工作面采高和推進度與沖擊地壓的關系

王全達

（黑龍江龍煤鶴崗礦業(yè)有限責任公司，黑龍江 鶴崗154100）

長期以來，具有沖擊地壓危險的煤層工作面如何確定采高和推進度一直困擾著煤礦現(xiàn)場安全管理和技術人員，那么工作面采高和推進度和沖擊地壓又有什么內(nèi)在聯(lián)系呢？本文從工程角度和實例加以分析說明。

1 沖擊地壓與工作面采高的關系

1.1 采高與冒落帶高度的關系

冒落帶與采高的關系如下：

式中：Kp為碎脹系數(shù)一般取1.1～1.3，以鶴崗礦業(yè)有限責任公司峻德煤礦三水平北17層為例，頂板為厚層砂巖，破斷后塊體性較好，Kp取1.1，采高3.5m，垮落帶高度約為35m左右。由上式垮落帶高度與采高成線性關系，若將采高調(diào)整為4.5m，則垮落帶高度增大為45m左右，進入垮落帶的巖層厚度及層數(shù)增加。

1.2 采高與超前支撐壓力的關系

工作面超前支撐壓力峰值距工作面煤壁的距離與采高成線性關系，采高越大，峰值應力距煤壁越遠，且峰值應力有所減小，但當采高達到3m時，峰值應力減小幅度不大。峰值應力距煤壁越遠，對于防治由工作面采動誘發(fā)的沖擊地壓越有利，這對于煤厚小于2m的較薄煤層效果較為明顯，但對于厚煤層效果不突出。工作面前方應力分布與煤厚（采高）的關系見圖1。

圖1 工作面前方應力分布與煤厚（采高）的關系

以峻德煤礦三水平北17層三四區(qū)一段綜采工作面為例，從工作面柱狀圖來看，距煤層上方10m處存在一層厚度20～40m不等的粉砂巖頂板，當頂板不能充分垮落時，將導致采空區(qū)大面積懸頂，此時后部采空區(qū)產(chǎn)生作用于階段煤柱的側向支撐壓力以及作用于工作面前方煤體的超前支撐壓力將增大，增大的超前支撐壓力可能超過由于增加采高而降低的部分支撐壓力，從而使超前支撐壓力較采高3.5m時更大。因而增加采高并不能體現(xiàn)其降低沖擊危險的優(yōu)越性。

1.3 采高與頂?shù)装迥芰酷尫诺年P系

從開采卸壓范圍來說，采高越大，形成的卸壓范圍越大，構造應力釋放的能量越大，另一方面，從能量轉化的角度，采高越大頂板巖層破斷垮落釋放的重力勢能成線性增大?；谝陨蟽牲c，采高增大將導致回采過程中煤巖體以礦震形式釋放能量增強，對于防治沖擊地壓不利。

1.4 該工作面沖擊地壓類型及誘因

從已發(fā)生的幾次沖擊地壓顯現(xiàn)來看，沖擊地壓主要影響因素為堅硬厚層頂板、寬度變化的階段彈性煤柱。堅硬頂板在上段采空區(qū)形成懸頂與階段煤柱作用導致階段煤柱應力集中，同時較寬的階段煤柱存在彈性核區(qū)，在受到本工作面超前支撐壓力綜合作用下，應力集中程度更大。在初次來壓、周期來壓等頂?shù)装逋蝗恍遁d產(chǎn)生的強礦震作用下，最終導致工作面超前20m附近發(fā)生沖擊地壓。其類型為頂板煤柱復合型沖擊，屬典型的動靜載荷組合誘沖類型；并非是工作面回采誘發(fā)超前應力區(qū)沖擊地壓類型，而是頂?shù)装寤顒诱T發(fā)階段煤柱區(qū)沖擊。故增大采高從而增加塑性區(qū)寬度避免工作面采煤誘發(fā)沖擊的有利因素不能較好體現(xiàn)。而超前支撐壓力無論距煤壁遠近都將與煤柱集中應力產(chǎn)生疊加，并不能減弱煤柱一側的沖擊危險。

1.5 采高變化與礦井產(chǎn)量的關系

在每天相同進尺下，增大采高可增加工作面單產(chǎn)，提高礦井生產(chǎn)效益。但增加采高同時增大了對圍巖的擾動，對于沖擊危險工作面，當沖擊危險上升時，為了降低危險又必須減少進尺，進而降低產(chǎn)量，一增一減，并不一定能提高礦井生產(chǎn)效率。如果不減少進尺又將增大沖擊危險，一旦沖擊發(fā)生，又必將影響生產(chǎn)效率。

對于峻德煤礦三水平北17層，煤層較厚，綜一面是回采頂分層，其下分層工作面為放頂煤工作面，放頂煤工作面對煤厚及煤厚變化具有較好的適應性，因此可將本工作面增加采高那部分煤量留在下分層放采。

