部形成的局部構造應力場，水平應力指向背斜軸部，背斜軸部的煤、巖體完整性差；工作面皮帶順槽側的DF18 斷層附近形成局部構造應力，以上幾種地質構造應力場在3316 工作面疊加，綜合形成應力疊加區（圖2）。

圖2 多種應力作用下沖擊地壓發生機理示意圖

支承壓力包括巷道周圍支承壓力與采動支承壓力，工作面外圍巷道交叉口密集，容易形成巷道周圍支承壓力，與工作面采動應力疊加，形成很高的支承壓力，地壓與支承壓力疊加，而形成很高的靜載作用。

工作面進入第三次見方階段，煤層上方的覆巖空間結構出現整體性運動，以及工作面前方火成巖局突然斷裂，易形成動載作用。

工作面前方火成巖發育的產狀可能存在“尖滅”式和“陷落柱”式。若發育“尖滅”式產狀，由于受工作面超前支承壓力及斷層構造應力及背斜殘余彈性能的影響，火成巖靠近工作面側巖體較薄，容易發生斷裂，遠離工作面側火成巖厚度大，不易發生斷裂，受超前高應力作用，處于兩者中間的區域極可能在某個時刻發生突然破裂，其形成的動載作用與工作面初始靜載作用疊加，工作面前方留底煤區域因受壓桿作用，極易誘發底煤沖擊。

若發育“陷落柱”式產狀，由于受到前方巖漿巖的影響，上覆巖層的整體性受到破壞，超前支承壓力轉移受阻，隨著工作面推采，距離前方巖漿巖距離逐漸減小，上覆巖層所支持煤柱逐漸減小，造成煤柱的支承壓力逐漸增大，縮小的煤柱同時受到斷層構造應力及背斜殘余彈性能的影響，呈現高應力性。受工作面超前支承壓力作用，工作面上覆巖層容易造成以前方煤巖交界為支點，上覆巖層突然向采空區方向旋轉，造成工作面突然來壓，兩端頭處及工作面上極易誘發沖擊。

5 工作面沖擊地壓防治措施

5.1 強監測

安設地應力在線及微震監測系統，實施24h 監測，超前配合使用煤粉鉆屑法及電磁輻射監測，及時采取卸壓、支護措施。

5.2 強卸壓

外圍巷道留底煤區域全部施工底板卸壓孔卸壓，全部進行放炮斷底二次卸壓；外圍巷道兩幫全部施工卸壓孔。

5.3 強支護

兩順槽超前100m 支設超前單體支護； 工作面推采至聯巷100m前，在聯巷內支設單體支護；所有外圍三岔口支設木點柱支護。

5.4 強防護

對工作面外圍巷道安設了六道防沖門，同時工作面前方聯巷兩端進行封閉管理，工作面割煤期間實行限員，進行封閉管理，實現“有震無災”、“有災無傷”。

6 結論

高度關注復雜地質條件下的沖擊地壓防治，堅持“強監測、強卸壓、強支護、強防護”等原則，結合對各工作面進行的沖擊危險性評價，劃定沖擊危險區，并按照不同參數超前工作面施工卸壓孔卸壓及超前工作面煤層注水，安設在線在線實時監測及鉆屑檢測、重復卸壓與效果檢驗，加強個體防護及巷道支護，最大限度做到“有震無災”、“有災無傷”，保證礦井的安全生產。

［1］齊慶新,李宏艷,潘俊鋒,等.沖擊礦壓防治的應力控制理論與實踐[J].煤礦開采,2011,16(3)∶114-118.