唐口煤矿冲击地压主控因素分析及防护措施

张 伟 崔保阁

（山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272055）

近年来，为对冲击地压进行及时的预测和预报，国内外学者对冲击地压主控因素进行了深入分析和探讨，取得了较多成果，充实了冲击地压理论体系，解决了大量的现场问题[1-3]。目前唐口煤业公司主采采区的煤层埋深达到1000m，下一步规划开采的630、730采区煤层埋深最大将达到1300m，大采深导致煤体垂直应力较高，随着开采范围的不断扩大及开采强度的提高，矿井冲击危险性逐步升高。因此为保证矿井的安全高效生产，对矿井冲击地压主控因素进行分析，提出合理的防治措施[4-5]。

1 工作面概况

为更好地分析矿井的冲击地压主控因素，现以6304为研究对象。6304工作面为唐口煤矿630采区第四个工作面，开采煤层为3煤，开采上下限位于-930.5～ -906.1m之间，开采深度为942～979.2m。工作面上方无可采煤层，下方各煤层均未开采，地面位于永北村东南约200m处。6304工作面分两段，里段倾向设计长度185m，走向设计长度530m，外段倾向设计长度60m，走向设计长度1030m。

2 冲击地压主控因素分析

通过对6304工作面冲击影响因素的分析，在6304工作面巷道掘进过程中，巷道的冲击危险主要受集中静载荷的影响。集中静载荷主要源于自重应力，局部受断层构造应力作用，轨顺在掘进期间受相邻采空区侧向顶板活动的影响，在集中动荷载作用下，皮顺主要受集中静载荷。6304工作面回采过程中的冲击危险受集中静载荷、集中动载荷共同影响。

2.1 集中静载荷作用能量分析

为对巷道掘进过程中集中静载荷作用进行分析，假设巷道长度不限，两帮对称，对左帮进行分析。在工作面巷道掘进前，原岩应力分布未改变，不存在应力集中现象。巷道掘进后，因工作面的不断回采，巷道顶部岩层受原始地应力的影响，巷道两帮受力集中，易造成帮部的形变破坏。根据垂直应力大小分布可以发现，巷道围岩应力分布会出现区域性差别，因此可将巷道围岩分为三个区域：A、B、C。分析的结构模型如图1所示。

根据虎克定理的煤体弹性应变能计算公式：

式中：

E-弹性模量；

μ-泊松比；

σ1、σ2、σ3-3 个主应力。

由计算公式可知，储存弹性应变能由主要承载区的载荷大小决定。则可根据巷道帮部围岩的载荷大小对其弹性应变能进行分区。

图1 冲击地压发生结构模型

通过建立的结构模型，假设围岩的承载载荷峰值在δ0max，承载的弹性应变能为EΩ0，即为巷道帮部的最大平衡区XΩ0。因为应力集中系数随着煤岩体储存能量的增大而增大的趋势，因此巷道帮部煤体的主要受载荷区域为XΩ0区域，巷道围岩弹性应变能最大区域为EΩ0区域。根据岩体动力破坏的最小能量原理，可得该巷道煤帮受载荷区域发生失稳破坏的条件：当煤体所受的载荷大于煤体的抗压强度和抗剪强度，则对应的能量准则为：

因此当XΩ0区域储存的弹性应变能大于XΩ0区域煤岩破坏所需要的最小能量时，巷道载荷峰值区XΩ0区域达到冲击地压启动的能量条件，发生冲击的位置将会在XΩ0区域，发生后的剩余能量将以浅部围岩为载体向巷道空间释放，最后进行冲击地压显现阶段。则据此得到冲击启动能量判据：

2.2 集中动载荷作用能量分析

冲击地压的发生往往是受煤体帮部集中载荷和工作面上覆坚硬顶板共同影响所致，因此冲击发生在工作面煤壁侧位置，动载荷作用分析模型如图2所示。工作面煤壁的最大平衡区域的集中静载荷E0由弹性应变能公式计算得。

