顶板疏水快速回采工作面冲击地压机理及防治措施

王 博，朱斯陶，魏全德，2，顾颖诗，李占成，张 斌

（1.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京100083；2.北京安科兴业科技股份有限公司，北京100083；3.兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司，内蒙古 鄂尔多斯017010）

现阶段，我国煤炭资源的重心正在逐步向西部转移，而西部以鄂尔多斯为主的矿区采深逐渐增大，许多矿井已开始面临冲击地压威胁[1-3]。据鄂尔多斯深部矿区开采地质资料和现场实际观测可知，该类矿井工作面普遍面临回采速度快、顶板存在大面积富水区等特点，当工作面快速回采且过疏水区域时，已发生明显的动力显现。

近年来，众多学者对回采速度与冲击地压的关系、疏水对冲击地压的影响做了大量研究。如：王家臣等[4]通过建立基本顶动力断裂失稳的折迭突变模型，得到回采速度的加快等同于基本顶悬臂梁加载速率的提高，增大了快速回采工作面基本顶破断失稳的概率；刘金海等[5]通过案例和现场实测分析探讨了采场回采速度与冲击地压的关系，得出工作面冲击地压危险性与采场回采速度具有相关性；舒凑先等[6]研究了疏水过程中含水层和煤层的应力演化规律，得出了疏水诱发巷道发生冲击地压的机理；李东等[7]研究了顶板富水工作面疏水之后诱发冲击地压的机理。上述研究成果对工作面冲击地压防治具有一定的现场指导意义，但其或单纯研究采场回采速度对工作面冲击危险性的影响，或单纯研究疏水与冲击地压的关系，而对于顶板富水工作面在疏水和快速回采共同作用下致冲机制研究相对较少。

以鄂尔多斯某矿顶板疏水区下快速回采工作面为工程背景，采用理论分析、数值模拟和微震监测等方法，研究了不同回采速度下过顶板疏水影响区域时的超前支承压力分布规律，探讨了顶板疏水快速回采工作面诱发冲击地压机理，以期降低相似条件矿井的冲击危险性。

1 工程概况

鄂尔多斯某矿06 工作面为该矿221 采区南翼首采工作面，采用走向长壁综放采煤方法，倾向长度300 m，平均埋深660 m，平均煤厚9.02 m，煤层倾角0°～3°，平均1°，为近水平煤层，地质构造简单，直接顶为0.77 m 厚的泥岩，基本顶为31.26 m 厚的细粒砂岩，直接底为6.10 m 厚的砂质泥岩，基本底为9.25 m 厚的粉砂岩。据该矿冲击倾向性鉴定报告，2-2 上煤层单轴抗压强度为17.6 MPa，具有弱冲击倾向性，顶板和底板均为弱冲击倾向性。开采期间安装有波兰开发的SOS 微震监测系统[8]。据水文地质勘探结果可知，06 工作面煤层顶板上方存在一定厚度的直罗组含水层，富水区不均匀分布在工作面上方，共存在4 处富水区，06 工作面顶板富水区分布图如图1。工作面巷道掘进期间已施工疏水孔提前进行疏水工作。

2019 年10 月10 日19：00，06 工作面正常生产时发生冲击地压显现，现场有大煤炮声，工作面煤壁有明显大片帮，工作面前方顶板大量掉渣，巷帮部分漏网。此时，SOS 微震监测系统监测到4.0×105J 的大能量事件（震源1），于20:06 又1 次监测到1.13×105J 的大能量微震事件（震源2），现场除有煤炮声之外还存在顶板少量掉渣。

图1 06 工作面顶板富水区分布图Fig.1 Distribution plan of sandstone water-rich area on roof of 06 working face

经现场调研，发生冲击显现时06 工作面3 d 内回采速度平均达到7.2 m/d，且处于富水区疏水影响范围内。初步分析认为，此次冲击显现的主要原因为：工作面回采速度过快导致超前应力集中程度加大，当其经过富水区时，超前支承压力与疏水转移应力相叠加使得应力高度集中，诱发工作面发生煤壁大片帮等冲击现象。

2 顶板疏水快速回采工作面冲击地压机理

2.1 疏水前后应力分布规律

顶板存在富水区的工作面开采过程中将会面临突水溃砂等顶板水害威胁[9]，因此需在工作面回采前即进行顶板的疏水工作，以保证工作面的安全高效开采。据现场监测和相关研究可知[6-7]，顶板富水区疏水后相当于开采了1 个“类解放层”，将会引起煤层及顶板原岩应力的重新分布。

为分析疏水前后应力分布规律，以该矿地质条件为基础，采用FLAC3D建立相应数值模型分析不同回采速度过疏水影响区时应力演化规律，模型尺寸为400 m×10 m×120 m（长×宽×高），边界采用位移约束进行固定，顶部施加14 MPa 均布载荷代替上方560 m 岩层，整体服从Mohr-Coulomb 准则[10]。

为方便计算，模拟过程中假设富水区疏水相当于岩层力学性质损伤，富水区走向宽度80 m。富水区疏水前后煤层顶板的垂直应力分布曲线如图2。可以看出，富水区疏水后引起煤层及顶板原岩应力的重新分布，形成增压区和卸压区，即疏水区域内煤层及顶板应力降低为卸压区，区域边缘出现应力集中程度较高的为增压区，仍存在一定范围的疏水影响区，影响范围之外为原岩应力区。

2.2 不同回采速度过疏水影响区支承压力

图2 疏水前后煤层顶板垂直应力分布Fig.2 Vertical stress distribution of coal seam roof before and after drainage

