深部开采综放面应力集中区冲击地压危险评价与防治

张凤垒 李伟民 谭洪山

（肥城矿业集团 梁宝寺能源有限责任公司，山东 嘉祥272404）

1 3316 工作面概况

肥矿集团梁宝寺公司3316 工作面主采煤层为3 煤， 工作面位于背斜东翼，煤岩层主要为向东倾伏的褶曲构造。 该面煤岩层走向变化较大。 面内断层发育，3316 外切眼向南400m 处及以南范围内的煤层被岩浆岩侵入。

工作面停采线设计在超前工作面联络巷，该联络巷前方发育火成岩侵入区，皮带顺槽经过南宋庄背斜，且靠近断层DF18，该顺槽及轨道顺槽外侧火成岩侵入区边界处微震事件分布较多；工作面停采线外围巷道分布密集，受到工作面超前支承压力与火成岩法向作用力的影响，压力较大。

2 3316 工作面高应力区压力显现

工作面推采位置距停采线60 米， 经工作面安设的地应力在线及微震监测系统显示，多次发生预警，同时微地震监测事件数量和能量成增长态势，现场动力现象逐渐明显，煤炮频繁，锚杆盘出现翻盘、锚杆折断等现象（见图1）。

图1 3316 工作面微地震事件平面分布（2013.07.11～2013.08.14）

3 3316 工作面冲击危险影响因素

3.1 煤层具有强冲击倾向性∶经煤科总院北京开采研究所煤样测定，判定梁宝寺公司3 煤层属于3 类，为强冲击倾向性煤层。

3.2 工作面埋深较大∶工作面埋深为-845.0～-885.5m，采深越大，越容易导致冲击地压的发生。

3.3 高应力工广煤柱边缘∶由于工业广场周围均有工作面布置，各工作面均停采在工广煤柱线边缘，形成了以工业广场为中心的应力高度集中区域。

3.4 外围巷道留底煤∶由于开采煤层活动的扰动作用，高垂直应力向巷道两侧转移形成水平应力，使底板两侧和底部三个方向受力，此时，可以将底板受力状态简化为“压杆模型”。由于底板为煤体，强度较低，在水平应力的作用下，“压杆”失稳破坏，形成底鼓和底板中部拉伸破坏现象。 工作面外围巷道多数留有4m 以上底煤，巷道两脚处容易产生底煤冲击。

3.5 外围分布巷道群∶巷道交叉布置时， 巷道两侧集中压力产生叠加，特别是在锐角部分上的煤体压力应力集中系数较高，特易诱发冲击地压。

3.6 工作面构造发育∶在褶曲及断层的附近会造成煤岩局部应力集中，从而可能发生冲击地压，工作面受断层DF18 及褶曲的影响。 古应力场作用下，向背斜轴部附近两翼区域是构造应力集中区域，受采掘活动的影响，极易发生冲击地压。 断层活化是岩层运动的一种特殊形式，断层处岩层的不连续性导致断层本身的不稳定性，在高应力作用下，断层比完整岩层先行运动。 断层与工作面中间位置为应力叠加高峰区，如果断层本身能够积聚能量，则叠加后的应力高峰区位置同样容易积聚较大能量，可以诱发冲击地压。据经验，在工作面前方距离断层20～40m 时,最容易诱发冲击地压。

3.7 火成岩侵入∶火成岩的侵入，使煤层出现相变区，相变周围岩体的应力状态发生改变。从图中可以看出，由于受火成岩的影响，形成支承压力，同时超前支承压力转移受阻，煤层中应力集中，采掘工作面的推进造成前方出现支承压力，随着采掘工作面的推进，火成岩形成的支承压力和采掘形成的支承压力在采掘工作面前方叠加，诱发冲击地压的发生。

