回采工作面巷道沖擊危險趨于定量分析及應用

陳廣堯 高 山 劉 超

（微山金源煤礦，山東 濟寧 277600）

據相關資料統計[1]，工作面巷道中的沖擊地壓事故占比超過了90%，此類事故具有隱蔽性強、沖擊范圍廣、可修復性差等顯著特點[2-3]。影響微山金源煤礦43上03 回采工作面巷道沖擊地壓的主要因素：自重與采動應力耦合誘發的沖擊，過不規則工作面等區域造成局部應力集中區誘發的沖擊，工作面初次來壓、工作面見方等上方厚硬巖層斷裂、覆巖運動誘發的沖擊。這些因素有可能組合在一起，相互作用。因此，筆者基于影響沖擊地壓發生的“應力”這一關鍵指標[4]，根據43上03 工作面實際情況，開展回采工作面沖擊危險區趨于定量分析及應用等方面的探索。

1 工程背景

微山金源煤礦43上03 工作面四周均為實體煤，平均采深500 m，傾斜長138～200 m，走向長225～300 m。工作面呈“刀把形”，西側為回風巷，東側為進風巷，總體呈一單斜構造，傾角平均10°，后退式傾向長壁綜合機械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面巷道布置如圖1。開采3上煤層，厚約2.3 m，頂板以泥巖、粉砂巖為主，基本頂為中砂巖（厚為7.22 m），底板以粉砂巖為主，基本底為粉砂巖（厚為1.59 m）。3上煤弱沖擊傾向性，煤層單軸抗壓強度約8.56 MPa，頂板弱沖擊傾向性，底板無沖擊傾向性。

圖1 43上03 工作面巷道平面布置圖

2 回采工作面巷道沖擊危險區趨于定量分析原理

工作面在回采期間，與工作面巷道沖擊地壓有關的主要應力為“基礎應力”、“應力增量”和“沖擊地壓臨界應力”，物理意義和理論估算如下：

（1）基礎應力。不考慮斷層等構造因素情況下，工作面巷道自重應力與相鄰采空區覆巖轉移應力等形成的疊加應力（靜態），首采工作面（兩側為實體煤）情況下基礎應力與自重應力一致，小區段煤柱沿空工作面條件下基礎應力與自重應力存在一定差異，可以通過自重和采空區疊加后的工作面“當量采深”進行估算。H'表示工作面的“當量采深”[5]，單位為m；γ表示覆巖容重，單位為kN/m3；則工作面巷道的基礎應力為σj=γH'，單位為MPa。

（2）應力增量。工作面正常回采期能夠造成工作面上覆各級厚硬關鍵層破斷和覆巖空間結構運動，甚至產生礦震（動載），容易形成工作面巷道煤巖體的應力突然升高。假設礦震或動載造成巷道圍巖升高應力用σa表示，單位為MPa，開采經驗表明σa是動態的且與靜態的基礎應力σj存在一定的關系σa=k·σj，單位為MPa，其中應力增量系數為k＞0 的無量綱常數。

（3）沖擊地壓臨界應力。以影響巷道煤巖沖擊的單軸抗壓強度為主要參數，設煤層單軸抗壓強度為[σ]，單位為MPa，得到誘發巷道發生沖擊的臨界應力為K[σ]，或表述為發生弱沖擊、中等沖擊、強沖擊地壓臨界應力分別為K1[σ]、K2[σ]和K3[σ]，無量綱常數K或K1、K2、K3根據不同礦井或工作面實際情況取值，一般K≥1.0、

K1=1.0～1.5、K2=1.5～2.0、K3=2.0～2.5[6]。

假設開采條件相對穩定，工作面巷道的基礎應力基本不變，巷道的應力增量主要與厚硬巖層破斷和覆巖運動形成的動載有關，沖擊地壓臨界應力與巷道煤體的沖擊傾向性關系密切。如果工作面巷道基礎應力低、煤巖單軸抗壓強度較高，同時工作面回采關鍵層破斷和覆巖運動誘發的應力增量不明顯，此條件下工作面正常推采過程中巷道基礎應力和應力增量的疊加應力不會超過巷道沖擊臨界應力，發生巷道沖擊的可能性較小。如果工作面巷道基礎應力較高、煤巖單軸抗壓強度相對較低，同時工作面回采關鍵層破斷和覆巖運動誘發的應力增量明顯，這種條件下工作面正常推采過程中巷道基礎應力、應力增量單個應力或基礎應力與應力增量的疊加應力能夠達到巷道沖擊臨界應力，易滿足巷道沖擊的基本條件，如圖2 所示。

