頂板疏水快速回采工作面沖擊地壓機理及防治措施

王 博，朱斯陶，魏全德，2，顧穎詩，李占成，張 斌

（1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京100083；2.北京安科興業科技股份有限公司，北京100083；3.兗州煤業鄂爾多斯能化有限公司，內蒙古 鄂爾多斯017010）

現階段，我國煤炭資源的重心正在逐步向西部轉移，而西部以鄂爾多斯為主的礦區采深逐漸增大，許多礦井已開始面臨沖擊地壓威脅[1-3]。據鄂爾多斯深部礦區開采地質資料和現場實際觀測可知，該類礦井工作面普遍面臨回采速度快、頂板存在大面積富水區等特點，當工作面快速回采且過疏水區域時，已發生明顯的動力顯現。

近年來，眾多學者對回采速度與沖擊地壓的關系、疏水對沖擊地壓的影響做了大量研究。如：王家臣等[4]通過建立基本頂動力斷裂失穩的折迭突變模型，得到回采速度的加快等同于基本頂懸臂梁加載速率的提高，增大了快速回采工作面基本頂破斷失穩的概率；劉金海等[5]通過案例和現場實測分析探討了采場回采速度與沖擊地壓的關系，得出工作面沖擊地壓危險性與采場回采速度具有相關性；舒湊先等[6]研究了疏水過程中含水層和煤層的應力演化規律，得出了疏水誘發巷道發生沖擊地壓的機理；李東等[7]研究了頂板富水工作面疏水之后誘發沖擊地壓的機理。上述研究成果對工作面沖擊地壓防治具有一定的現場指導意義，但其或單純研究采場回采速度對工作面沖擊危險性的影響，或單純研究疏水與沖擊地壓的關系，而對于頂板富水工作面在疏水和快速回采共同作用下致沖機制研究相對較少。

以鄂爾多斯某礦頂板疏水區下快速回采工作面為工程背景，采用理論分析、數值模擬和微震監測等方法，研究了不同回采速度下過頂板疏水影響區域時的超前支承壓力分布規律，探討了頂板疏水快速回采工作面誘發沖擊地壓機理，以期降低相似條件礦井的沖擊危險性。

1 工程概況

鄂爾多斯某礦06 工作面為該礦221 采區南翼首采工作面，采用走向長壁綜放采煤方法，傾向長度300 m，平均埋深660 m，平均煤厚9.02 m，煤層傾角0°～3°，平均1°，為近水平煤層，地質構造簡單，直接頂為0.77 m 厚的泥巖，基本頂為31.26 m 厚的細粒砂巖，直接底為6.10 m 厚的砂質泥巖，基本底為9.25 m 厚的粉砂巖。據該礦沖擊傾向性鑒定報告，2-2 上煤層單軸抗壓強度為17.6 MPa，具有弱沖擊傾向性，頂板和底板均為弱沖擊傾向性。開采期間安裝有波蘭開發的SOS 微震監測系統[8]。據水文地質勘探結果可知，06 工作面煤層頂板上方存在一定厚度的直羅組含水層，富水區不均勻分布在工作面上方，共存在4 處富水區，06 工作面頂板富水區分布圖如圖1。工作面巷道掘進期間已施工疏水孔提前進行疏水工作。

2019 年10 月10 日19：00，06 工作面正常生產時發生沖擊地壓顯現，現場有大煤炮聲，工作面煤壁有明顯大片幫，工作面前方頂板大量掉渣，巷幫部分漏網。此時，SOS 微震監測系統監測到4.0×105J 的大能量事件（震源1），于20:06 又1 次監測到1.13×105J 的大能量微震事件（震源2），現場除有煤炮聲之外還存在頂板少量掉渣。

圖1 06 工作面頂板富水區分布圖Fig.1 Distribution plan of sandstone water-rich area on roof of 06 working face

