田曉紅

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院煤炭與化工產(chǎn)業(yè)學(xué)院， 陜西 咸陽 712000）

引言

該論文以胡家河煤礦401101 工作面為研究背景，在借鑒國內(nèi)外沖擊地壓機理研究、監(jiān)測預(yù)警和治理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場調(diào)研和分析，采用FLAC3D 數(shù)值模擬的分析測試方法，結(jié)合礦井地質(zhì)開采條件和特點，開展沖擊地壓影響因素分析，探索研究胡家河礦沖擊地壓發(fā)生的機理，合理劃分危險區(qū)域，從而針對性提出本礦工作面沖擊地壓防控技術(shù)措施。本論文的研究成果將為胡家河煤礦工作面治理沖擊地壓工作提供指導(dǎo)作用，同時對于其它具有相似地質(zhì)條件的礦井的沖擊地壓防治也能提供一定的借鑒。

1 工程背景

胡家河礦井位于咸陽市長武縣和彬縣交界地帶，隸屬長武縣、彬縣管轄?？偯娣e52.7 km2，礦井資源/儲量819.75 Mt，工業(yè)儲量740.69 Mt，礦井的可采儲量395.44 Mt，設(shè)計年產(chǎn)原煤500 萬t，服務(wù)年限為69 年，礦井總投資34.75 億元。井田主要可采煤層為4 煤層，煤層埋深為578～817 m，平均680 m。

2 胡家河煤礦沖擊地壓影響因素

2.1 掘進擾動

2.1.1 掘進工作面圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

掘進工作面周圍煤巖體應(yīng)力分布特征與一般巷道具有顯著差異，其對迎頭前方及后方局部應(yīng)力及沖擊危險狀態(tài)都將造成一定影響。為探測胡家河煤礦掘進工作面對沖擊地壓的影響規(guī)律，利用FLAC 有限差分軟件對掘進工作面圍巖應(yīng)力分布規(guī)律進行模擬測試研究。

為使模擬效果符合現(xiàn)場實際，根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果和煤巖樣實驗室測試數(shù)據(jù)對模型的初始應(yīng)力狀態(tài)和物理力學(xué)參數(shù)進行賦值。其中水平應(yīng)力設(shè)定為垂直應(yīng)力的1.7 倍，方向垂直與巷幫。

為考察掘進工作面對迎頭前后應(yīng)力狀態(tài)的影響，截取了距掘進工作面不同距離的垂直切面上垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力分布，截面位置如圖1 所示。

1）掘進工作面四周的垂直應(yīng)力，在巷道開挖以后被重新分布。對于煤層而言，應(yīng)力降低區(qū)出現(xiàn)在工作面前端0～4 m，應(yīng)力升高區(qū)出現(xiàn)在前端4～9 m 處，垂直應(yīng)力最大集中區(qū)位于前方6 m 處，集中系數(shù)約為1.17，應(yīng)力峰值約為19.7 MPa。總體而言，掘進工作面后方頂、底板圍巖的垂直應(yīng)力集中程度要小于工作面前方。

2）在掘進工作面前方，煤層水平應(yīng)力的變化相對頂?shù)装鍎×?，而在掘進工作面后方，頂?shù)装逅綉?yīng)力則更為劇烈?？傮w而言，工作面前端水平應(yīng)力集中程度明細小于掘進工作面后端頂和底板圍巖。

3）從上頁圖2 可以看出：在掘進工作面前方8m到工作面后方8 m 的垂直切面上，應(yīng)力分布變化范圍較大。原巖應(yīng)力中垂直應(yīng)力小于水平應(yīng)力，所以垂直應(yīng)力的變化范圍小于水平應(yīng)力的變化幅度。在此工作范圍之外，掘進工作面前方不受影響，后方的應(yīng)力分布與巷道保持一致。

在沿巷道軸向上，在掘進迎頭前方，相比頂、底板的煤層應(yīng)力，掘進迎頭前方的垂直應(yīng)力更集中，變化也比較明顯；而在掘進迎頭前方、后方都有水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，只是前方的集中程度明顯小于后方，峰值位于迎頭上方頂板表面3 m 處的層位。水平應(yīng)力是胡家河煤礦的主應(yīng)力，巷道掘出后，頂?shù)装鍖⒁恢笔艿礁咚綉?yīng)力影響，在全煤巷道的四周相同的圍巖結(jié)構(gòu)及強度下，沖擊破壞主要表現(xiàn)在頂、底板。

