強沖擊煤層綜采面礦壓顯現規律及動靜載特征研究

賈建華

（山西煤炭進出口集團蒲縣萬家莊煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

0 引言

隨著煤層開采深度[1-2]逐漸增加，開采條件更加惡劣，沖擊礦壓事故的頻繁發生對礦井生產以及工人安全帶來嚴重危害。因此發生沖擊礦壓的誘因便是亟待解決的問題了，找到因果關系，就等于從源頭上找到了預防沖擊礦壓方法。王金安[3]等依據彈性力學相關理論，證實老頂斷裂時礦壓顯現和煤巖層應力場具有非對稱和時序性特征；劉金海[4]等根據新巨龍特厚煤層工作面支承壓力實測分析，巷幫煤體側向支承壓力峰值出現在工作面后方，低應力區范圍約為采高的2倍；孔令海[5-6]等利用微震監測等手段得到沖擊載荷源頭源自老頂的斷裂，段王拴[7]采用現場觀測和數值模擬分析的方法，工作面存在較明顯的周期來壓現象，并具有一定的瞬時沖擊性載荷特征；李通達[8]等通過數值模擬得出動靜載荷疊加作用下巷道圍巖全部損傷危險指數均較靜載荷作用下大；根據北京煤炭科學研究院沖擊地壓傾向性分析報告:張雙樓礦9煤層屬3類，是具有強沖擊傾向性的煤層[9]。為深入研究張雙樓礦94101工作面礦壓規律，本文從現場實測出發，運用支架工作阻力監測、微震監測[10]、煤體應力監測以及離層監測等多種手段進行礦壓監測，通過分析上述監測數據，確定支架工作阻力、巖體破裂運動以及超前支承壓力等變化規律，進而得到工作面圍巖運動及動靜載[11]變化特征，確定沖擊礦壓誘因，為我國其他地質條件相似礦井開采提供技術支持。

1 礦井概況

94101工作面位于工業廣場保護煤柱東部，-1 000 m水平延伸采區，走向長度1 120 m，傾斜長度185.7 m，上覆74101、7123工作面采空區，南鄰9121工作面采空區，西鄰工業廣場保護煤柱，東部以及北部區域都是未采區。煤層平均厚度3.1 m，傾角22°，工作面內煤層發育穩定，平均煤厚約3.1 m。西部發育1～2層泥巖夾矸，夾矸厚度0.1～0.4m，結構較復雜，影響工作面走向長度約300 m。工作面頂板巖層自下而上依次是泥巖、細砂巖、砂質泥巖、泥巖。相對位置簡圖見圖1，采場頂板巖層分布見表1。

圖1 94101工作面巷道位置示意圖

表1 采場頂板巖層分布

2 沖擊礦壓誘因與頂板結構分析

2.1 動靜載作用下沖擊礦壓發生機理

沖擊礦壓發生的力源主要為煤巖體的靜載應力和采動誘發的動載應力，在回采工作面附近圍巖靜載應力較大，當采動誘發的動載應力疊加到靠近工作面范圍，且符合煤巖體發生動力災害的臨界載荷時，就會誘發沖擊礦壓災害。

2.1.1 靜載分析

工作面附近圍巖體中的靜載荷包含地壓和支承壓力，即：σs=σs1+σs2=（k+λ）γH

式中：γ為上覆巖層的容重；H為上覆巖層的厚度；λ為側壓系數；k為支承應力集中系數。其中，地壓包括自重應力以及構造應力σs1=γH+λγH=（1+k）γH;σs2=（k-1）γH。在高靜載荷應力影響下，并疊加采動動載后的應力水平大于極限承載強度，就能誘發回采空間圍巖體的沖擊破壞。

2.1.2 動載分析

根據彈性波理論，震動波在煤巖體中產生的動載公式（1）：

式中：σdp、σds分別為P波、S波產生的動載；為煤巖介質的密度；νpp、νps分別為質點處P波、S波通過時的峰值振動速度。在動載沖擊礦壓的影響下，沖擊礦壓會導致巖層頂板大范圍的斷裂以及垮落，該現象表現為動載應力起主導作用的沖擊礦壓的頂板活動。