經現場調研，發生沖擊顯現時06 工作面3 d 內回采速度平均達到7.2 m/d，且處于富水區疏水影響范圍內。初步分析認為，此次沖擊顯現的主要原因為：工作面回采速度過快導致超前應力集中程度加大，當其經過富水區時，超前支承壓力與疏水轉移應力相疊加使得應力高度集中，誘發工作面發生煤壁大片幫等沖擊現象。

2 頂板疏水快速回采工作面沖擊地壓機理

2.1 疏水前后應力分布規律

頂板存在富水區的工作面開采過程中將會面臨突水潰砂等頂板水害威脅[9]，因此需在工作面回采前即進行頂板的疏水工作，以保證工作面的安全高效開采。據現場監測和相關研究可知[6-7]，頂板富水區疏水后相當于開采了1 個“類解放層”，將會引起煤層及頂板原巖應力的重新分布。

為分析疏水前后應力分布規律，以該礦地質條件為基礎，采用FLAC3D建立相應數值模型分析不同回采速度過疏水影響區時應力演化規律，模型尺寸為400 m×10 m×120 m（長×寬×高），邊界采用位移約束進行固定，頂部施加14 MPa 均布載荷代替上方560 m 巖層，整體服從Mohr-Coulomb 準則[10]。

為方便計算，模擬過程中假設富水區疏水相當于巖層力學性質損傷，富水區走向寬度80 m。富水區疏水前后煤層頂板的垂直應力分布曲線如圖2。可以看出，富水區疏水后引起煤層及頂板原巖應力的重新分布，形成增壓區和卸壓區，即疏水區域內煤層及頂板應力降低為卸壓區，區域邊緣出現應力集中程度較高的為增壓區，仍存在一定范圍的疏水影響區，影響范圍之外為原巖應力區。

2.2 不同回采速度過疏水影響區支承壓力

圖2 疏水前后煤層頂板垂直應力分布Fig.2 Vertical stress distribution of coal seam roof before and after drainage

在此基礎上，以不同回采速度從富水區一側50 m 外回采至富水區另一側50 m 外，回采速度分別為4、6、8、10 m/d，研究不同回采速度回采至疏水增壓區和卸壓區時工作面超前支承壓力分布規律。

1）不同回采速度過疏水增壓區模擬分析。疏水后不同回采速度推采至距疏水增壓區應力峰值附近10 m 處的應力分布云圖如圖3。疏水后增壓區不同回采速度下超前支承壓力分布曲線如圖4。其中判斷線為煤體發生沖擊的應力判斷線，取值為煤體單軸抗壓強度的1.5 倍[11]，約為26.4 MPa。可以看出，受富水區疏水增壓的影響，回采速度從低到高對應的超前支承壓力峰值分別為25.23、27.51、29.43、31.31 MPa，說明隨著回采速度的提升，其經過疏水增壓區時形成的應力集中程度越高。同時當回采速度為4 m/d 時，應力峰值未超過沖擊判斷線，而當回采速度等于或超出6 m/d 時，應力峰值超過沖擊判斷線，已滿足發生沖擊的應力條件。

2）不同回采速度過疏水卸壓區模擬分析。疏水后卸壓區不同回采速度下超前支承壓力分布曲線如圖5。可以看出，推采速度與支承壓力峰值仍成正相關關系，但是相較于疏水增壓區而言，峰值明顯降低，且由于疏水產生的卸壓效應，當回采速度達到8 m/d 時，應力峰值才滿足發生沖擊的臨界應力條件。

由上述分析可知，頂板富水區疏水后形成增壓區與卸壓區，當工作面快速回采經過疏水形成的增壓區時，應力疊加相比慢速回采易超過發生沖擊地壓的臨界值，誘發回采工作面發生沖擊。

3 現場監測和沖擊地壓防治措施

3.1 現場監測

2019 年9 月19 日至10 月23 日06 工作面日進尺與日微震能量變化關系圖如圖6。該段時間06工作面4 次方以上微震事件平面投影圖如圖7。

圖3 疏水后不同回采速度下應力分布云圖Fig.3 Stress distribution cloud map after drainage with different mining speeds