3.8 工作面三次见方∶工作面进入第三次见方阶段，一般而言，工作面见方阶段，煤层上方的覆岩空间结构出现整体性运动，工作面矿压显现明显，煤炮、震顶现象频繁。

4 3316 工作面冲击地压诱发机理分析

梁宝寺公司3 煤层具有冲击倾向性，具备发生冲击地压的基本条件；静载作用与动载作用叠加，是诱发冲击地压发生的根本原因。

静载作用包括地压与支承压力之和，地压包括自重应力场与构造应力场，工作面煤层埋藏较深，井下标高-840.0～-880.5,同时工作面推采方向朝向高应力工广煤柱边缘，地压较大；该工作面恰位于地质构造形成的应力集中区内∶受火成岩侵入的挤压作用影响，相邻的区域出现水平构造应力，应力方向沿火成岩侵入体外法线方向；南宋庄背斜轴部形成的局部构造应力场，水平应力指向背斜轴部，背斜轴部的煤、岩体完整性差；工作面皮带顺槽侧的DF18 断层附近形成局部构造应力，以上几种地质构造应力场在3316 工作面叠加，综合形成应力叠加区（图2）。

图2 多种应力作用下冲击地压发生机理示意图

支承压力包括巷道周围支承压力与采动支承压力，工作面外围巷道交叉口密集，容易形成巷道周围支承压力，与工作面采动应力叠加，形成很高的支承压力，地压与支承压力叠加，而形成很高的静载作用。

工作面进入第三次见方阶段，煤层上方的覆岩空间结构出现整体性运动，以及工作面前方火成岩局突然断裂，易形成动载作用。

工作面前方火成岩发育的产状可能存在“尖灭”式和“陷落柱”式。若发育“尖灭”式产状，由于受工作面超前支承压力及断层构造应力及背斜残余弹性能的影响，火成岩靠近工作面侧岩体较薄，容易发生断裂，远离工作面侧火成岩厚度大，不易发生断裂，受超前高应力作用，处于两者中间的区域极可能在某个时刻发生突然破裂，其形成的动载作用与工作面初始静载作用叠加，工作面前方留底煤区域因受压杆作用，极易诱发底煤冲击。

若发育“陷落柱”式产状，由于受到前方岩浆岩的影响，上覆岩层的整体性受到破坏，超前支承压力转移受阻，随着工作面推采，距离前方岩浆岩距离逐渐减小，上覆岩层所支持煤柱逐渐减小，造成煤柱的支承压力逐渐增大，缩小的煤柱同时受到断层构造应力及背斜残余弹性能的影响，呈现高应力性。受工作面超前支承压力作用，工作面上覆岩层容易造成以前方煤岩交界为支点，上覆岩层突然向采空区方向旋转，造成工作面突然来压，两端头处及工作面上极易诱发冲击。

5 工作面冲击地压防治措施

5.1 强监测

安设地应力在线及微震监测系统，实施24h 监测，超前配合使用煤粉钻屑法及电磁辐射监测，及时采取卸压、支护措施。

5.2 强卸压

外围巷道留底煤区域全部施工底板卸压孔卸压，全部进行放炮断底二次卸压；外围巷道两帮全部施工卸压孔。

5.3 强支护

两顺槽超前100m 支设超前单体支护； 工作面推采至联巷100m前，在联巷内支设单体支护；所有外围三岔口支设木点柱支护。

5.4 强防护

对工作面外围巷道安设了六道防冲门，同时工作面前方联巷两端进行封闭管理，工作面割煤期间实行限员，进行封闭管理，实现“有震无灾”、“有灾无伤”。

6 结论

高度关注复杂地质条件下的冲击地压防治，坚持“强监测、强卸压、强支护、强防护”等原则，结合对各工作面进行的冲击危险性评价，划定冲击危险区，并按照不同参数超前工作面施工卸压孔卸压及超前工作面煤层注水，安设在线在线实时监测及钻屑检测、重复卸压与效果检验，加强个体防护及巷道支护，最大限度做到“有震无灾”、“有灾无伤”，保证矿井的安全生产。

［1］齐庆新,李宏艳,潘俊锋,等.冲击矿压防治的应力控制理论与实践[J].煤矿开采,2011,16(3)∶114-118.