2.2 基本頂厚度確定

按照實測礦壓數據計算基本頂厚度ME，將參數代入式（2）：

式中：PT為來壓階段頂板壓力，0.85 MPa；A為直接頂巖重，A=25 k N/m3×4.8 m=0.12 MPa；ME為基本頂厚度，m；γK為基本頂容重，25 k N/m3；C為周壓步距，14.9 m；KT基本頂巖重分配系數，取KT=2；LK控頂距，4.8 m。進一步計算得到94101工作面基本頂厚度為ME=18.8 m，對比頂板巖層分布確定其由一層17.4 m的砂質泥巖組成,為厚硬頂板。

2.3 基本頂特征及能量變化分析

根據工作面頂底板條件，基本頂之上為7煤采空區，且頂板賦存較薄，采動后彈性能釋放，9煤開采時不會導致采空區破斷頂板彈性能再次快速大量釋放，所以基本頂是本工作面動態擾動來源。

工作面回采時，發生頂板裂斷和垮落時要消耗應力和能量，故在此過程中應力和能量都要得到釋放。頂板結構已確定基本頂厚硬，破斷前積累大量的彈性能，破斷時短時間內快速釋放，誘發震動，而震動傳遞到巷道周邊圍巖導致圍巖總應力迅速升高，超過沖擊臨界值誘發沖擊礦壓。因此通過對工作面主要動載來源（支架工作阻力、微震）以及靜載（錨桿應力、頂板離層）的實時監測并分析得到基本頂初次來壓步距、采場圍巖能量釋放規律、判斷巷道頂板巖體應力狀、捕捉頂板運動狀態顯得尤為重要，也對預防沖擊礦壓起著舉足輕重的作用。

3 工作面礦壓實測及動靜載特征分析

3.1 礦壓監測設備布置及分析

3.1.1 工作面頂板壓力監測及分析

94101工作面共安裝20臺頂板壓力監測分站，分 別 安 裝 在7、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、117號支架。通過監測數據并分析工作面7個監測部位處頂板的初次來壓步距為24.8～46.3 m，平均為32.5 m；7條測線部位處老頂的周期來壓步距為c=5.3～27.6m，平均14.9 m。圖2為30號支架初撐力和循環末阻力變化曲線。

圖2 30號支架初撐力和循環末阻力變化曲線

3.1.2 超前巷道頂板離層監測及分析

頂板離層監測分站設備2臺，共布置2個測點，測點位置分別位于材料道距切眼250 m和350 m處。一般距回采工作面50 m內，通過監測數據并分析，距離工作面約100 m位置應力增幅明顯，距離工作面30 m位置錨桿應力急劇增加；靠近工作面煤壁時應力突然降低然后又升高。如圖3所示。

圖3 頂板離層量變化曲線

3.1.3 錨桿應力監測及分析

錨桿（索）應力監測分站設備2臺，共布置2個測點，每個測點相距100m，測點位置分別位于材料道距切眼250m和350m處，每個監測分站可同時測3根錨桿，分別位于3個不同的斷面，前后相距3 m。通過監測數據并分析，深基點離層從測點距離工作面108 m開始增大；淺基點離層從測點距離工作面92 m開始增大，距工作面35 m時離層量顯著增大，離層最大部位距工作面23 m。如圖4所示。

圖4 錨桿應力變化曲線

3.2 SO S微震監測系統布置及分析

工作面在材料道和溜子道共布置6個微震監測傳感器，每個巷道各布置3個，布置間隔約200 m左右，其隨工作面回采需要不斷前移。日震動次數大約在19次左右，日釋放能量（圖6）在1.5×104 J左右；當總能量數值變大時，微震次數（圖5）也相應變多；微震在工作面推進過程中有明顯的周期變化，較大能量震動之前通常會有較小能量和次數的微震發生；預測微震與基本頂來壓之間存在一定的聯系。

圖5 微震事件數24小時分布圖

圖6 日釋放總能量和次數

3.3 動靜載特征分析

3.3.1 動載監測及分析

通過挑選支架循環末工作阻力并進行分析，得到基本頂初次來壓步距32.5 m，平均周期來壓步距為14.9 m；根據SO S微震監測系統收集到的數據，分析微震活動規律得到基本頂初次來壓步距36.8 m，平均周期來壓步距14.8 m，與前者通過分析液壓支架循環末工作阻力得到的來壓步距基本相同。見圖7。

圖7 液壓支架及微震監測來壓步距統計

微震監測分析得到采場圍巖能量釋放的周期性與液壓支架測得基本頂來壓步距基本一致，表明由頂板破斷產生的動載應力來自于基本頂的斷裂。故可以采用消除動載源的方式，比如提前對基本頂采取斷頂爆破手段減少動載誘發沖擊礦壓的可能性。