在此基础上，以不同回采速度从富水区一侧50 m 外回采至富水区另一侧50 m 外，回采速度分别为4、6、8、10 m/d，研究不同回采速度回采至疏水增压区和卸压区时工作面超前支承压力分布规律。

1）不同回采速度过疏水增压区模拟分析。疏水后不同回采速度推采至距疏水增压区应力峰值附近10 m 处的应力分布云图如图3。疏水后增压区不同回采速度下超前支承压力分布曲线如图4。其中判断线为煤体发生冲击的应力判断线，取值为煤体单轴抗压强度的1.5 倍[11]，约为26.4 MPa。可以看出，受富水区疏水增压的影响，回采速度从低到高对应的超前支承压力峰值分别为25.23、27.51、29.43、31.31 MPa，说明随着回采速度的提升，其经过疏水增压区时形成的应力集中程度越高。同时当回采速度为4 m/d 时，应力峰值未超过冲击判断线，而当回采速度等于或超出6 m/d 时，应力峰值超过冲击判断线，已满足发生冲击的应力条件。

2）不同回采速度过疏水卸压区模拟分析。疏水后卸压区不同回采速度下超前支承压力分布曲线如图5。可以看出，推采速度与支承压力峰值仍成正相关关系，但是相较于疏水增压区而言，峰值明显降低，且由于疏水产生的卸压效应，当回采速度达到8 m/d 时，应力峰值才满足发生冲击的临界应力条件。

由上述分析可知，顶板富水区疏水后形成增压区与卸压区，当工作面快速回采经过疏水形成的增压区时，应力叠加相比慢速回采易超过发生冲击地压的临界值，诱发回采工作面发生冲击。

3 现场监测和冲击地压防治措施

3.1 现场监测

2019 年9 月19 日至10 月23 日06 工作面日进尺与日微震能量变化关系图如图6。该段时间06工作面4 次方以上微震事件平面投影图如图7。

图3 疏水后不同回采速度下应力分布云图Fig.3 Stress distribution cloud map after drainage with different mining speeds

图4 增压区不同回采速度下超前支承压力分布曲线Fig.4 Lead abutment pressure distribution curves of pressurized area at different mining speeds

图5 卸压区不同回采速度下超前支承压力分布曲线Fig.5 Lead abutment pressure distribution curves of unloading area at different mining speeds

图6 06 工作面日进尺与微震能量变化曲线Fig.6 Curves of daily advance and microseismic energy

由图6 可以看出，9 月19 日至10 月4 日工作面回采过I 区域，其全处于富水区下方，随着回采速度的提升微震能量变化不大，即使期间回采速度最大达到8.8 m/d，但单日微震总能量和最大能量依然处于较低水平。10 月5 日至10 月23 日工作面回采过II 区域，工作面大面积处于疏水增压区，相比I 区域，10 月14 日之前回采速度的加快造成了微震单日最大能量和微震总能量的显著增加，10 月14 日之后随着回采速度降低至4 m/d 以下微震能量明显降低。图7 中黑色框线为工作面进尺，可以看出微震事件多集中于疏水形成的增压区内，说明工作面推进至该区域煤体上方集中程度较高，从而导致了10月10 日工作面发生冲击地压显现。

3.2 疏水影响范围内的防冲措施

1）增压区卸压钻孔加密。具有冲击危险性的工作面回采前，已提前对划分的冲击地压危险区施工了大直径预卸压钻孔，但为保证巷道围岩在疏水增压区处于“低应力”状态。仍需根据物探资料确定的富水区边缘前方100 m 对卸压钻孔进行加密施工。

2）增压区顶板预断顶。在工作面2 条巷道疏水增压区前后50 m 范围内进行水压致裂或爆破致裂预断顶，以降低工作面过疏水增压区时基本顶的悬顶造成的。

3）疏水影响区域补强支护。为减缓围岩变形速率、减小围岩变形量，在富水区域边缘超前100 m范围内对巷道帮部和顶板进行补强支护，并各增1排单元支架，提高超前被动支护强度。

4）加强监测。针对疏水形成的增压区，在疏水影响范围前后100 m 范围内将应力测点组间距由25 m 变更至20 m，增加测点数，并在此区域提高钻屑法检测频率，同时结合微震监测进行预警，有任一指标预警则及时停止回采并进行解危。

5）疏水影响范围内回采速度阶段调整。根据顶板疏水快速回采工作面冲击地压机理可知，降低回采速度可以有效降低工作面在疏水增压区的应力集中程度，但一味地降低回采速度会造成经济的巨大损失。为兼顾资源使用、经济发展和安全生产，可在疏水影响区域进行回采速度的阶段调整。

根据数值模拟和微震监测可知，当工作面回采疏水增压区时，回采速度不超过4 m/d 时应力水平达不到发生冲击的基本条件且日微震能量也处于较低水平。当工作面回采疏水卸压区时，回采速度提升至8 m/d 时，应力峰值才达到发生冲击的临界值，但现场微震监测表明此时释放能量仍处于较低水平。因此当回采疏水卸压区时，可将回采速度阶段调整为不超过8 m/d，既可以满足产量需求又可以满足安全开采需求。

4 结 语

1）通过数值模拟研究顶板富水区疏水前后应力分布规律，得到疏水后引起煤层及顶板原岩应力的重新分布，形成增压区和卸压区。

2）当工作面快速回采经过疏水形成的增压区时，应力叠加相比慢速回采易超过发生冲击地压的临界值，诱发回采工作面发生冲击。

3）提出疏水增压区内加密卸压钻孔、预断顶、补强支护、加强监测和疏水影响范围内回采速度阶段调整的防冲措施，并指出回采疏水增压区时回采速度应控制在不超过4 m/d，回采疏水卸压区时回采速度阶段调整为不超过8 m/d。