回采工作面巷道冲击危险趋于定量分析及应用

陈广尧 高 山 刘 超

（微山金源煤矿，山东 济宁 277600）

据相关资料统计[1]，工作面巷道中的冲击地压事故占比超过了90%，此类事故具有隐蔽性强、冲击范围广、可修复性差等显著特点[2-3]。影响微山金源煤矿43上03 回采工作面巷道冲击地压的主要因素：自重与采动应力耦合诱发的冲击，过不规则工作面等区域造成局部应力集中区诱发的冲击，工作面初次来压、工作面见方等上方厚硬岩层断裂、覆岩运动诱发的冲击。这些因素有可能组合在一起，相互作用。因此，笔者基于影响冲击地压发生的“应力”这一关键指标[4]，根据43上03 工作面实际情况，开展回采工作面冲击危险区趋于定量分析及应用等方面的探索。

1 工程背景

微山金源煤矿43上03 工作面四周均为实体煤，平均采深500 m，倾斜长138～200 m，走向长225～300 m。工作面呈“刀把形”，西侧为回风巷，东侧为进风巷，总体呈一单斜构造，倾角平均10°，后退式倾向长壁综合机械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理顶板。工作面巷道布置如图1。开采3上煤层，厚约2.3 m，顶板以泥岩、粉砂岩为主，基本顶为中砂岩（厚为7.22 m），底板以粉砂岩为主，基本底为粉砂岩（厚为1.59 m）。3上煤弱冲击倾向性，煤层单轴抗压强度约8.56 MPa，顶板弱冲击倾向性，底板无冲击倾向性。

图1 43上03 工作面巷道平面布置图

2 回采工作面巷道冲击危险区趋于定量分析原理

工作面在回采期间，与工作面巷道冲击地压有关的主要应力为“基础应力”、“应力增量”和“冲击地压临界应力”，物理意义和理论估算如下：

（1）基础应力。不考虑断层等构造因素情况下，工作面巷道自重应力与相邻采空区覆岩转移应力等形成的叠加应力（静态），首采工作面（两侧为实体煤）情况下基础应力与自重应力一致，小区段煤柱沿空工作面条件下基础应力与自重应力存在一定差异，可以通过自重和采空区叠加后的工作面“当量采深”进行估算。H'表示工作面的“当量采深”[5]，单位为m；γ表示覆岩容重，单位为kN/m3；则工作面巷道的基础应力为σj=γH'，单位为MPa。

（2）应力增量。工作面正常回采期能够造成工作面上覆各级厚硬关键层破断和覆岩空间结构运动，甚至产生矿震（动载），容易形成工作面巷道煤岩体的应力突然升高。假设矿震或动载造成巷道围岩升高应力用σa表示，单位为MPa，开采经验表明σa是动态的且与静态的基础应力σj存在一定的关系σa=k·σj，单位为MPa，其中应力增量系数为k＞0 的无量纲常数。

（3）冲击地压临界应力。以影响巷道煤岩冲击的单轴抗压强度为主要参数，设煤层单轴抗压强度为[σ]，单位为MPa，得到诱发巷道发生冲击的临界应力为K[σ]，或表述为发生弱冲击、中等冲击、强冲击地压临界应力分别为K1[σ]、K2[σ]和K3[σ]，无量纲常数K或K1、K2、K3根据不同矿井或工作面实际情况取值，一般K≥1.0、

K1=1.0～1.5、K2=1.5～2.0、K3=2.0～2.5[6]。

假设开采条件相对稳定，工作面巷道的基础应力基本不变，巷道的应力增量主要与厚硬岩层破断和覆岩运动形成的动载有关，冲击地压临界应力与巷道煤体的冲击倾向性关系密切。如果工作面巷道基础应力低、煤岩单轴抗压强度较高，同时工作面回采关键层破断和覆岩运动诱发的应力增量不明显，此条件下工作面正常推采过程中巷道基础应力和应力增量的叠加应力不会超过巷道冲击临界应力，发生巷道冲击的可能性较小。如果工作面巷道基础应力较高、煤岩单轴抗压强度相对较低，同时工作面回采关键层破断和覆岩运动诱发的应力增量明显，这种条件下工作面正常推采过程中巷道基础应力、应力增量单个应力或基础应力与应力增量的叠加应力能够达到巷道冲击临界应力，易满足巷道冲击的基本条件，如图2 所示。

