工作面超前動力顯現機制及防治措施

摘 要：為解決工作面超前大范圍動力顯現問題，本文研究了工作面微震、應力分布特征和工作面大、小周期來壓規律，揭示了工作面超前動力顯現的機制，并提出了防治措施，研究結果表明：高位堅硬頂板巖層協同垮落、破斷聯動是導致工作面超前動力顯現的原因，因此降低工作面推采速度并采取煤層注水措施，有效減少了工作面煤體應力，降低了礦壓顯現強度，工作面無動力顯現事件發生，證明了防治措施的有效性，對工作面安全生產提供了重要保障。

關鍵詞：超前動力顯現；應力預警；推采速度；煤層注水

中圖分類號：TD 32" " " " " " " " 文獻標志碼：A

工作面開采后形成采掘空間結構演化，進而導致工作面出現超前動力顯現。對沖擊地壓礦井來說，礦井動力顯現是沖擊地壓發生的前兆。因此，正確分析礦井動力顯現機制并采取措施消除沖擊危險是重中之重。眾多學者對礦井動力顯現和防治措施進行了研究[1-3]。馮銳敏等[4]研究了支承壓力集中程度、變化規律，有效控制了工作面動壓現象。昝軍才等[5]研究了裂隙在頂板、煤柱幫和實體煤幫內的發育程度及分布規律，分析了動力顯現區域巷道圍巖的穩定性。曹安業等[6]探究了臨近斷層處孤島工作面開采時斷層煤柱的受力狀態與動力顯現的發生機理，并利用震動波CT技術對工作面沖擊危險性進行動態預警。上述學者對礦井動力顯現機制、監測預警、防治措施進行了研究，取得了豐碩成果，指導了許多礦井的安全生產[7-11]。因此，本文在前述研究的基礎上，結合不同開采階段礦井動力顯現特征，對某礦超前300m動力顯現現象進行研究，并制定針對性防治措施，保證工作面正常開采。

1 工程概況

某礦工作面長度280m，走向長度1200m，煤層厚度6.0m，煤層層位穩定，為近水平煤層，平均埋深約600m。根據沖擊傾向性鑒定結果，該煤層和底板為弱沖擊傾向性，煤層頂板具有強沖擊傾向性，強沖擊性頂板更容易積聚彈性能，與其他條件頂板相比，其受力破斷、垮落對工作面的擾動也更大。當工作面推采約400m時，礦壓顯現明顯且超前動力顯現嚴重（領先工作面300～350m，如圖1所示），嚴重影響了礦井的安全生產，問題主要包括工作面推采過程中出現頂板大能量微震事件，巷道頂板和幫部錨桿、索支護失效，巷道底鼓嚴重，工作面煤體應力預警嚴重。

2 工作面超前動力顯現機制分析

2.1 大能量震源分析

提取并分析工作面推采期間微震數據（如圖2所示），從圖中可以看出，工作面頂板垮落高度為70m，工作面底板破壞深度為45m。如圖2（a）所示，工作面應力集中水平高，導致底板破壞深度大，底鼓現象明顯。工作面上覆頂板存在砂巖層形成厚硬砂巖組，工作面上方70～100m堅硬頂板協同垮落，導致工作面礦壓顯現現象明顯，微震能量較大。

圖2（b）、圖2（c）為工作面在X、Y方向微震能量的分布截圖，從圖中可以看出，工作面中部震點分布均勻且大多為小能量微震事件，大能量事件集中在開采工作面沿空側，工作面受采空區側向支承壓力影響大，且與超前支承壓力疊加影響，導致開采擾動大。受較高集中應力影響，工作面底板破壞深度大，底鼓現象嚴重。工作面頂板垮落高度沒有達到理論水平，工作面上方70～100m存在協同垮落堅硬巖層，是大能量事件的主要來源。

整理工作面到見方階段微震事件（表1），發現工作面微震能量增加，且隨著推采產生躍遷現象，推采過見方階段后，微震事件沒有跨量級事件發生。因此，高位頂板是造成大能量事件的主要來源。

2.2 工作面應力監測數據分析

整理工作面應力數據分析，工作面超前應力呈明顯的大小周期來壓（如圖3所示），該礦煤體應力預警值為12MPa，大周期來壓超過2倍的預警值，且隨著工作面開采，小周期來壓也逐漸超過預警值。綜上煤體超前應力分布及規律，導致工作面出現小周期來壓的原因是低位巖層的周期破斷，出現大周期來壓的原因是高位協同垮落堅硬巖層周期破斷，小周期來壓強度變大的原因是工作面垮落帶和彎曲下沉帶的高度增加。

2.3 工作面超前動力顯現機制分析

工作面初采階段，在大煤柱的支撐下，能夠保證工作面處于單工作面的“O”形到“X”形覆巖演化階段，頂板結構內部呈現“X”形垮落，外部呈現“O”形斷裂，大煤柱能夠支承單工作面的集中應力和頂板動載，如圖4所示。當工作面推采至一定階段，隨著大煤柱的疲勞損傷，形成了雙工作面“S”形頂板聯動，臨空側頂板垮落和實體煤側頂板斷裂均呈現“S”形結構，此時的大煤柱已經無法單獨承擔雙工作面頂板聯動的高水平靜載應力和較強的動載擾動，如圖5所示。此時，由于雙工作面高位頂板聯動，會造成工作面大煤柱超前區域應力集中，并發生超前大范圍的動力顯現。因此，工作面超前動力顯現的原因是高位頂板的聯動演化。

