乌审旗典型工作面停复采冲击危险性分析与防治

刘毅涛，王颜亮，曲效成，刘文涛，魏全德，董亚东，张松林，韩 亮

(1.鄂尔多斯伊化矿业资源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.北京安科兴业科技股份有限公司，北京 100083；3.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；4.北京安科兴业矿山安全技术研究院有限公司，北京 102299；5.华北科技学院 安全工程学院，北京 101601)

近年来随着我国煤炭资源开采向陕西、内蒙、新疆等西部省份迁移，这些矿区的动压显现和冲击事故数量呈明显增加的趋势，鄂尔多斯乌审旗、陕西彬州市和长武县境内的冲击地压矿井具有典型性。其中，乌审旗地区矿井与东部冲击地压矿井相比，开采深度小于800m的条件下便频繁出现动压显现[1-3]。分析、总结其主要原因为，矿区覆岩普遍受到多层硬厚砂岩组的“多关键层”结构影响，开采布局以大煤柱、双巷掘进为主，工作面普遍较长，推采速度较快[4-7]。现场调研发现，乌审旗地区矿井受特殊的监管、地质及开采技术条件等因素影响，频繁出现工作面停采3d及以上后复产现象。工作面停采将导致工作面应力集中，特殊条件下可能出现压架、冒顶、片帮等矿压显现。部分工作面复采初期出现煤体应力快速增高、微震大能量事件频发等现象，严重威胁工作面安全生产。

国内诸多专家学者针对该地区类似条件下冲击地压发生机理、监测预警方法和防治技术进行了大量研究：姜福兴等对震动诱发型冲击地压的预警机制和应用进行了研究，得出依据矿震发生前煤岩应力突变规律实现临场预警的机制[8]，提出了影响采场冲击地压应力场的“载荷三带”岩层结构模型，研究了采场冲击危险性的评价、监测和防治方法，为针对性治理冲击地压提供理论依据[9-10]；窦林名等提出了动静载叠加诱发冲击地压原理，并分析了煤矿动静载特征，根据应变率对煤矿载荷状态进行了界定[11，12]。以上研究成果为该地区的冲击地压防治提供了指导作用，但针对工作面停复采期间的防冲技术领域，尚无较为系统的研究成果。以母杜柴登矿井30202工作面为背景，开展工作面停复采期间冲击地压监测分析及防治研究工作。

1 工程概况

鄂尔多斯市母杜柴登矿井302盘区主采3-1煤，30202工作面位于302盘区东翼，东侧紧邻30201工作面采空区，两工作面平行布置，留设20m区段煤柱，西侧为尚未采掘的30203工作面实煤体，工作面平面位置如图1所示。工作面走向长3718m，倾向长268m，平均采深640m。

图1 30202工作面位置及周边开采概况

以30202工作面附近的B22钻孔为例，煤层上方100m范围内存在厚度超过10m的砂岩层有3层，其中，煤层上方约13m赋存一层厚度为20.76m的细粒砂岩，煤层上方约37m赋存一层厚度为61.57m的粗粒砂岩，这些硬厚的岩层在工作面大范围开采后的悬顶及周期性运动，将对工作面的冲击地压显现造成较大的影响，见表1。

表1 B22钻孔岩层特性表

30202工作面回采期间多次出现停采3d及以上后复产情况。为有效防治冲击地压，降低事故发生的可能性，工作面装配微震、煤层应力等监测装备，对回采期间冲击地压进行监测预警。

2 工作面停采期间监测数据分析

30202工作面于2018年7月1日早8点停采，并于7月8日凌晨1点复采，停采前工作面累计回采454m。工作面停采前一周内，推采速度稳定在每日7刀，矿压显现平稳，未发生能量在105J以上大能量微震事件。

2.1 停采期间微震监测数据分析

微震监测技术在冲击地压监测预警及矿压规律分析领域发挥着重要作用[13-15]。对停采前后工作面微震监测数据进行统计分析(6月27日至7月8日)，由于工作面推采强度骤减，顶板运动的活跃程度明显降低，7月2日微震日能量及频次相对停采之前大幅减少，如图2所示。为进一步分析停采前后工作面震动场数据变化情况，对能量在102J及以上的微震事件不同能级的数量进行了统计，103J及以上的大能量微震事件平均日频次由正常推采期间的9次/d，骤减至停采期间的1.59次/d，大能量事件数量在停采期间占比明显降低，如图3所示。

图2 正常推采与停采期间微震能量及频次对比

图3 停采前后推采速度与不同能级微震事件统计曲线

由此可见，工作面停采后，微震事件日能量和日频次明显降低，且大能量事件数量占比明显降低，表明停采阶段工作面顶板活动相对稳定。

2.2 停采期间煤层应力变化情况分析

工作面停采期间，煤体应力监测数据仍有明显变化。据统计，停采期间应力值发生“台阶式”突增的应力测点有3个，见表2。

表2 停采期间煤层应力监测突增测点汇总

回风20浅测点应力值在7月1日13点20分发生一次突增，由10.68MPa升高至13.27MPa，共增加2.59MPa。应力发生突增时该测点位置附近无大直径卸压等作业，排除施工干扰情况影响。回风20浅测点应力突增的同时，附近回风17浅、回风18浅、回风19浅应力测点均在此时段附近发生应力降低，表明集中应力由回风20浅测点周边向测点中心区域转移，应力曲线如图4所示。回风21浅、回风21深测点于7月3日先后发生应力突增(其中回风21浅测点应力由9.4MPa突增至约12.4MPa，突增量3.0MPa)，回风21深测点应力由4.4MPa突增至11.2MPa，突增量6.8MPa)，如图5所示。以上数据变化表明，停采期间高位顶板尚未稳定，但是，顶板断裂、运动烈度有所降低。部分煤层应力仍有明显增高情况，应警惕局部高应力集中情况。

