復雜條件工作面沖擊地壓綜合防控技術

韓傳磊 姬廣雨 韓傳廷

（汶上義橋煤礦有限責任公司，山東 濟寧 272511）

隨著煤炭資源開采深度和難度的增大，沖擊地壓災害已成為我國深部復雜條件下煤炭資源開采所面臨的重大安全問題[1]。

本文以汶上義橋煤礦3305 工作面為研究對象，通過分析3305 工作面沖擊地壓主控因素，構建工作面沖擊地壓綜合防控技術體系，再結合微震及應力分布演化規律分析，探討沖擊地壓綜合防控技術的有效性，為類似條件礦井沖擊地壓的有效防治提供重要的參考。

1 工程背景

汶上義橋煤礦生產條件復雜，主要表現在采深大，斷層多，頂板厚硬巖層多。其中3305 工作面就是該礦井較典型的一個綜放工作面，工作面設計呈“刀把”形的不規則工作面，整體埋深為430～720 m。其北側為3303 采空區，南側為SF21 正斷層（落差0～60 m，傾角60°），東側為三采區膠帶下山，西側為YF7 斷層（落差>500 m，傾角<60°）。軌道順槽長1432 m，膠帶順槽長1240 m，膠帶順槽外段長734 m，切眼長155 m，回采后期工作面加寬至240 m。如圖1。

圖1 3305 工作面井下位置關系圖

3305 工作面開采3 煤層，煤層厚度3.5～5.2 m，平均厚度4.1 m，平均傾角13°，普氏硬度1.48。煤層頂底板巖層情況見表1。

表1 煤層頂底板巖層情況表

經煤巖層沖擊傾向性鑒定試驗，3 煤層平均動態破壞時間為161 ms，沖擊能量指數為1.38，彈性能量指數為2.28，單軸抗壓強度為14.47 MPa，綜合判定煤層具有弱沖擊傾向性；3 煤頂板巖層彎曲能量指數為272.23 kJ，判定頂板巖層具有強沖擊傾向性。

2 沖擊危險狀態及主控因素分析

2.1 沖擊危險狀態評價

綜合指數法作為一種沖擊地壓危險性的早期綜合評價方法，得到了廣泛的認可和應用。

綜合指數法[2]分地質因素影響的沖擊地壓危險程度及危險指數Wt1和開采技術因素影響的沖擊地壓危險程度及危險指數Wt2。沖擊地壓危險狀態等級評定綜合指數取兩者中的大值，即Wt=max{Wt1，Wt2}，對應的沖擊危險狀態見表2。

表2 綜合指數法確定的沖擊危險狀態分級

根據3305 工作面具體地質條件和生產技術條件，確定工作面沖擊地壓危險綜合指數為0.52，為中等沖擊危險狀態，見表3。

表3 3305 工作面沖擊危險狀態評估

2.2 沖擊地壓主控因素

3305 工作面沖擊地壓危險的主控因素主要有開采深度、斷層構造、堅硬頂板巖層、臨近采空區及擴面等，具體分析如下：

（1）開采深度

統計表明：開采深度與沖擊地壓發生的概率成正相關關系。當開采深度超過500 m 時，隨深度的增加，沖擊地壓的危險性急劇增加。3305 工作面平均采深580 m，最大采深720 m，處于較高的沖擊地壓危險階段。

（2）斷層構造

3305 工作面斷層構造發育，工作面北、南、東側分別被YF7、SF21、YF20 隔斷，形成地塹，且開采范圍內還有6 條落差大于5 m 的斷層。

上述斷層均為正斷層，正斷層一般是在重力和水平張力共同作用下形成的，正斷層體內一般不會產生能量積聚，其誘發沖擊地壓機理主要是應力疊加。因此，在工作面采掘靠近以及穿越斷層時，沖擊危險性較高。

（3）堅硬頂板巖層

堅硬厚層頂板容易積聚大量彈性能，在堅硬頂板破斷或滑移過程中，大量彈性能突然釋放，易誘發沖擊地壓災害[3]。

由表1 可知，3 煤上方10.60 m 厚的細砂巖，距煤層僅0.80 m，易儲存大量彈性能，對工作面沖擊地壓顯現具有重要的影響。因此，在工作面初次來壓、采空區見方等期間是防沖重點區域。

（4）臨近采空區

3305 工作面北側為3303 工作面采空區，兩工作面間區段煤柱寬度為4 m，小煤柱護巷下的3305工作面軌道順槽處于內應力場，沖擊危險性較低。

回采期間3305 工作面的老頂初次斷裂完成后，其上位巖層將與3303 工作面的同層位巖層一起運動，采場覆巖將形成“S”型空間結構[1]，此時工作面軌道順槽側受動載影響，沖擊地壓危險明顯升高。

（5）擴面

受斷層影響，3305 工作面后期擴面生產，原切眼長度155 m，擴面后工作面加寬至240 m。

研究表明，擴面后形成的不規則區域與原規則區域相比，應力分布將發生明顯的變化，如圖2。

圖2 擴面后不規則區域應力分布示意圖[4]

