頂板疏水快速回采工作面沖擊地壓機理及防治措施

王 博，朱斯陶，魏全德，2，顧穎詩，李占成，張 斌

（1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京100083；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京100083；3.兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017010）

現(xiàn)階段，我國煤炭資源的重心正在逐步向西部轉(zhuǎn)移，而西部以鄂爾多斯為主的礦區(qū)采深逐漸增大，許多礦井已開始面臨沖擊地壓威脅[1-3]。據(jù)鄂爾多斯深部礦區(qū)開采地質(zhì)資料和現(xiàn)場實際觀測可知，該類礦井工作面普遍面臨回采速度快、頂板存在大面積富水區(qū)等特點，當工作面快速回采且過疏水區(qū)域時，已發(fā)生明顯的動力顯現(xiàn)。

近年來，眾多學(xué)者對回采速度與沖擊地壓的關(guān)系、疏水對沖擊地壓的影響做了大量研究。如：王家臣等[4]通過建立基本頂動力斷裂失穩(wěn)的折迭突變模型，得到回采速度的加快等同于基本頂懸臂梁加載速率的提高，增大了快速回采工作面基本頂破斷失穩(wěn)的概率；劉金海等[5]通過案例和現(xiàn)場實測分析探討了采場回采速度與沖擊地壓的關(guān)系，得出工作面沖擊地壓危險性與采場回采速度具有相關(guān)性；舒湊先等[6]研究了疏水過程中含水層和煤層的應(yīng)力演化規(guī)律，得出了疏水誘發(fā)巷道發(fā)生沖擊地壓的機理；李東等[7]研究了頂板富水工作面疏水之后誘發(fā)沖擊地壓的機理。上述研究成果對工作面沖擊地壓防治具有一定的現(xiàn)場指導(dǎo)意義，但其或單純研究采場回采速度對工作面沖擊危險性的影響，或單純研究疏水與沖擊地壓的關(guān)系，而對于頂板富水工作面在疏水和快速回采共同作用下致沖機制研究相對較少。

以鄂爾多斯某礦頂板疏水區(qū)下快速回采工作面為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬和微震監(jiān)測等方法，研究了不同回采速度下過頂板疏水影響區(qū)域時的超前支承壓力分布規(guī)律，探討了頂板疏水快速回采工作面誘發(fā)沖擊地壓機理，以期降低相似條件礦井的沖擊危險性。

1 工程概況

鄂爾多斯某礦06 工作面為該礦221 采區(qū)南翼首采工作面，采用走向長壁綜放采煤方法，傾向長度300 m，平均埋深660 m，平均煤厚9.02 m，煤層傾角0°～3°，平均1°，為近水平煤層，地質(zhì)構(gòu)造簡單，直接頂為0.77 m 厚的泥巖，基本頂為31.26 m 厚的細粒砂巖，直接底為6.10 m 厚的砂質(zhì)泥巖，基本底為9.25 m 厚的粉砂巖。據(jù)該礦沖擊傾向性鑒定報告，2-2 上煤層單軸抗壓強度為17.6 MPa，具有弱沖擊傾向性，頂板和底板均為弱沖擊傾向性。開采期間安裝有波蘭開發(fā)的SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)[8]。據(jù)水文地質(zhì)勘探結(jié)果可知，06 工作面煤層頂板上方存在一定厚度的直羅組含水層，富水區(qū)不均勻分布在工作面上方，共存在4 處富水區(qū)，06 工作面頂板富水區(qū)分布圖如圖1。工作面巷道掘進期間已施工疏水孔提前進行疏水工作。

2019 年10 月10 日19：00，06 工作面正常生產(chǎn)時發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)，現(xiàn)場有大煤炮聲，工作面煤壁有明顯大片幫，工作面前方頂板大量掉渣，巷幫部分漏網(wǎng)。此時，SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到4.0×105J 的大能量事件（震源1），于20:06 又1 次監(jiān)測到1.13×105J 的大能量微震事件（震源2），現(xiàn)場除有煤炮聲之外還存在頂板少量掉渣。

圖1 06 工作面頂板富水區(qū)分布圖Fig.1 Distribution plan of sandstone water-rich area on roof of 06 working face

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)生沖擊顯現(xiàn)時06 工作面3 d 內(nèi)回采速度平均達到7.2 m/d，且處于富水區(qū)疏水影響范圍內(nèi)。初步分析認為，此次沖擊顯現(xiàn)的主要原因為：工作面回采速度過快導(dǎo)致超前應(yīng)力集中程度加大，當其經(jīng)過富水區(qū)時，超前支承壓力與疏水轉(zhuǎn)移應(yīng)力相疊加使得應(yīng)力高度集中，誘發(fā)工作面發(fā)生煤壁大片幫等沖擊現(xiàn)象。

