郭屯礦2303 工作面沖擊地壓防控技術研究

張 泉，鄭義寧

（兗礦能源集團股份有限公司 東灘煤礦，山東 濟寧 272000）

0 引 言

沖擊地壓是采掘工作面煤巖體積聚的彈性變形能突然釋放，產生強烈震動，造成煤巖體劇烈破壞的動力災害[1-2]。隨著我國煤礦開采深度和強度的不斷增大，煤礦面臨的沖擊地壓威脅日益嚴重[3-4]。影響煤礦沖擊地壓的因素眾多，發生機理不一，造成沖擊地壓具有復雜性和不確定性，因此有必要對礦井沖擊地壓危險性進行監測和預防。

目前諸多專家學者對沖擊地壓進行了大量的研究，朱斯陶等[5]通過理論分析和現場實測對整體失穩型沖擊地壓進行了分類，并給出了防控措施；吳學松等[6]提出了運用建立、完善煤礦礦井沖擊地壓防控體系的方法，實現零沖擊目標管理，構建了八管控要點的沖擊地壓防控體系；曹安業等[7]針對煤礦應用背景構建了反演矩陣，統計分析了礦震破裂機制與震源參量的響應規律。

本文以郭屯礦2303 工作面為背景，通過分析郭屯煤礦2303 工作面沖擊地壓主控因素，提出了針對性的防控措施，并進行了現場應用。研究成果對于同類型條件下的沖擊地壓防控具有重要意義。

1 概 況

郭屯煤礦2303 工作面為二采區第三個工作面，工作面寬約260 m，回采推進長度約840 m；地面標高+41.6—+45.4 m，工作面標高-670—-770 m，最大埋深815 m；煤層厚度5.0～7.9 m，平均厚度6.3 m，煤層傾角0～18°；工作面受埋深大、頂板堅硬、地質構造復雜（斷層、褶曲等）、高地應力等因素影響，整體評價為中等沖擊危險，工作面布置如圖1 所示。

圖1 2303 工作面布置示意Fig.1 Layout of No.2303 Face

截至2022 年11 月10 日中班，工作面已推采513.4 m，剩余326.6 m。2022.11.1～ 2022.11.10 日累計推進23.38 m，2022.11.4～ 2022.11.10 日累計推進17.45 m，一周內平均推采速度為2.49 m/d。工作面軌道順槽處于中等沖擊危險區；膠帶順槽處于弱沖擊危險區。工作面受自重應力、采動應力、采空區側向支承應力、周期來壓及工作面雙“見方”等因素疊加影響，存在沖擊風險。

2 2303 工作面沖擊地壓主控因素分析

根據2303 工作面具體開采條件，深入分析工作面采深、頂板巖層結構、地質構造、煤巖體力學特性等不同影響因素對沖擊危險的影響程度。

2.1 采深因素

根據沖擊地壓發生的應力準則，當煤體中的垂直應力為煤體單軸抗壓強度的1.5 倍，煤體就具備了發生沖擊地壓的應力條件，對應的埋深為臨界沖擊深度，具體見式（1）。

式中：Hn為埋深，m；kn為應力集中系數；γ 為巖層平均容重。

根據郭屯煤礦2303 工作面具體條件，帶入相關數據，可得工作面發生沖擊危險的臨界采深為538 m，而2303 工作面實際開采深度標高為-670—-770 m。因此，已具備沖擊地壓發生的深度條件。

2.2 頂板巖層結構因素

郭屯煤礦2303 工作面上覆第四系與新近系以松散層為主，厚度在500～ 650 m，其下為石盒子組巖層，厚度在120～ 200 m，以泥巖、粉砂巖為主，巖性較為松軟。當深厚表土工作面推采距離較短時，由于基巖的承載作用，厚表土層能夠獨立向工作面前方傳遞應力；當關鍵層發生斷裂回轉下沉時，厚表土層無法繼續獨立向煤壁前方更遠處傳遞載荷。加之，松散層自身性質無法形成穩定承載結構，此時采場上覆巖層載荷壓力作用點分布在底部斷裂的基巖上，其上覆巖層形成的倒梯形結構內介質重量將以均載荷的形式作用于斷裂基巖上部，導致煤體前方超前支承壓力劇烈提升，此時容易誘發沖擊地壓，如圖2 所示。

由式（9）同理可得到香港股市的代理變量恒生指數的日收益率，并將“深港通”開通前的深證成指日收益率及香港恒生指數日收益率分別定義為QRSZ、QRHS，“深港通”開通后的深成指數及香港恒生指數的日收益率分別定義為HRSZ、HRHS，統計分析軟件為WINRATS8.0和EVIEWS8.0。

圖2 厚表土應力傳遞示意Fig.2 Stress transmission of thick topsoil

2.3 地質構造因素

在褶曲、斷層以及相變等較為明顯的地質構造附近，其構造殘余應力一般較大，從而增大了沖擊地壓發生的風險。2303 工作面地處華北板塊與魯西隆起，主要受控于以單斜構造為主導的斷裂帶。其中，近EW 向斷裂構造規模較大，以斷面平直、延伸遠的凸起和凹陷為主體；此外，區域內還大量發育NE～NNE 和EW 向褶皺，使得整體構造應力場更為復雜。根據郭屯煤礦二采區的地應力研究結果，其最大主應力大小為35.02～35.04 MPa，平均值為35.03 MPa，約為自重應力的1.78～1.83 倍，因此，發生沖擊地壓的可能性較大。

