C2316工作面冲击地压诱发因素及矿压显现特征分析

2023-03-10李振武何建新沈建波

煤炭与化工 2023年1期

李振武，何建新，沈建波

（1.济宁能源发展集团有限公司，山东济宁 272000；2.山东济矿鲁能煤电有限公司阳城煤矿，山东济宁 272500）

0 引言

冲击地压是一种常见的矿山和采场动力灾害，常导致巷道片帮、冒顶及支护失效等现象[1-4]，严重威胁了煤矿的安全生产，造成经济损失[5]。孙秉成[6]通过分析宽沟煤矿I010203工作面开采过程中上覆坚硬厚顶板冲击地压过程，并提出了相应的防冲技术措施。李跃文[7]以徐庄煤矿为研究背景，采用理论分析和微震监测方法确定矿震发生的时间及位置，并得出煤层厚度、采掘扰动、坚硬顶板及断层构造是诱发冲击地压的主要来源。秦喜文[8]通过对巷道内支架压力变化情况进行分析，得出巷道失稳破坏主要是受工作面采动影响。任建喜[9]、管祯[10]通过微震监测技术，确定工作面震源位置，并提出合理防冲措施。因此，确定冲击地压诱发因素具有显著意义，本文以安居煤矿C2316工作面为研究背景，采用理论分析、数值模拟得出该矿诱发冲击地压事件的主要因素，并提出防冲措施，以期为类似工程提供有益指导。

1 概况

C2316工作面为安居煤矿新设计工作面，属于安居煤矿二采区范围，工作面地面标高为+34.0—+36.0 m，工作面标高为-927—-916 m，工作面埋深950～961 m，平均埋深956 m。工作面临近C2310采空区且煤层厚度平均为2.1 m，所开采煤层为3上煤，工作面可推进长度合计为79.2 m（平距），切眼长度83.7 m（平距），开采总面积6 243 m2，工作面顶底板岩层基本情况见表1。

表1 煤层及顶底板岩性特征Table 1 Lithological characteristics of coal seam and roof-floor

1.1 工作面冲击地压诱发因素分析

1.1.1 煤岩层埋藏深度

煤岩层埋深越大，所受的自重应力越大，因此，造成自身聚积的弹性能较高。在工作面开采过程中，受高地应力、强采动影响，煤岩体会出现应力增加现象，而安居煤矿C2316工作面埋深约为950～961 m，对应冲击地压发生指数Wt约为0.7左右，由此可判断C2316工作面已具备冲击地压发生的采深条件。

1.1.2 煤层赋存特征

煤层赋存状态参差不齐，在实际开采过程中，会遇到煤层突然变厚或变薄的情况，受煤层厚度变化的影响，煤体内因静载荷作用易产生应力集中现象。当煤层变薄时，煤体所受的垂直应力会增加；而煤层局部变厚处垂直应力会减小。因此，煤层厚度的变化是诱发冲击地压现象的主要因素之一，而C2316工作面煤层整体赋存形态为倾向西南，煤厚1.7～2.3 m，平均2.1 m，可采系数100%，变异系数27%，属较稳定煤层。由此可判断C2316工作面煤层赋存形态诱发冲击地压的危险性较小。

1.1.3 煤层顶底板岩体的物理力学性质及特征

为进一步确定安居煤矿C2316工作面冲击地压诱发因素，通过对煤层顶底板现场取样，并采用加工、物理力学测试、冲击倾向性鉴定等手段，得出表2的煤层顶底板物理力学参数及能量指数。结果表明，C2316工作面顶板为强冲击倾向性岩层，冲击倾向性Ⅲ类，而底板岩层冲击倾向性为Ⅱ类，为具有弱冲击倾向性岩层。同时结合工作面顶板岩性情况可知，煤层顶板20 m范围内存在4.1 m中砂岩和14.39 m细砂岩，属于工作面矿压显现的关键岩层，因此C2316工作面具备冲击地压发生的基本属性，工作面掘进过程中应加强冲击地压的监测与防治。

表2 顶底板岩石物理力学性质试验汇总Table 2 Physical and mechanical properties test summary of roof and floor rock

综上所述，根据安居煤矿C2316工作面煤层实际赋存状态及冲击倾向性鉴定可得：工作面冲击地压诱发因素主要由煤层埋深、煤层厚度参差不齐及工作面顶板关键岩层为硬岩所造成的。

2 冲击地压发生规律的数值模拟研究

2.1 数值模型的建立

根据C2316工作面上覆岩层及巷道底板煤层等高线图，同时考虑到模型边界效应及计算速度，最终确定数值计算模型边长为x×y×z=150 m×100 m×60 m，工作面两侧各留煤柱水平宽度30 m，用于消除边界效用，工作面走向长度（沿y方向）为800 m，模型中模拟煤岩体采用摩尔-库仑本构模型，模型四周及底面全部施加位移约束，数值计算模型如图1所示，煤岩层物理参数见表3。计算模型顶部施加应力边界，经计算，模型施加垂直应力22.5 MPa，侧压力系数取为0.8。

图1 数值计算模型Fig.1 Numerical calculation model

表3 巷道岩层及煤的物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of roadway rock and coal

2.2 工作面推进过程中覆岩运动规律

为进一步揭示工作面推进过程中采空区顶板上覆岩层运动规律，采用有限差分软件FLAC3D对工作面开采过程进行模拟，工作面推进步距每次为6 m，采空区上赋岩层由于工作面不断向前推进导致采空区顶板产生裂隙并逐渐垮落，如图2所示。

图2 不同推进距离下工作面上覆岩层垮落规律示意Fig.2 Caving rule of overlying strata on working face under different advance distance

由图2可知，在工作面推进至12 m过程中，采空区直接顶有下沉的倾向，说明此时工作面采空区上覆岩层直接顶发生折弯现象，覆岩离层开始出现；工作面推进至24 m时，工作面采空区直接顶基本垮落，由此可判断出基本顶的来压步距为24 m，且垮落范围约14 m。随着工作面继续推进，工作面上覆岩层随采随垮；当工作面推进36 m，工作面采空区上覆岩层基本完成垮落。从覆岩垮落规律可知，随着工作面的推进，采空区周围煤岩体发生塑性破坏的范围逐渐增大，导致煤岩体承载能力逐渐减小，在开采或动力扰动作用下，可能会诱发局部冲击地压事件。

2.3 工作面推进过程中矿压显现特征

为进一步确定工作面不同推进距离对超前支承压力的影响规律，以工作面推进至12、24、36 m时为例（图3），对工作面超前支承压力进行重点分析。分析可知，随着工作面推进距离的增加，超前支承压力总体呈增加趋势。当工作面推进至12 m时，超前支承压力达到32.65 MPa；当工作面推进至24 m时，超前支承压力达到45.03 MPa，基本顶初次来压，工作面前方垂直应力集中显著，易诱发冲击地压危险，随着工作面继续推进，超前支承压力趋于稳定状态，但应力集中系数≥2.0，仍存在有一定的冲击危险。