3.3.2 靜載監測及分析

通過統計分析錨桿應力、頂板離層量監測數據，得出應力、離層變化明顯區主要發生在距工作面100m左右位置，即工作面圍巖靜載在該位置變化明顯；應力、離層變化劇烈區主要發生在工作面前方30m范圍內，即工作面圍巖靜載在該位置變化劇烈。

4 礦壓顯現規律數值模擬研究

4.1 開采模型建

模型沿工作面走向方向長度為170 m，工作面長度185 m，高度130 m；煤層厚度3 m，平均埋深1 000 m。模型側面邊界施加水平位移約束，底部邊界施加豎向方向位移約束，模型頂部加載的垂直應力為23 MPa。

4.2 垂直應力分布特征

工作面回采20 m時，采空區頂板由于損傷破壞產生應力降低區，煤壁前方應力峰值48.88 MPa；回采35 m時，頂板應力降低區變化明顯，范圍增幅較大，從高度與長度2項看均明顯大于回采20 m時的應力狀態，注意此位置可能發生初次來壓，煤壁前方應力峰值64.65 MPa；回采50 m時，煤壁前方應力峰值77.81 MPa，應力降低區范圍繼續擴大，見圖8。

圖8 不同推進距離垂直應力分布

4.3 位移演化特征

工作面回采時，上覆巖層受采動影響會逐步產生離層、垮落等巖層運動等現象。本次通過模擬可間接得到94101工作面推采過程中圍巖位移特征。

由圖9可知，工作面開采后頂底板及煤壁前方首先出現位移變形，采空區中部位移量最大，位移分布云圖大體成對稱分布。隨著工作面不斷推進，頂板下沉量逐漸增加，位移變化范圍也在逐步擴大，當推至35 m周圍時，頂板位移變化明顯，有較大范圍的垮落，可當做老頂初次垮落。

圖9 不同推進距離垂直位移分布

4.4 塑性區演化特征

由圖10可知，工作面回采20 m時，上覆巖層破壞范圍較小，頂板相對穩定，以拉剪破壞為主；回采至35 m時，覆巖破壞范圍急速增加，老頂發生斷裂，以剪切破壞為主，煤壁和前方區域也產生破壞，此處發生老頂初次來壓；回采至50 m時，上覆巖層破壞范圍繼續增加，以剪切破壞為主，采空區頂板裂隙更加發育，頂板垮落形成周期來壓。

圖10 不同推進距離塑性區分布

4.5 能量分布特征

數值模擬回采完畢后，利用fish編程語言計算各單元體的彈性能，并相應繪制成云圖，如圖11所示。

圖11 不同推進距離彈性能分布

由圖11可知，能量場演化特征與應力分布特征大致相同，工作面前方能量峰值位置距煤壁距離大約保持在10 m左右，與應力集中區位置基本一致。由模擬結果推斷頂板初次來壓步距35 m左右，周期來壓步距15 m左右。煤層開挖后，在工作面煤壁前方附近應力集中現象比較明顯。

4.6 小結

由模擬結果推斷頂板初次來壓步距35 m左右，周期來壓步距15 m左右；能量峰值位置距煤壁距離大約保持在10 m左右，與垂直應力峰值位置大致相同；當工作面推至35 m周圍時，頂板位移變化明顯；煤層開挖后，工作面煤壁前方附近應力集中現象比較明顯圍巖存在一個呈橢圓拱形態的垂直應力顯著降低區域。

5 結論

1）通過對微震日釋放能量曲線推斷分析，頂板初次來壓步距36.8 m，周期來壓步距14.8 m，與支架實測來壓步距結果基本吻合；通過工作面圍巖靜載特征分析得出在工作面前方30 m范圍內，應力、離層變化劇烈；通過工作面動載特征分析表明由頂板破斷產生的動載應力來自于基本頂的斷裂。

2）由數值模擬分析可知，在工作面煤壁前方10 m左右，能量和應力都達到了峰值；工作面回采至35 m時，覆巖破壞范圍急速增加，基本頂發生斷裂，推斷此處發生老頂初次來壓。

3）工作面礦壓實測與動靜載特征分析結果和數值模擬結論基本一致，可以說明誘發沖擊礦壓的原因主要來自于基本頂斷裂。因此常規礦壓監測可以為沖擊礦壓預示起到一定的指導性參考作用。