2.4 煤巖體的力學特性

生產實踐和試驗研究表明，當煤巖體的強度較小時，引發沖擊地壓所需應力條件就越高。2303工作面的煤體強度在9.87～28.3 MPa，總體強度較低；加之，部分厚煤層有軟弱夾矸結構，積聚彈性能的屬性相對較弱，因此，該因素影響下發生沖擊地壓的可能性較小。

綜上所述，對2303 工作面而言，其沖擊災害的主控因素排序為開采深度因素＞頂板巖層結構因素＞地質構造因素＞煤巖體力學性質因素。

3 2303 工作面沖擊地壓防控技術

3.1 2303 工作面沖擊地壓防控原則

針對郭屯煤礦2303 工作面的沖擊地壓具體影響因素，提出如下防控原則。

（1）加強工作面超前支護強度管理，確保單元支架初撐力不小于16 MPa，支護長度不低于120 m；并且嚴格落實工作面限員管理。

（2）合理控制推進速度，中等沖擊危險區每天不超過3.2 m/d；加強監測數據分析，發現異常及時采取有針對性的措施。

（3）定期排查超前應力集中區卸壓孔塌孔情況，發現連續3 個出現嚴重塌孔現象，及時進行套孔或二次卸壓，提供低應力開采環境。

3.2 2303 工作面沖擊地壓具體防控措施

為應對2303 工作面的沖擊危險，根據上述防控原則，結合具體開采條件提出如下防控措施。防控支護方案如圖3 所示。

圖3 2303 工作面沖擊地壓防控支護方案調整Fig 3 Support scheme adjustment of rock burst prevention of No.2303 Face

（2）針對工作面回采期間的巷道變形情況，對2303 工作面順槽提出調整方案。巷道斷面由矩形變更為梯形，上底凈寬5.0 m，下底凈寬5.4 m，凈高3.8 m 不變，變更后斷面為19.76 m2，底板與幫部夾角87°；幫部錨索梁改為豎向布置，錨索間排距1 600 mm×1 800 mm；巷道兩幫肩窩處錨桿變更為φ21.8 mm×3 200 mm 錨索；幫部W 鋼帶由WD275 mm×2.75 mm 變更為WD275 mm×4.75 mm。

4 現場監測及分析

4.1 工作面開采期間微震監測

2303 工作面在開采期間應用ARAMIS M/E 微震監測系統進行微震監測，應用本文所提出的防控措施及調整方案后，2022.11.4～2022.11.10 共監測微震事件20 次，總能量3.7×104J，單次微震事件最大能量9.6×103J，震源位于2301 采空區，事件主要分布在面后30 m 至面前100 m 內，部分事件定位在相鄰采空區內；微震事件離散度較高，原沿空側聚集性不再明顯，如圖4 所示。在保證工作面正常生產，整體保持均衡推采的情況下，調整方案后，事件總頻次有所減少，能量下降趨勢明顯；第四周的微震次數、單個最大能量、總能量比前三周大幅度下降；僅三、四周對比，第四周監測微震事件20 次，比第三周減少20 次；第四周總能量3.7×104J，比第三周減少4.1×104J，如圖5 所示。

圖4 2022.11.4～2022.11.10 日微震事件分布Fig.4 Microseismic event distribution from 11.4 to 11.10

4.2 工作面開采期間應力監測

2022.1 1.4～2022.11.10 期間，軌道順槽內6 個測點（圖6a），應力監測最大值與增幅最大值為軌23 深測點，其他5 個測點數值基本保持不變；軌23 深測點在11.7 日開始增大，后續呈線形緩慢增長；軌道順槽面前98 m，11.4～11.5 日期間單日增幅最大應力由10.48 MPa 上升至11.83 MPa，主要受回采擾動、超前支承應力疊加以及斷頂后靜載荷作用影響，24 h 內最大增幅1.35 MPa，未發生應力預警。膠運順槽內6 個測點（圖6b），監測組隨工作面推采應力更平穩，略呈遞增趨勢，變化范圍較小，符合正常應力傳遞和演變規律，說明應用調整后的防控方案效果較好。

圖6 工作面應力監測結果Fig.6 Stress monitoring results of working face

5 結 論

（1）通過對2303 工作面具體條件進行分析，確定其沖擊災害的主控因素排序為開采深度因素＞頂板巖層結構因素＞地質構造因素＞煤巖體力學性質因素；針對2303 工作面的沖擊地壓防控方案將巷道斷面形狀調整為梯形，同時進一步加強工作面支護強度。

（2）2303 工作面2022.10.11～2022.11.10 的微震監測結果表明，調整巷道斷面及支護方案后，微震事件總頻次有所減少，能量下降趨勢明顯，微震單個最大能量、總能量大幅度下降。

（3）2022.11.4～2022.11.10 期間的應力監測結果表明兩巷應力在推采過程中略呈遞增趨勢，但總體較為平穩，變化范圍較小，符合正常應力傳遞和演變規律，說明調整后的防控方案效果較好。