图4 回风20浅测点应力突增曲线

图5 应力21浅、应力21深测点突增曲线

2.3 停采期间支架工作阻力分析

由于高位顶板在停采期间的缓慢下沉运动，作用在工作面综采支架的阻力逐渐增高。另外，根据综采支架压力数据及井下显现情况记录，工作面停采时处于周期来压阶段，周期来压期间，工作面老顶处于破断垮落过程中，综采支架阻力大面积超限，如图6所示。

图6 停采前后综采支架阻力统计表(105Pa)

因此，高位顶板在停采期间尚未稳定，但是，顶板断裂、运动烈度有所降低。工作面支架阻力持续增高，应警惕工作面压架等情况。另外，停采位置处于周期来压阶段时，支架阻力普遍较高，工作面支架工作状态较差。

3 工作面复采初期微震监测数据分析

由微震监测数据统计可知，复采阶段工作面震动场活动强度整体经历“突增—降低—小幅增高”三个阶段，如图7、图8所示。

图7 复采阶段微震能量与日推进刀数关系

图8 复采阶段不同能级个数与日推进刀数关系

由于工作面长时间停采，工作面整体应力状态在顶板断裂、运动作用下达到较高的水平，受复采初期采动扰动影响，近煤层顶板稳定状态破坏，复采初期能量释放较为集中，呈现震动场活动强度“突增”现象；工作面近煤层顶板运移能量释放充分后，覆岩破断逐渐向高位发育，能量释放较少，呈现震动场活动强度“降低”现象；随着工作面回采，上覆较高位岩层破断回转，呈现震动场活动强度“小幅增高”的反弹现象。7月15日之后，微震能量、频次整体恢复工作面停采前水平，复采效应影响结束。

工作面复采后约8d，累计推进40刀(约35m)后，工作面震动场活动强度趋于平稳，复采“三阶段”结束。

4 30202工作面停复采防治实践

4.1 高应力集中区的解危方案

1)预警区域的钻检验证。2018年7月1日回风20组测点应力发生突增情况(见表2)，7月2日早班对测点附近煤体进行钻屑检验，1#钻检孔煤粉量明显超标，表明该预警区域具有较高的冲击风险，如图9所示。

图9 局部危险区钻检曲线

回风21组测点发生突增时，该区域具有大直径卸压施工条件，因此未做钻检直接开展卸压解危工作。

2)局部危险区卸压解危。于回风巷720～760m(回风浅20组、回风浅21组两侧)危险区巷道回采帮采取二次煤层大直径钻孔卸压，孔深20m，孔径153mm，孔间距1m。

3)解危效果验证。解危措施完成后，7月4日16点，浅20测点应力明显降低，由突增时刻的14MPa下降至12.8MPa，其周围其他应力测点未发现明显增长趋势(如图4所示)；7月7日19点26分，回风浅21测点应力降低至7.8MPa(如图5所示)。

7月7日中班，对回风巷超前270m正帮(回风浅20组、回风浅21组危险区内)进行解危效果钻检验证，施工的2#、3#两个钻屑检验孔均未出现煤粉超标情况，如图9所示。

综上，针对停采期间应力监测出现预警的情况，采用了“应力预警—险情钻检确认—卸压解危—解危效果验证”流程，成功完成局部危险区的处理。

4.2 停复采防冲关键措施总结

1)局部应力集中区排查预处理。依赖煤层应力监测及钻屑量数据分析，主动排查工作面整体应力集中水平，针对局部应力集中区域，采取针对性卸压解危处理措施。

2)超前支护体系排查。保证工作面综采支架、超前支架等具有良好的支护性能，出现支撑力不足，支架歪斜等情况及时处理。

3)复采前的工作面危险性评估。复采前对钻屑量、应力监测数据和微震监测数据进行单参量及多参量联合分析，对工作面冲击地压危险程度进行评价。

4)控制复采初期的回采速度。回采速度过大，可能直接诱发冲击地压[16]，复采初期采用“以压定产”的理念，根据复采后震动场活动强度的“突增—降低—小幅增高”规律，复采初期2～3d内的突增阶段应保证较低的推采速度，之后根据实际显现情况逐渐递增至正常回采速度。

5)复采期间的冲击危险区管理。比如需严格执行限员措施，对工作面冲击危险区域悬挂警示牌等。

以上关键措施的保质保量落实，是现场安全复采的关键因素。

5 结 论

1)工作面停采期间，微震监测能量及频次明显降低，煤层应力及支架阻力监测数据明显增大。因此，停采期间煤层应力监测对于局部高应力集中有着较好预测预报效果。

2)停采位置处于周期来压阶段时，对工作面支架正常工作状态不利，条件允许时停采位置应尽量避开周期来压阶段。

3)复采初期工作面震动场活动强度整体经历“突增—降低—小幅增高”三个阶段。工作面复采后约8天，累计推进40刀(约35m)后，工作面矿压显现趋于平稳，受复采效应影响结束。因此，复采初期工作面推进前35m区间内为防冲关键区域。

4)采用“应力预警-险情钻检确认-卸压解危-解危效果验证”流程对停采期间局部危险区进行处理，解危效果良好，可以降低复采初期的冲击危险性。

5)以30202工作面典型的停复采期间监测数据为例，分析总结了停复采过程中的局部危险区排查处理、复采推采速度控制等冲击地压防治关键措施，可以为条件相似工作面停复采期间的冲击地压防治提供借鉴。