2.1.2 掘進工作面相互擾動

沖擊地壓礦井采掘擾動的影響可從兩方面理解：

1）采動應(yīng)力相互疊加，靜態(tài)應(yīng)力水平升高。與非沖擊地壓礦井類似，采掘作業(yè)將導(dǎo)致巷道圍巖的采掘應(yīng)力場不斷發(fā)生變化，并且這種變化將持續(xù)到采掘過程后期一段時間內(nèi)，在此過程中，隨著圍巖分區(qū)域加載、卸載的變化，將導(dǎo)致的應(yīng)力與彈性能的重新劃分。

2）采掘活動為彼此提供動載荷，圍巖動態(tài)應(yīng)力瞬間升高。從常規(guī)的靜態(tài)應(yīng)力場角度出發(fā)，非采動影響區(qū)通常是指采掘空間周圍支承壓力影響范圍之外的區(qū)域。

圖3 描述了掘進工作面引起的常規(guī)采動應(yīng)力和動載荷作用范圍對比示意圖，關(guān)于實體煤中的掘進巷道，常規(guī)意義上的采動應(yīng)力作用范圍一般為巷道高度的3～5 倍，因此，對于胡家河煤礦20 m 煤柱，兩側(cè)巷道間的采動應(yīng)力相對較弱，但是動載荷的瞬間影響范圍要遠大于采動應(yīng)力作用范圍。

2.2 回采擾動

2.2.1 401101 工作面礦壓特征

研究表明，401101 工作面在回采過程中具有顯著的大、小周期來壓現(xiàn)象。大周期來壓是指高位老頂周期來壓，在部分大周期來壓之間存在規(guī)律性的小周期來壓。大周期來壓主要表現(xiàn)為支架工作阻力顯著增加，安全閥頻繁開啟，持續(xù)時間約3～5 d，影響范圍平均18 m，來壓步距在60 m 左右。小周期來壓與大周期來壓的特點相似，但持續(xù)時間較短，一般為1～2 d。如表1 所示。

表1 76 號支架（19 號監(jiān)測分站）周期來壓分析

從有限的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，401101 工作面頂板斷裂具有明顯的分層性，下位老頂短步距斷裂使得覆巖彈性能釋放更加趨于均勻，從而降低了高位厚硬巖層斷裂時的動載強度。

2.2.2 401101 工作面采空區(qū)覆巖破壞特征

根據(jù)西安煤科院提供的《胡家河、孟村礦井綜合防治水項目鉆井工程施工竣工報告》，對401101 工作面采空區(qū)兩帶發(fā)育高度進行了鉆孔探查，T5、T6 孔采前施工時觀測一次；待工作面推采過鉆孔位置兩個月后進行采后施工，重新觀測。主要結(jié)論如下：

T5 孔孔口標(biāo)高為+1 020.60 m，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育標(biāo)高為601.507 m，高出4 煤225.427 m，4 煤采厚10～12 m，反算裂高采厚比為18.79～22.54。頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為225.427 m。

T6 孔導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為埋深447.7 m，高出4 煤（641.80）194.10 m。

可見，401101 工作面開采完畢后，2 個月內(nèi)采空區(qū)頂板充分?jǐn)嗔?、垮落，直至穩(wěn)定，未形成厚硬關(guān)鍵層的懸頂現(xiàn)象，從能量積聚與釋放的角度來講，煤層高位覆巖破斷形成的動載荷對工作面及巷道沖擊地壓的影響相對緩和。

2.3 巷道布置

2.3.1 巷道布置方式與區(qū)段煤柱寬度

1）單巷布置與沖擊地壓防治。對于單巷布置方式來說，通常將避開采動支承壓力峰值作用的范圍，來確定沿空巷道位置，或者區(qū)段煤柱寬度的主要根據(jù)。

2）雙巷及多巷布置礦壓規(guī)律。當(dāng)前，胡家河煤礦不但受沖擊地壓災(zāi)害的危險，還受到水、瓦斯、自燃等災(zāi)害的威脅，因此401101 工作面和402103 工作面均采用了雙巷布置的方式，后期401102 工作面則將灌漿巷和泄水巷進行合并，靠近401101 工作面?zhèn)入p巷布置，另一側(cè)單行布置。

3）區(qū)段煤柱、側(cè)向支承壓力與沖擊地壓防治。雙巷及多巷布置條件下，巷道變形的主要影響因素有圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、圍巖結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力、煤柱寬度、頂板物理力學(xué)性質(zhì)及采空區(qū)垮落特征、支護方式等。其中煤柱寬度、支護方式等因素可控，頂板巖性雖不可控，但其垮落規(guī)律及其與時間的相關(guān)性可以加以利用。