3 工作面超前動力顯現防治措施及效果

3.1 控制推采速度

在不同回采速度條件下，巷道圍巖應力特征、頂板活動劇烈程度、來壓步距大小以及超前應力的分布均有所改變。降低工作面推采速度，可以有效縮短頂板破斷距離，從而削弱動力顯現強度。

統計工作面推采速度與微震能量事件的對應關系如圖6所示。隨著推采速度增加，微震總能量呈現先增后減趨勢，當推采速度達到5刀/d時，微震總能量呈現小幅度上升趨勢，當推采速度達到7刀/d時，呈現大幅度躍遷現象，當推采速度8刀/d時，微震能量達到最大。微震頻次、大能量事件頻次總體呈現先增后減的趨勢，當5刀/d時，總頻次和大能量頻次為最小值，當7刀/d時出現躍遷現象，當推采速度9刀/d時達到最大。綜上所述，推采速度對微震能量、頻次有巨大影響，由圖6可知，推采速度5刀/d、7刀/d為能量和頻次的劇烈變化區間，因此，推采速度≤5刀/d可以有效減少頂板破斷對煤層開采的擾動。

3.2 煤體注水

注水濕潤煤體，可使煤的力學性質發生明顯變化，從而使應力分布發生變化，即應力向煤體深部轉移，應力集中系數變小。在工作面推采過程中，分別出現一次煤體深空、淺孔應力預警，在應力預警區域采取煤體注水卸壓措施降低煤體沖擊危險性。在煤體應力集中位置施工75mm直徑注水孔，采用雙端封堵工藝，并進行注水施工。通過20h的超前煤層注水，工作面煤體淺孔應力由12.7MPa降至3.7MPa。經過0.5h的超前煤層注水，工作面深孔煤體應力由25MPa降至5MPa，期間伴有較大聲響，說明煤層注水使煤體應力有效釋放。淺孔、深孔注水卸壓過程中的應力變化趨勢如圖7、圖8所示。

3.3 效果驗證

降低推采速度可以有效降低堅硬頂板破斷釋能等級，煤體水力壓裂能有效釋放煤體釋放能量、轉移煤體應力。根據監測結果和現場實際情況，將工作面推采速度降至5刀/d以下，并采取煤層注水卸壓措施后，工作面無煤體應力預警，且工作面后續推采過程中無動力顯現事件發生，有效降低了工作面礦壓顯現強度，在工作面后續開采過程中，微震事件能量保持在104J級以下，無大能量動力事件發生，證明了防治措施的有效性，保障了工作面的安全，工作面卸壓措施效果驗證圖如圖9所示。

4 結語

本文通過研究，得出以下結論。1）通過分析工作面動力顯現震源分布特征，工作面上方存在70～100m堅硬巖層協同垮落是大能量事件的主要來源。2）工作面存在大、小周期來壓現象，工作面小周期來壓的原因是低位巖層的周期破斷，大周期來壓的原因是高位協同垮落堅硬巖層周期破斷，小周期來壓強度變大的原因是工作面垮落帶和彎曲下沉帶的高度增加。3）工作面超前大范圍動力顯現的原因是工作面高位堅硬頂板巖層協同垮落、破斷聯動，并據此提出了控制推采速度降低動力顯現強度和煤層注水降低應力預警措施，在后續工作面推采過程中，驗證了卸壓措施的有效性，保障了工作面安全生產。

參考文獻

[1] 韓剛，王黔，呂玉磊.區段煤柱對沿空巷道動力顯現影響機制研究[J].煤炭科學技術，2022，50（增刊2）：153-159.

[2] 韓剛，竇林名，張寅，等.沿空巷道動力顯現影響機制與防治技術研究[J].采礦與安全工程學報，2021，38（4）：730-738，748.

[3] 張金福.深井工作面側巷回采期動力顯現特征與防治技術[J].煤炭技術，2021，40（8）：15-17.

[4] 馮銳敏，唐文超，趙文平，等.趙各莊礦深部工作面動力顯現防治技術研究[J].煤炭工程，2011（3）：52-54.

[5] 昝軍才，陳跟馬，林建成，等.高地壓巷道動力顯現區域圍巖穩定性的鉆孔窺視分析及對策[J].中國礦業，2020，29（8）：91-97，121.

[6] 曹安業，王常彬，竇林名，等.臨近斷層孤島面開采動力顯現機理與震動波CT動態預警[J].采礦與安全工程學報，2017，34（3）：411-417.

[7] 賈增林.基于鉆屑法的小莊煤礦40204工作面沖擊危險性監測[J].現代礦業，2020，36（2）：175-177.

[8]魏慶來.淺談煤礦生產中沖擊地壓的防治[J].中國新技術新產品，2013（24）：49.

[9]白俊杰.大傾角綜放工作面爆破卸壓后高應力區域的形成和處置[J].煤礦安全，2016，47（10）：145-148.

[10]姜福興.采場覆巖空間結構觀點及其應用研究[J].采礦與安全工程學報，2006（1）：30-33.

[11]李曉鵬.煤層沖擊地壓形成機制及防治措施[J].中國新技術新產品，2010（14）：119.

通信作者：鄭波（1993-），內蒙古烏審旗人，助理工程師，研究方向為沖擊地壓災害治理技術。

電子郵箱：1401392925@qq.com。