深部孤岛工作面初次来压冲击危险性分析

杨 轲

（上海大屯能源股份有限公司姚桥煤矿，江苏 沛县 221611）

1 工作面概况

姚桥煤矿西九采区东以主井工厂保护煤柱线、中央采区边界为界，西以西六采区为邻，南以西五采区为邻，北以-850 m煤层底板等高线为界。开采上限为-360～ -650 m，下限为-850 m。采区走向长1612～1954 m，倾向长368～1386 m，面积2.2 km2。采区地面标高为+33.96～+36.08 m，地势较为平坦，为黄淮冲积平原。对采区开采有影响的村庄有彭官屯、张街、孔庄、杨屯、甘庄、黄店，村庄压煤面积占总面积的99.3%。杨屯河及矿区专用铁路从采区北部通过。7263工作面位于西九采区7煤层，工作面倾斜长度254 m，设计走向长度771 m，煤层平均倾角5°，平均煤厚3.57 m，设计采高3.4～4.5 m。7263工作面为智能化综采工作面，本工作面为中等冲击地压、低瓦斯、二类自燃工作面。工作面回采期间将过两个较大的断层：f602逆断层，落差为11.7 m；F-²16正断层，落差3.3 m。工作面为局部两侧采空的孤岛工作面布置形式，其中工作面溜子道侧的7265工作面于2018年01月回采结束，工作面材料道侧的7253工作面于2010年09月回采结束，西九采区其余工作面（7267、7269、7271工作面）停采日期均大于3年以上。工作面冲击危险区域划分如图1，表1给出了煤层顶底板情况。

表1 煤层顶底板条件

图1 工作面冲击危险区域划分图

2 工作面初次来压冲击力学机理分析

2.1 力学模型建立

根据采场薄板矿压理论，把基本顶初次断裂前的岩层视为弹性薄板结构，依据板壳理论可以将其简化为矩形薄板，以工作面倾向为x轴，工作面走向为y轴，当工作面初次垮落前，工作面两侧为采空区，将其视为简支边，另外两边视为固支边为边界约束条件，并假设薄板上表面承受岩层的自重应力q（q=γh，γ为顶板岩层的容重）作用[1-2]，薄板力学分析模型如图2。

图2 采场顶板力学模型

2.2 顶板初次来压破断力学分析

根据图2，可得矩形薄板的边界条件为：

根据上述条件，取：

根据里茨法求得：

因此，薄板的挠度为：

根据弹性力学中内力弯矩的公式，可得：

根据薄板破坏强度[1]条件Mmax＞Ms，可知见方期间顶板覆岩将在采场中部发生破坏，随着顶板覆岩的破断失稳，薄板积聚的弹性变形能瞬时释放容易诱发冲击。

3 回采以来的监测数据分析

7263工作面自7月13日正式回采以来，共发生微震事件384次，总能量5.05×105J，其中三次方事件共计131次（4.37×105J），四次方及以上事件共计0次，平均每日释放能量6.2×103J，平均每米释放能量7.8×103J。各阶段微震事件占比统计见表2。

表2 各阶段微震事件占比统计

受回采速度较慢及工作面初采影响，7263工作面试采期间微震事件整体较少，平均每日震动2次，每日总能量平均92 J，单次震动平均能量46 J；工作面正式回采后，能量事件频次及能量逐渐增加，前20 m推进期间：平均每日震动4.4次，每日总能量平均3600 J，单次震动平均能量822 J；接着在20 m推进期间：平均每日震动13.5次，每日总能量平均18 900 J，单次震动平均能量1400 J；后5 d平均每日震动20.8次，每日总能量平均23 800 J，单次震动平均能量3600 J。四个回采阶段内微震震动频次、总能量、平均能量均呈激增趋势。在工作面推进约66 m时，工作面释放能量及频次达到峰值状态，此时工作面冲击危险性较强，结合邻近工作面初次来压步距，预测工作面初次来压。

4 防冲治理及效果分析

4.1 防冲治理措施

（1）煤体大直径钻孔卸压

7263工作面初次来压影响区域大直径卸压钻孔间距（1.6±0.2）m，钻孔角度为煤层倾角±2°，距底板（1.3±0.3）m，直径150 mm，孔深20 m。钻孔平面和剖面布置示意图如图3。

图3 大直径钻孔布置图

（2）顶板深孔爆破

根据7263工作面综合柱状图，7263 工作面煤层上方约23 m处存在厚5.6 m的中砂岩，在工作面回采期间通过施工顶板深孔预裂爆破，从而降低上覆关键层破断诱发工作面冲击地压的可能性[3-4]。7263工作面初次来压影响区域施工顶板深孔预裂爆破，钻孔间距10 m，孔径75 mm，钻孔具体参数见钻孔布置图如图4。

图4 工作面两道顶板预裂爆破钻孔布置图（m）

4.2 防冲治理效果分析

通过对7263工作面卸压前后煤粉量变化分析，可以看到在实施顶板深孔爆破和大直径钻孔卸压措施后，钻屑每米实际煤粉量均低于临界值，且监测过程中无动力现象等，说明7263工作面初次来压影响期间卸压措施可以起到释放煤岩体中积聚的大量弹性能的作用，具有较好的卸压效果。工作面解危后煤粉量数据如表3。

表3 工作面解危后煤粉量数据

5 结论

利用弹性力学薄板理论建立采场顶板力学分析模型，导出了工作面顶板位移及内力弯矩的表达式，分析了工作面初次来压期间诱发冲击力学机理。通过对工作面初次来压期间冲击危险性微震监测分析，工作面初次来压期间，工作面释放能量及频次达到峰值状态，容易诱发冲击地压。制定了工作面初次来压期间大直径钻孔卸压、顶板深孔爆破卸压方案，通过工作面卸压前后钻屑监测结果可知，在采取煤体大直径钻孔、顶板深孔爆破之后，对工作面冲击地压防治起到了良好的效果。