煤礦井下頂板疏水綜采面沖擊地壓原因分析及治理

王衛宏

（山西三元煤業股份有限公司，山西 長治 046000）

三元煤業井下綜采面煤層埋深為730 m，煤層平均厚度為9.14 m，煤層的平均傾斜角為2.7°，煤層的傾向長度為400 m，采用了長壁綜放采煤法。煤層的直接頂為泥巖，基本頂為細砂巖，直接底為砂質泥巖，基本底為粉砂巖，地質結構相對簡單。根據沖擊地壓監測報告，該煤層的單軸抗壓強度為16.7 MPa，具有較強的沖擊傾向性，在綜采面頂板上方存在著較深的含水層，共4 處富水區，且分布不均勻。

在綜采作業過程中經常出現地壓沖擊現象，根據微震監測儀[1]的監測結果，其能量沖擊約為3.8×105J，現場觀測存在頂板開裂及掉渣現象。此時綜采面的回采速度約為7.9 m/d，而且正處在富水區疏水的區域中。結合現場實際情況，以理論分析為基礎，以仿真分析模擬為核心，對不同回采速度下頂板疏水區域超前支護承壓變化情況進行分析，最終確定產生地壓沖擊的主要原因在于綜采面的回采速度過快，導致了超前應力集中，而且在富水區域存在疏水轉移應力，兩者疊加導致了應力超標，因此導致了綜采面頂板的開裂及掉渣現象。根據分析結果針對性地提出了加密增壓區的泄壓鉆孔、加強疏水區域的補強支護等方案，為解決沖擊地壓提供了新的思路，目前已在多個煤礦投入應用，取得了極好的效果。

1 頂板疏水區綜采面沖擊地壓應力分析

頂板進行輸水處理后將導致疏水區域的應力重新分布[2]，為了對不同綜采速度下對應力分布的影響進行研究，項目團隊引入了FLAC 應力分析軟件[3]，建立了尺寸為500 m×50 m×100 m 的分析模型，在模型邊界采用了位移約束固定，在頂板上施加了16.7 MPa的均布載荷（井下實測數據）。當疏水后，在頂板內形成了一個增壓區和一個卸壓區，其中增壓區主要出現在疏水區邊緣處，卸壓區主要在疏水區域中間位置[4]。

為了對綜采速度不同時的應力分布規律進行研究，模擬常用的4 m/d、6 m/d、8 m/d、10 m/d 四種綜采速度下疏水區域的應力分布情況，結果如圖1 所示。

圖1 不同作業速度下增壓區的應力分布云圖

由圖1 可知，圖中的判斷線是巷道頂板的最大承受應力的安全值，一般為煤層抗壓強度的1.6 倍，約為26.7 MPa。通過仿真分析，在回采作用下，巷道頂板所受的垂直應力均先增加，然后隨著距離工作面距離的增加而降低。當綜采作業速度大于4 m/d 時，應力集中值均會超過巷道頂板的判斷線，從而引起地壓沖擊，導致巷道頂板的受損。

不同的回采速度下卸壓區超前支撐壓力分布曲線如圖2 所示。

圖2 不同作業速度下超前支撐壓力分布曲線圖

由圖2 可知，在卸壓區，井下綜采作業速度和作用在頂板上的垂直應力變化情況呈正比，作業速度越快，作用在頂板上的垂直應力越大，對頂板穩定性的影響就越大。但應力峰值明顯小于在增壓區的峰值，此時當作業速度超過8 m/d 的情況下，才會對頂板的穩定性產生影響。

由對比分析結果可知，頂板富水區域在經過疏水區后會形成應力增壓區和應力卸壓區，當綜采作業速度過快時，產生的綜采擾動和增壓區的垂直應力相疊加，就極易超過巷道頂板的臨界承受值，影響巷道穩定性。

2 現場監測及沖擊地壓仿真分析方案

對井下2021 年9 月18 日到10 月23 日的綜采作業速度、微震能量變化進行監測，結果如圖3 所示。

圖3 綜采速度與微震能量關系曲線

由監測結果可知，在2021 年9 月19 日到10 月4 日期間，綜采區域在富水區的下側，綜采速度的變化對綜采過程中的微震能量的變化影響不大。從10月5 日到10 月23 日期間，綜采面處于疏水的增壓區域，此時綜采速度的變化對微震能量的影響開始增加。當日進尺達到7.8 m/d 時，日微震總能量最大達到了1 154 kJ；當日進尺達降低到4 m/d 時，微震能量顯著降低。

由此證明了仿真分析的正確性，頂板的損壞是由于綜采擾動和增壓區的垂直應力相疊加，超過巷道頂板的臨界承受值導致的。針對煤礦井下頂板疏水綜采面沖擊地壓產生的原因，結合井下的實際情況，本文提出了一系列的措施防止沖擊地壓的產生，主要包括在增壓區加密卸壓鉆孔、在疏水區補強支護、在增壓區進行頂板預斷、適當降低綜采速度等[5]。

1）增壓區加密卸壓孔。為了保證綜采作業地順利進行，降低增壓區應力的影響，在地質勘探后提前對增壓區設置卸壓孔，降低增壓區的應力狀態。

2）疏水區補強支護。為了減少在應力疊加下頂板的變形情況，在疏水區域的增壓區各增設一排單元架，從而有效提升超前被動支護的強度。

3）增壓區進行頂板預斷。在增壓區前后進行頂板預斷，階段應力傳播的途徑，降低在過增壓區時對應力疊加的影響。

4）降低回采速度。利用仿真分析方案，對增壓區最大允許綜采速度進行限制，保證其綜采擾動和增壓區應力疊加值小于頂板的可承受值，提高巷道穩定性。

3 實施效果

在2021 年10 月29 日按上述措施進行優化后，進行綜采過程中的微震能量監測，結果表明從優化后到2021 年12 月30 日，在過疏水增壓區的過程中未再出現過巷道頂板開裂及掉渣現象，有效地提升了巷道在綜采作業過程中的穩定性。

4 結論

1）頂板區域疏水后增壓區和沖擊應力疊加超過了沖擊地壓的臨界值是導致巷道頂板變形的主要原因；

2）綜采速度越快，在巷道掘進過程中產生的擾動應力就越大；

3）在增壓區加密卸壓鉆孔、在疏水區補強支護、在增壓區進行頂板預斷、適當降低綜采速度，能夠有效降低井下綜采作業時的沖擊地壓，提高巷道穩定性。