一般，多巷布置條件下，區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布不但受自身寬度的影響，還與相鄰區(qū)段工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力密切相關(guān)。將煤柱本身形成的小應(yīng)力分布稱為小應(yīng)力結(jié)構(gòu)，將采空區(qū)懸頂導(dǎo)致的側(cè)向支承壓力稱為大應(yīng)力結(jié)構(gòu)。顯然，由于采空區(qū)懸頂一般顯著大于巷道寬度，因此，在應(yīng)力量值上，大應(yīng)力結(jié)構(gòu)顯著大于小應(yīng)力結(jié)構(gòu)。但由于巷道近區(qū)圍巖的力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征等性質(zhì)對巷道變形起到重要作用，因此，煤柱的寬度及其完整性仍需加以重視。

2.3.2 巷道軸向與地應(yīng)力方向

地應(yīng)力測量結(jié)果表明，在淺部礦井，最大水平主應(yīng)力顯著高于最小水平主應(yīng)力。

在胡家河402103 工作面這一規(guī)律表現(xiàn)的比較明顯，該區(qū)域最大水平主應(yīng)力為北偏東67°±9°，在該工作面的4 條順槽中，左側(cè)頂板較右側(cè)更加破碎，巷道成型后，右側(cè)高度比左側(cè)高度低約30～50 cm。這一現(xiàn)象表明，最大水平主應(yīng)力對左右成巷差異起到了關(guān)鍵作用。

2.4 采掘速度

2.4.1 推進速度大小

工作面推進度是由工作面的微震和危險期、地音監(jiān)測決定的，不同時期段、不同危險區(qū)域工作面的合理推進度不同。

根據(jù)402103 工作面ARAMIS M/E 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，回歸得到進入采空區(qū)前微震活動與推進度的關(guān)系如圖4 所示。可見，工作面隨推進度增加，微震活動也增加，當(dāng)推進度超過4 m/d 時，微震活動急劇增加，因此，該區(qū)域推進度控制在不超過4 m/d。

工作面采掘速度應(yīng)與巷道圍巖及工作面覆巖能量的釋放規(guī)律相適應(yīng)，合理的采掘速度應(yīng)能夠使得煤巖能量的積聚與釋放處于相對平衡的狀態(tài)。而其釋放規(guī)律與煤巖層沖擊傾向性及頂板結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。分析認(rèn)為，402103 掘進工作面初期動力顯現(xiàn)強烈與其掘進速度過大有關(guān)。

2.4.2 推進速度均勻性

研究表明，當(dāng)回采工作面勻速推進時，對沖擊地壓防治是有利的，工作面停采后恢復(fù)生產(chǎn)時期、推進速度不勻速、推進速度突然加速或者減速等，都將有可能引起沖擊地壓的發(fā)生，從防沖的角度分析是不利的。

3 結(jié)論

1）對402103 掘進工作面的研究結(jié)果表明，在沿巷道軸向上，垂直應(yīng)力集中主要集中在掘進迎頭前方，且煤層應(yīng)力變化較頂、底板更為顯著。水平應(yīng)力在掘進迎頭前方和后方均有集中現(xiàn)象，但后方應(yīng)力集中程度顯著大于前方，水平應(yīng)力峰值處于迎頭上方距頂板表面3m 處的層位。受地質(zhì)條件影響，該工作面采掘至中部向斜及北部煤厚驟變區(qū)附近時，沖擊危險性增加。

2）401101 工作面回采過程中周期來壓具有顯著的大、小周期的特點。大周期來壓步距約為60 m，持續(xù)約3～5 d，影響范圍平均18 m，來壓時動載系數(shù)1.2～1.3，使得該區(qū)域工作面回采過程中動載荷作用更加劇烈。

3）實踐表明，沿空側(cè)留設(shè)窄煤柱護巷有利于沖擊地壓的防治。若留設(shè)寬煤柱，沿空巷道受上區(qū)段采空區(qū)頂板活動及其穩(wěn)定后形成的側(cè)向支承壓力影響顯著。401102 工作面回風(fēng)巷和泄水巷掘進至401101 工作面超前支承壓力影響范圍和工作面后方一段距離時，必然要受到采空區(qū)頂板活動強烈的影響，沖擊危險性將顯著升高。

4）工作面采掘速度和均勻度對沖擊地壓影響顯著，為降低沖擊地壓發(fā)生危險，應(yīng)適當(dāng)控制采掘速度，并保證采掘速度的均勻性。