图2 集中动载荷冲击地压结构模型

随着工作面的开采，上覆顶板悬顶会造成工作面煤壁最大平衡区的载荷高度集中，储存大量弹性能，对外界动载荷响应敏感，易满足失稳破坏条件，但外界动载为诱发冲击的直接因素，必须以静载荷集中度为基础，才可能诱发冲击地压的发生。坚硬顶板断裂产生动载荷Ed计算如下：

式中：

Ed-顶板断裂弹性能传递的能量；

Ed0-顶板断裂时释放的初始能量；

R-顶板断裂位置与平衡区的距离；

η-煤岩介质弹性波传播衰减指数。

因此诱发工作面煤壁冲击地压的能量条件为：最大平衡区弹性应变能、顶板断裂动载荷能量之和大于煤岩破坏所需要最小能量，则建立冲击地压启动能量判据为：

通过对唐口矿冲击地压发生集中静载与集中动载的分析，确定唐口矿冲击地压发生的主控因素为地质因素造成的煤体内积聚的高应力和受采动影响产生的顶板运动。掘进期间，其动力现象的来源主要来自于侧向采空区顶板活动造成的应力集中。而回采期间工作面主要载荷来源仍以集中静载荷为主，以及回采过程中工作面上方顶板的运移、垮断产生动载荷对工作面围岩应力带来的叠加影响。

3 工作面冲击地压防治措施

针对唐口矿冲击地压发生集中动载荷与集中静载荷影响因素，针对特定危险源采取相应的治理技术。针对煤体内的集中静载荷，采用煤层注水的方法进行高应力疏解；而针对煤体内的集中动载荷，则采用大直径钻孔卸压技术。

（1）煤层注水

根据6304工作面注水条件，注水孔间距30m，孔深40m，封孔长度20m，钻孔直径Φ75mm，注水初始压力不小于5MPa。注水孔布置在顺槽回采帮，要求钻孔尽量沿着煤层倾角，工作面长度变宽时还需增加孔深或采用双向注水。钻孔布置如图3所示。

图3 6304工作面进巷注水孔布置

通过煤层浸水性试验，确定煤层注水后冲击倾向性是否降低。多数煤体注水后能够明显降低冲击倾向性。唐口煤业公司煤层浸水10d时，动态破坏时间由原来的90ms下降到30ms，之后随浸水时间的延长，动态破坏时间持续增加。煤层冲击能量指数变化规律与动态破坏时间的变化有很好的相关性，表现出先增大后减小的规律，在浸水10d时，冲击能量指数显著增强，随后逐渐减小，最终保持在较低水平。

（2）大直径钻孔卸压

回采过程中，对于中等及以上冲击危险区域，在超前工作面100m范围内采用大直径钻孔卸压措施，在回采期间根据监测实际情况适当加密卸压孔。

钻孔参数：距迎头不超过50m，在迎头后方弱危险区域钻孔间距3.2m，中等危险区域2.4m，强危险区域1.6m；钻孔直径150mm，孔深20m；按“三花”布置，布置在巷道中部。钻孔布置相关参数如图4所示。

图4 6304工作面巷道帮部卸压钻孔布置

大直径钻孔施工过程中单孔排粉量0.55t，每米巷道排粉量0.34t，单个钻孔施工时间2h/个，施工效率32m巷道施工20个钻孔，需要8个班次，排粉11t。

6304长段工作面回采过程中综采支架压力、煤体应力未超过临界预警值，巷道变形量较小，如图5所示，未出现冲击危险，表明6304开采阶段，冲击危险得到了有效预警与防治。

图5 6304工作面轨道顺槽煤体应力监测柱状图

4 结论

（1）唐口矿冲击地压发生的主控因素为大采深及构造运动造成的煤体内积聚的高应力和受回采影响产生的顶板运动。

（2）针对6304工作面煤体内的集中静载荷，采用煤层注水的方法，对煤体高应力区疏解达到了较好效果；而针对工作面煤帮的集中动载荷，采用大直径钻孔卸压技术后，冲击危险得到了有效预警与防治。