圖4 增壓區不同回采速度下超前支承壓力分布曲線Fig.4 Lead abutment pressure distribution curves of pressurized area at different mining speeds

圖5 卸壓區不同回采速度下超前支承壓力分布曲線Fig.5 Lead abutment pressure distribution curves of unloading area at different mining speeds

圖6 06 工作面日進尺與微震能量變化曲線Fig.6 Curves of daily advance and microseismic energy

由圖6 可以看出，9 月19 日至10 月4 日工作面回采過I 區域，其全處于富水區下方，隨著回采速度的提升微震能量變化不大，即使期間回采速度最大達到8.8 m/d，但單日微震總能量和最大能量依然處于較低水平。10 月5 日至10 月23 日工作面回采過II 區域，工作面大面積處于疏水增壓區，相比I 區域，10 月14 日之前回采速度的加快造成了微震單日最大能量和微震總能量的顯著增加，10 月14 日之后隨著回采速度降低至4 m/d 以下微震能量明顯降低。圖7 中黑色框線為工作面進尺，可以看出微震事件多集中于疏水形成的增壓區內，說明工作面推進至該區域煤體上方集中程度較高，從而導致了10月10 日工作面發生沖擊地壓顯現。

3.2 疏水影響范圍內的防沖措施

1）增壓區卸壓鉆孔加密。具有沖擊危險性的工作面回采前，已提前對劃分的沖擊地壓危險區施工了大直徑預卸壓鉆孔，但為保證巷道圍巖在疏水增壓區處于“低應力”狀態。仍需根據物探資料確定的富水區邊緣前方100 m 對卸壓鉆孔進行加密施工。

2）增壓區頂板預斷頂。在工作面2 條巷道疏水增壓區前后50 m 范圍內進行水壓致裂或爆破致裂預斷頂，以降低工作面過疏水增壓區時基本頂的懸頂造成的。

3）疏水影響區域補強支護。為減緩圍巖變形速率、減小圍巖變形量，在富水區域邊緣超前100 m范圍內對巷道幫部和頂板進行補強支護，并各增1排單元支架，提高超前被動支護強度。

4）加強監測。針對疏水形成的增壓區，在疏水影響范圍前后100 m 范圍內將應力測點組間距由25 m 變更至20 m，增加測點數，并在此區域提高鉆屑法檢測頻率，同時結合微震監測進行預警，有任一指標預警則及時停止回采并進行解危。

5）疏水影響范圍內回采速度階段調整。根據頂板疏水快速回采工作面沖擊地壓機理可知，降低回采速度可以有效降低工作面在疏水增壓區的應力集中程度，但一味地降低回采速度會造成經濟的巨大損失。為兼顧資源使用、經濟發展和安全生產，可在疏水影響區域進行回采速度的階段調整。

根據數值模擬和微震監測可知，當工作面回采疏水增壓區時，回采速度不超過4 m/d 時應力水平達不到發生沖擊的基本條件且日微震能量也處于較低水平。當工作面回采疏水卸壓區時，回采速度提升至8 m/d 時，應力峰值才達到發生沖擊的臨界值，但現場微震監測表明此時釋放能量仍處于較低水平。因此當回采疏水卸壓區時，可將回采速度階段調整為不超過8 m/d，既可以滿足產量需求又可以滿足安全開采需求。

4 結 語

1）通過數值模擬研究頂板富水區疏水前后應力分布規律，得到疏水后引起煤層及頂板原巖應力的重新分布，形成增壓區和卸壓區。

2）當工作面快速回采經過疏水形成的增壓區時，應力疊加相比慢速回采易超過發生沖擊地壓的臨界值，誘發回采工作面發生沖擊。

3）提出疏水增壓區內加密卸壓鉆孔、預斷頂、補強支護、加強監測和疏水影響范圍內回采速度階段調整的防沖措施，并指出回采疏水增壓區時回采速度應控制在不超過4 m/d，回采疏水卸壓區時回采速度階段調整為不超過8 m/d。