综采工作面冲击危险性分析及分源防治

2022-05-26朱刚亮马文涛尹传平郭凯璇

陕西煤炭 2022年3期

朱刚亮，高刚，马文涛，尹传平，张磊，郭凯璇

(1.陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西咸阳 712000；2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

冲击地压是指煤矿井巷或工作面周围煤岩体由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象[1-4]。冲击地压发生是一个动力学过程，依次经历冲击启动、冲击能量传递、冲击地压显现3个阶段[5]，采煤工作面采动围岩近场集中静载荷的积聚是冲击启动的内因，远场集中动载荷对静载荷的扰动、加载是冲击启动的外因[6-8]。为保证综采工作面的安全顺利回采，提升综采工作面的防冲管理水平，以孟村煤矿401101工作面为研究背景，划分冲击危险区域，并开展综采工作面冲击地压防治技术实践与应用。

1 工程背景

孟村煤矿是一个具有水、火、瓦斯、煤尘、冲击地压等多种自然灾害的新建矿井。4号煤层具有强冲击倾向性，顶板岩层为弱冲击倾向性岩层。采煤工作面冲击地压类型为构造应力主导的静载荷为主、动载荷为辅的动静载叠加型冲击启动类型，冲击事件主要发生在中央大巷DF29断层及X1向斜构造区附近，造成中央大巷和采掘工作面多处破坏，主要表现形式有：巷道瞬间底鼓、片帮、冒顶、震感强烈等，严重威胁安全生产。

首采面401101工作面可采走向长度2 090 m，倾向长度180 m，可采储量504万t，该工作面范围内煤层厚度16.0～23.9 m，平均煤厚19.95 m。煤层顶板为以砂质泥岩、细粒砂岩、粗砂岩为主的复合型顶板，底板以遇水易膨胀的铝质泥岩为主，回采期间将受到F1断层、谢家咀背斜、塬口子向斜影响，地质构造分布情况如图1所示。

图1 401101工作面构造情况Fig.1 Structure of 401101 working face

2 冲击危险区域划分

依据综合指数法，分析地质及开采因素影响，确定401101工作面回采期间总体冲击危险等级为中等冲击危险，考虑重点区域及重点时期，对工作面推进过程中可能存在的冲击危险区域进行了划分。

2.1 顶板活动作用下的影响区域

2.1.1 顶板断裂危险区划分

首采工作面上方老顶随着工作面的回采，当顶板悬露面积过大时，采场围岩易储存大量的弹性能，一旦发生断裂，产生的冲击动载将直接作用于工作面采场及巷道围岩，产生危险。根据工作面的不同推进情况，将顶板断裂危险区划分为工作面初采期间基本顶初次垮落前和工作面“见方”阶段。

2.1.2 工作面初采期间基本顶初次垮落前

工作面初采期间基本顶初次垮落前，根据现场实测结果确定基本顶初次来压步距及周期来压步距。在初次来压之后，工作面冲击危险相对降低，此后危险时期应为工作面周期来压时期。

2.1.3 工作面“见方”阶段

工作面“见方”阶段，当工作面自切眼向前推进180 m距离，推采距离与工作面长度(包括巷道宽度)相当时，开采面积呈正方形，单面初次达到见方采动，此时顶板运动和破裂频繁，释放的震动能量较大。另外,根据以往工作面现场观测结果，该时期工作面超前支承压力和巷道侧向支承压力相对较大。

2.2 构造影响区域

2.2.1 断层构造

401101工作面内存在横穿工作面的F1正断层，该断层落差14～18 m，对工作面影响较大。当工作面回采到断层影响区域时，断层本身构造应力与工作面超前支承压力叠加，使断层附近的支承压力增高，当满足冲击条件时，可以诱发冲击地压。另外，断层构造造成煤岩体较为破碎，不利于巷道围岩的维护。措施巷掘进至断层约140 m时，发生冲击显现，孟村矿区断层或褶曲影响范围可以达到150 m以上，工作面推进到距F1断层150 m范围内受此影响。