圖2 工作面巷道沖擊危險趨于定量分析原理圖

回采工作面巷道沖擊危險趨于定量分析原理描述為：回采工作面巷道的基礎應力（靜態）和開采厚硬關鍵層破斷及覆巖空間結構失穩等形成應力增量（動態）的疊加應力，如果疊加應力整體上超過巷道沖擊地壓臨界應力時，既滿足工作面巷道圍巖沖擊力學條件，近似為

式中：σ為回采工作面巷道煤巖疊加應力，MPa。

根據K=K1、K2、K3不同取值以及σ/K[σ]結果，進行工作面巷道沖擊危險趨于定量分析。

3 43上03 回采工作面巷道沖擊危險趨于定量分析結果

3.1 工作面巷道的“基礎應力”估算

43上03 回采工作面在已知兩條巷道實際埋深H情況下，順槽的基礎應力按照σj=γH'=γH估算，取上覆巖層平均容重γ=25 kN/m3，采深H=500 m，則進風、回風巷基礎應力平均0.025×500=12.5 MPa。

3.2 工作面巷道的“應力增量”估算

（1）初次來壓應力增量。43上03 工作面初采階段基本頂初次來壓時的超前切眼影響距離約20～40 m，影響范圍接近40 m，工作面兩巷應力增量系數k 取0.3。

（2）周期來壓應力增量。43上03 工作面基本頂周期來壓顯現較初次來壓相對較弱，來壓期間可能對支架、圍巖等產生輕微的動載或沖擊現象，此項工程上可以忽略。

（3）工作面見方應力增量。43上03 工作面兩側均為實體煤，當工作面推進至見方后（工作面推采距切眼約200 m），老頂上方的高位巖梁逐漸形成O 型覆巖空間結構，分析工作面推采過程覆巖運動形成的O 型覆巖空間結構時沖擊影響范圍，工作面見方前、后各30 m，工作面兩巷應力增量系數k取0.3。相應的分析預測區域如圖3。

圖3 初次來壓、工作面見方等巷道沖擊影響區分布

3.3 回采工作面巷道疊加應力估算

工作面正常回采過程中兩巷應力增量平均取0.2，則43上03 工作面進風、回風巷疊加應力范圍：0.025×500×[1+（0.2～0.3）]=15～16 MPa。計 算 結果表明，工作面初次來壓、工作面見方等期間巷道疊加應力最大約為16 MPa，如圖3 相應區域沖擊危險性較大。

3.4 回采工作面巷道沖擊危險區劃分

根據上述分析，巷道弱、中等、強沖擊臨界判據是43上03 工作面煤體單軸抗壓強度的K1=1.5、K2=2.0、K3=2.5 倍，數值分別約13 MPa、17 MPa、21 MPa，采用橢圓代表弱、中等、強沖擊危險區，根據43上03 工作面進風、回風巷疊加應力與巷道弱、中等、強沖擊地壓臨界應力對應比值關系，確定回采工作面兩巷均為弱沖擊地壓危險，重點沖擊危險區為初次來壓、工作面見方和不規則工作面對應的巷道區域，如圖4。

圖4 43上03 回采工作面巷道沖擊危險區劃分

4 沖擊事件實際監測數據對比分析

以工作面初采階段微震監測未出現105J 大能量事件，微震顯示初采來壓影響范圍達到40 m，事件顯示工作面在“不規則”區域的影響范圍達到15 m，104J 事件在回風巷一側分布且相對集中，監測表明工作面巷道處于無～弱沖擊危險。應力監測回風巷應力集中在2～7 MPa，低于沖擊地壓應力監測預警值，但監測的高應力主要集中在距離切眼30～90 m范圍，這些區域主要在回風巷初次來壓和不規則工作面附近，監測表明工作面回風巷處于無～弱沖擊危險。

初采階段微震和應力監測反映的能量、應力影響程度及區域，與理論分析的重點沖擊區域吻合，同時工作面兩巷均處于無～弱沖危險，現場監測進一步驗證了分析結果的合理性，如圖5。

圖5 現場微震和應力監測結果

5 結語

（1）影響回采工作面巷道沖擊的主要應力：基礎應力、應力增量和沖擊地壓臨界應力。基礎應力是靜態應力，應力增量是動態應力，沖擊地壓臨界應力與煤層單軸抗壓強度有關。

（2）回采工作面巷道圍巖沖擊的力學表達式為σ=（1+k）σj≥K[σ]，通過對回采工作面巷道的基礎應力、應力增量和沖擊地壓臨界應力進行合理取值估算，能夠實現工作面巷道無、弱、中等和強沖擊危險性（區）的趨于定量分析。

（3）研究方法和結果指導了43上03 回采工作面巷道沖擊危險性（區）分析，得到兩巷具有弱沖擊危險，確定了工作面初次來壓、見方等重點沖擊危險區域，通過回采期間微震、應力監測，表明回采工作面沖擊危險趨于定量分析方法具有合理性。