原規則工作面的支承壓力可表示為：

式中：K（x）為應力集中系數，x表示一點距采空區距離；γ為巖層平均容重；H為開采深度。

擴面后不規則區域的支承壓力為：

式中：Kf為不規則區域應力傳遞系數，Kf>1.0。具體參數見表4。

表4 支承壓力計算參數

經計算可知，工作面超前20 m 處應力集中程度最高，支承壓力達到峰值，原規則工作面支承壓力峰值為47.73 MPa，擴面后不規則區域支承壓力峰值為59.66 MPa，即擴面區域所形成的拐角煤柱區域應力集中程度顯著上升，沖擊危險程度較高。因此應積極構建綜合防沖體系并做好監測及卸壓解危工作。

3 沖擊地壓綜合防控技術體系

根據上述分析可知，3305 工作面沖擊地壓誘發因素較多，對于該工作面的沖擊地壓防控應從多方面考慮。最終完成對沖擊危險區域的劃分，其中深色橢圓代表弱沖擊區域、淺色橢圓代表中等沖擊區域。具體如圖3所示。基于此，提出了3305工作面“預防、監測、解危與防護”四位一體的沖擊地壓綜合防控技術體系。

圖3 3305 工作面沖擊危險區域劃分圖

（1）預防

根據以上對沖擊地壓主控因素的分析，對3305工作面劃分不同的沖擊危險等級。回采前，對預先劃為的沖擊危險區域進行大直徑鉆孔預卸壓處理，卸壓鉆孔直徑150 mm，孔深20 m，卸壓孔間距：弱沖擊危險區域D≤3.5 m，中等沖擊危險區域D≤2.3 m，強沖擊危險區域D≤1.2 m。

（2）監測

應用SOS 高精度微震系統、鉆屑法、應力在線監測系統及支架工作阻力監測系統，構建了3305工作面區域與局部結合的沖擊地壓多層次監測預警體系。

區域監測采用SOS 高精度微震系統實時監測工作面范圍內及周邊區域的震動事件。局部監測采用應力在線監測和鉆屑法，其中應力監測實時監測掘進迎頭后方200 m 和回采工作面超前300 m 的應力變化情況，鉆屑法監測范圍為掘進迎頭后方60 m和回采工作面超前100 m。支架工作阻力監測作為輔助監測手段，用以分析工作面礦壓顯現規律，進而指導防沖措施的實施。

工作面回采期間微震系統監測顯示工作面斷層YF7、SF21、YF20 區域微震總能量達到3.6×105J 且存在上升趨勢，因此應提前對該區域進行卸壓解危。

（3）解危

工作面生產過程中，應用各種監測方法監測到的沖擊危險區域，必須進行解危處理，直至沖擊危險消除為止。

對于3305 工作面，沖擊危險區域的解危方法優先選擇采用大直徑鉆孔卸壓，直徑150 mm，間距不大于2.0 m，孔深20 m。卸壓后，鉆屑法檢驗仍具有沖擊危險時，再加密實施大直徑鉆孔卸壓。當加密實施大直徑鉆孔卸壓后仍無法有效消除沖擊地壓危險時，再采用煤體內爆破卸壓方法進行解危處理，直至沖擊危險解除。卸壓前后鉆屑法監測煤粉量如圖4 所示。

圖4 3305 工作面卸壓前后煤粉量對比圖

由圖4 可知，3305 工作面沖擊危險區域經大直徑鉆孔卸壓解危后，通過鉆屑法監測煤粉量較卸壓前出現顯著的下降，總體處于煤粉臨界值之下，且監測過程中未出現卡鉆、吸鉆等現象，卸壓效果良好。

（4）防護

考慮到沖擊地壓影響因素的復雜性，要實現沖擊地壓的零發生難度極大，從保障井下工人人身安全的角度，應加強工作面兩順槽支護，并提高工作面超前支護強度和范圍，增加支護抵抗沖擊地壓的能力，最終實現“有震無災”。

3305 工作面兩順槽采用長度為2400 mm 高強錨桿支護，頂部采用錨索+W 型鋼帶或槽鋼進行加強支護。錨桿和錨索支護長度能夠貫穿巷道塑性區，深入穩定區進行固定，并配合W 型鋼帶、槽鋼、金屬網等加強支護效果。應用McGarr 建議的質點運動速度v、震源中心到沖擊破壞點的距離R與沖擊強度ML之間的關系式lgRv=3.95+0.57ML[5]，驗證了巷道支護系統的抗沖擊能力。結果表明：順槽支護系統可以抵御2.25 級的震動事件。

工作面超前支護區域是沖擊地壓易發區域，鑒于此，為提高超前支護強度及抗沖擊能力，取消單體液壓支柱的超前支護方式，改用超前支架配合單元支架的超前支護方式。

4 應用效果驗證

3305 工作面從2018 年1 月初開始回采，至2019 年12 月工作面安全回采完畢。根據現場監測數據及記錄，采用本文提出的沖擊地壓綜合防控技術后，3305 工作面生產過程中未出現任何強礦壓顯現及沖擊地壓事件。

在工作面生產期間，微震監測數據顯示：微震活動始終較平緩，微震總能量為2.7×104J<5.0×104J，且一直處于較低水平。這表明該技術體系可以有效預防與消除工作面存在的沖擊危險，保證了工作面的安全高效生產，為類似工作面開采提供了參考。