2 沖擊地壓與工作面推進度的關系

2.1 工作面推進速度與工作面沖擊危險狀態(tài)分析

按照采場頂板控制的原理，快速推進可以減少垮落帶高度，從而小幅度降低支架承受的靜載荷，但快速推進卻存在以下問題：

（1）使頂板巖層破斷、垮落不充分，增加懸頂長度，從而增加了工作面煤壁超前支承壓力，且頂板積聚能量與懸頂長度的5次方成正比。因此，頂板積聚彈性能增加。

（2）工作面回采過程中釋放能量主要來源于上覆巖層下沉釋放的重力勢能，在推進長度一定的情況下，上覆巖層釋放一定能量。因此，增加推進速度就縮短了頂板巖層積聚大量彈性能釋放所需要的時間，使得能量快速劇烈釋放，形成強烈的動載荷（強礦震），造成支架損壞和煤壁片幫。因而，快速推進將造成高靜載荷強動載荷的相互疊加，對防沖不利。

（3）綜采面推進速度增加，圍巖的加載速度隨之增加，水平應力和垂直應力均增大，應力峰值位置距工作面煤壁距離減小，煤體的強度、脆性增加但韌度降低，煤層塑性卸壓區(qū)范圍減小，因此發(fā)生沖擊地壓的概率增大。

2.2 推進度與礦震關系實例分析

以鶴崗礦業(yè)有限責任公司興安煤礦四水平北11層中部區(qū)前期回采為例，工作面推進速度和礦震能量頻次的時序關系，分析得出以下規(guī)律：

（1）推進進尺的趨勢圖和礦震活動規(guī)律具有明顯的相關性，推進速度越大、越不規(guī)律，礦震活動越頻繁，越容易導致大能量礦震的發(fā)生。

（2）平均推進進尺大于2.4m，會導致震動活動進入活躍期，礦震活動頻繁。平均推進進尺大于3.5m，很容易導致1E＋5J以上大能量礦震發(fā)生。因此推進速度大于2.4 m，會導致工作面進入中等沖擊危險，且隨著推進速度越大、越不規(guī)律，危險程度越大。

“5.21”沖擊前5月20日，推進度達到8.6m，遠超出3.5m，導致礦震活動劇烈，第二天發(fā)生沖擊；“10.15”機道發(fā)生沖擊前，機道推進度連續(xù)5天超過回風道，并超出3.5 m，導致礦震活動頻繁和沖擊事件的發(fā)生。

2.3 工作面目前的沖擊危險狀態(tài)分析和合理推進度確定

圖2 興安礦四水平11層中部區(qū)二段礦震時序

由圖2礦震時序圖可看出，工作面復采以來的礦震發(fā)生在時間上有一定的周期性，7月中旬到8月中旬，8月中旬到9月中旬為兩個礦震的活躍期?；钴S期內(nèi)礦震能量或頻次均處在較高的水平，活躍期結束能量和頻次均有所下降。在9月中旬到10月中旬，礦震能量雖較前兩個時期少些，但礦震頻次仍處在一個較高的水平，回采過程中仍有一定的沖擊危險性。到10月下旬，礦震的能量和頻次均有所上升，能量為105J的礦震在較短的時間間隔內(nèi)出現(xiàn)2次，頻次也維持在較高水平。為此興安煤礦科學調(diào)整推進度，由原日產(chǎn)3刀2.4m降至日產(chǎn)2刀1.6m，安全采過風道中期回風石門和多巷交叉沖擊危險區(qū)域，目前工作面推進度嚴格控制在3刀2.4m／d，礦震能量和頻次趨勢區(qū)域平穩(wěn)。

3 結語

沖擊地壓的發(fā)生誘因多樣，工作面采高和推進度不是沖擊地壓的主要誘因，但具有沖擊地壓危險的煤層開采合理確定工作面采高和推進度對沖擊地壓防治還是十分必要的。一般3.5m以下的煤層宜采取一次采全高綜采工藝回采，對于特厚煤層首分層工作面采高一般不超過3.5 m或是直接采取底分層綜采放頂煤工藝（頂煤緩沖、吸能效果要優(yōu)于頂分層開采）。具有沖擊危險的工作面應合理確定工作面的推進度，一般依據(jù)采場的幾何尺寸、礦壓顯現(xiàn)及沖擊地壓危險監(jiān)測等具體情況而定。在現(xiàn)有監(jiān)測條件下，微震能量和頻次趨勢平穩(wěn)，應力在線監(jiān)測沒有達到預警級別的勻速推進是合理的。當監(jiān)測趨勢異常，達到預警級別應合理降低工作面推進速度。目前峻德煤礦綜采一隊三水平北17層三四區(qū)一段一分層工作面確定推進度2m／d，興安煤礦綜采一隊四水平北11層中部區(qū)二段綜放工作面確定推進度2.4m／d，各種監(jiān)測趨勢平穩(wěn)，工作面無破壞性的沖擊顯現(xiàn)。