2.2.2 褶曲构造

401101工作面东段处于褶曲构造区域内，具有较高的水平构造应力。401101工作面回采中后期会陆续通过顶角相对较大的谢家咀背斜(B2背斜)、塬口子向斜(X1向斜)，当回采到褶曲轴部区域或轴部附近时，受水平挤压或者拉伸作用容易引起以巷道顶、底板受到显著破坏为主的矿压显现或冲击地压。工作面推进至B2背斜及X1向斜轴部200 m范围内受此影响。

2.3 底煤影响区域

401101工作面为上分层开采，运输巷、回风巷及措施巷均留不小于8 m的底煤。对于巷道围岩而言，顶板和巷帮一般会进行支护，底板无支护，从而导致底板成为巷道最为薄弱的区域。当冲击载荷作用至巷道围岩时，能量将从最薄弱的环节突破，该过程必然伴随底板的冲击破坏或缓慢底鼓。401101工作面全程回采期间均会受此影响。依据冲击影响因素，划定强冲击危险区域8个，中等冲击危险区域16个，其余均为弱冲击危险区域。具体危险区域划分见表1，划分结果如图2所示。

图2 401101工作面回采期间冲击危险区域划分结果Fig.2 The division of the rockbust danger zone during the mining of 401101 working face

表1 冲击危险区域划分Table 1 Division of rockburst risk areas

由于地质构造区具有较高的构造应力，当回采至该区域时，在采动影响下，动载与静载叠加易使集中应力达到煤层冲击临界值，从而诱发冲击地压；并且煤层上方赋存多层硬厚砂岩，不仅因悬顶使弯曲弹性能在煤体内的积聚，还会因岩层断裂产生冲击动载，易诱发冲击地压。

3 微震事件活动特征

选取401101工作面范围2018年7月1日至2018年7月31日共31 d的微震数据进行分析，此时、空范围内共有902个有效微震事件，总能量为5.27×106J，平均能量为5.84×103J，最大能量为2.00×106J，统计期间内工作面推进180 m，平均每米释放能量为2.93×104J。微震事件的平面分布如图3所示，大部分微震事件以及大部分高能微震事件均分布于401101运输巷侧。

图3 统计期内微震事件分布Fig.3 Distribution of microseismic events during the statistical period

图4为统计期内频次、能量分布柱状图，可以看出，能量1×103～1×104J的微震事件最多，占比72.84%，且总能量也最大，达到了2.55×106J。能量在1×102～1×103J的微震事件为166次，占比18.40%，总能量为8.40×104J。能量在1×104～1×105J的微震事件为65次，占比7.21%，总能量为1.94×106J。能量在1×105～1×106J的微震事件有4次，总能量为6.83×105J。

图4 统计期内微震频次、能量分布Fig.4 Frequency and energy distribution of microseismic during the statistical period

1×103～1×104J能量事件频次和能量占据主导地位，表明回采过程中围岩积聚能量可以均匀释放，对突发性动力灾害的防治较为有利。根据以往发生的动力现象来看，当微震事件能量在1×105J以上时，就有可能对巷道围岩造成破坏，而401101工作面回采过程中，能量大于1×105J的微震事件频发，表明在401101工作面回采初期煤岩活跃度比较高，具有较高的冲击危险，这与工作面上方顶板比较坚硬，但回采初期并未对顶板采取措施有关。

4 冲击地压防治方案及效果检验

依据不同载荷来源，针对顶板、帮部及底板制定分源防治方案，并进行工程实践[9-11]。

4.1 顶板高压水力压裂

401101工作面穿越地质构造带期间，对401101工作面回风巷副帮侧进行压裂施工。方位角垂直副帮煤壁，倾角45°，孔深40 m，间距10 m；采用后退式分段压裂，每孔压裂4～5次，每次20～30 min。

401101工作面回风巷正帮侧构造区域(DF29断层及X1塬口子向斜)进行压裂施工，施工范围为DF29断层西侧150 m(即回风巷800 m)至X1塬口子向斜东侧150 m(即回风巷230 m)，共计570 m。方位角垂直正帮煤壁时，倾角15°，孔深40 m，间距20 m；方位角与巷道轴向夹角20°时，倾角45°，孔深40 m，间距20 m。采用后退式分段压裂，每孔压裂4～5次，每次20～30 min。