图2 工作面巷道冲击危险趋于定量分析原理图

回采工作面巷道冲击危险趋于定量分析原理描述为：回采工作面巷道的基础应力（静态）和开采厚硬关键层破断及覆岩空间结构失稳等形成应力增量（动态）的叠加应力，如果叠加应力整体上超过巷道冲击地压临界应力时，既满足工作面巷道围岩冲击力学条件，近似为

式中：σ为回采工作面巷道煤岩叠加应力，MPa。

根据K=K1、K2、K3不同取值以及σ/K[σ]结果，进行工作面巷道冲击危险趋于定量分析。

3 43上03 回采工作面巷道冲击危险趋于定量分析结果

3.1 工作面巷道的“基础应力”估算

43上03 回采工作面在已知两条巷道实际埋深H情况下，顺槽的基础应力按照σj=γH'=γH估算，取上覆岩层平均容重γ=25 kN/m3，采深H=500 m，则进风、回风巷基础应力平均0.025×500=12.5 MPa。

3.2 工作面巷道的“应力增量”估算

（1）初次来压应力增量。43上03 工作面初采阶段基本顶初次来压时的超前切眼影响距离约20～40 m，影响范围接近40 m，工作面两巷应力增量系数k 取0.3。

（2）周期来压应力增量。43上03 工作面基本顶周期来压显现较初次来压相对较弱，来压期间可能对支架、围岩等产生轻微的动载或冲击现象，此项工程上可以忽略。

（3）工作面见方应力增量。43上03 工作面两侧均为实体煤，当工作面推进至见方后（工作面推采距切眼约200 m），老顶上方的高位岩梁逐渐形成O 型覆岩空间结构，分析工作面推采过程覆岩运动形成的O 型覆岩空间结构时冲击影响范围，工作面见方前、后各30 m，工作面两巷应力增量系数k取0.3。相应的分析预测区域如图3。

图3 初次来压、工作面见方等巷道冲击影响区分布

3.3 回采工作面巷道叠加应力估算

工作面正常回采过程中两巷应力增量平均取0.2，则43上03 工作面进风、回风巷叠加应力范围：0.025×500×[1+（0.2～0.3）]=15～16 MPa。计 算 结果表明，工作面初次来压、工作面见方等期间巷道叠加应力最大约为16 MPa，如图3 相应区域冲击危险性较大。

3.4 回采工作面巷道冲击危险区划分

根据上述分析，巷道弱、中等、强冲击临界判据是43上03 工作面煤体单轴抗压强度的K1=1.5、K2=2.0、K3=2.5 倍，数值分别约13 MPa、17 MPa、21 MPa，采用椭圆代表弱、中等、强冲击危险区，根据43上03 工作面进风、回风巷叠加应力与巷道弱、中等、强冲击地压临界应力对应比值关系，确定回采工作面两巷均为弱冲击地压危险，重点冲击危险区为初次来压、工作面见方和不规则工作面对应的巷道区域，如图4。

图4 43上03 回采工作面巷道冲击危险区划分

4 冲击事件实际监测数据对比分析

以工作面初采阶段微震监测未出现105J 大能量事件，微震显示初采来压影响范围达到40 m，事件显示工作面在“不规则”区域的影响范围达到15 m，104J 事件在回风巷一侧分布且相对集中，监测表明工作面巷道处于无～弱冲击危险。应力监测回风巷应力集中在2～7 MPa，低于冲击地压应力监测预警值，但监测的高应力主要集中在距离切眼30～90 m范围，这些区域主要在回风巷初次来压和不规则工作面附近，监测表明工作面回风巷处于无～弱冲击危险。

初采阶段微震和应力监测反映的能量、应力影响程度及区域，与理论分析的重点冲击区域吻合，同时工作面两巷均处于无～弱冲危险，现场监测进一步验证了分析结果的合理性，如图5。

图5 现场微震和应力监测结果

5 结语

（1）影响回采工作面巷道冲击的主要应力：基础应力、应力增量和冲击地压临界应力。基础应力是静态应力，应力增量是动态应力，冲击地压临界应力与煤层单轴抗压强度有关。

（2）回采工作面巷道围岩冲击的力学表达式为σ=（1+k）σj≥K[σ]，通过对回采工作面巷道的基础应力、应力增量和冲击地压临界应力进行合理取值估算，能够实现工作面巷道无、弱、中等和强冲击危险性（区）的趋于定量分析。

（3）研究方法和结果指导了43上03 回采工作面巷道冲击危险性（区）分析，得到两巷具有弱冲击危险，确定了工作面初次来压、见方等重点冲击危险区域，通过回采期间微震、应力监测，表明回采工作面冲击危险趋于定量分析方法具有合理性。