2 頂板疏水快速回采工作面沖擊地壓機理

2.1 疏水前后應(yīng)力分布規(guī)律

頂板存在富水區(qū)的工作面開采過程中將會面臨突水潰砂等頂板水害威脅[9]，因此需在工作面回采前即進行頂板的疏水工作，以保證工作面的安全高效開采。據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測和相關(guān)研究可知[6-7]，頂板富水區(qū)疏水后相當于開采了1 個“類解放層”，將會引起煤層及頂板原巖應(yīng)力的重新分布。

為分析疏水前后應(yīng)力分布規(guī)律，以該礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，采用FLAC3D建立相應(yīng)數(shù)值模型分析不同回采速度過疏水影響區(qū)時應(yīng)力演化規(guī)律，模型尺寸為400 m×10 m×120 m（長×寬×高），邊界采用位移約束進行固定，頂部施加14 MPa 均布載荷代替上方560 m 巖層，整體服從Mohr-Coulomb 準則[10]。

為方便計算，模擬過程中假設(shè)富水區(qū)疏水相當于巖層力學(xué)性質(zhì)損傷，富水區(qū)走向?qū)挾?0 m。富水區(qū)疏水前后煤層頂板的垂直應(yīng)力分布曲線如圖2?？梢钥闯?，富水區(qū)疏水后引起煤層及頂板原巖應(yīng)力的重新分布，形成增壓區(qū)和卸壓區(qū)，即疏水區(qū)域內(nèi)煤層及頂板應(yīng)力降低為卸壓區(qū)，區(qū)域邊緣出現(xiàn)應(yīng)力集中程度較高的為增壓區(qū)，仍存在一定范圍的疏水影響區(qū)，影響范圍之外為原巖應(yīng)力區(qū)。

2.2 不同回采速度過疏水影響區(qū)支承壓力

圖2 疏水前后煤層頂板垂直應(yīng)力分布Fig.2 Vertical stress distribution of coal seam roof before and after drainage

在此基礎(chǔ)上，以不同回采速度從富水區(qū)一側(cè)50 m 外回采至富水區(qū)另一側(cè)50 m 外，回采速度分別為4、6、8、10 m/d，研究不同回采速度回采至疏水增壓區(qū)和卸壓區(qū)時工作面超前支承壓力分布規(guī)律。

1）不同回采速度過疏水增壓區(qū)模擬分析。疏水后不同回采速度推采至距疏水增壓區(qū)應(yīng)力峰值附近10 m 處的應(yīng)力分布云圖如圖3。疏水后增壓區(qū)不同回采速度下超前支承壓力分布曲線如圖4。其中判斷線為煤體發(fā)生沖擊的應(yīng)力判斷線，取值為煤體單軸抗壓強度的1.5 倍[11]，約為26.4 MPa。可以看出，受富水區(qū)疏水增壓的影響，回采速度從低到高對應(yīng)的超前支承壓力峰值分別為25.23、27.51、29.43、31.31 MPa，說明隨著回采速度的提升，其經(jīng)過疏水增壓區(qū)時形成的應(yīng)力集中程度越高。同時當回采速度為4 m/d 時，應(yīng)力峰值未超過沖擊判斷線，而當回采速度等于或超出6 m/d 時，應(yīng)力峰值超過沖擊判斷線，已滿足發(fā)生沖擊的應(yīng)力條件。

2）不同回采速度過疏水卸壓區(qū)模擬分析。疏水后卸壓區(qū)不同回采速度下超前支承壓力分布曲線如圖5。可以看出，推采速度與支承壓力峰值仍成正相關(guān)關(guān)系，但是相較于疏水增壓區(qū)而言，峰值明顯降低，且由于疏水產(chǎn)生的卸壓效應(yīng)，當回采速度達到8 m/d 時，應(yīng)力峰值才滿足發(fā)生沖擊的臨界應(yīng)力條件。

由上述分析可知，頂板富水區(qū)疏水后形成增壓區(qū)與卸壓區(qū)，當工作面快速回采經(jīng)過疏水形成的增壓區(qū)時，應(yīng)力疊加相比慢速回采易超過發(fā)生沖擊地壓的臨界值，誘發(fā)回采工作面發(fā)生沖擊。

3 現(xiàn)場監(jiān)測和沖擊地壓防治措施

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測

2019 年9 月19 日至10 月23 日06 工作面日進尺與日微震能量變化關(guān)系圖如圖6。該段時間06工作面4 次方以上微震事件平面投影圖如圖7。

圖3 疏水后不同回采速度下應(yīng)力分布云圖Fig.3 Stress distribution cloud map after drainage with different mining speeds

圖4 增壓區(qū)不同回采速度下超前支承壓力分布曲線Fig.4 Lead abutment pressure distribution curves of pressurized area at different mining speeds

圖5 卸壓區(qū)不同回采速度下超前支承壓力分布曲線Fig.5 Lead abutment pressure distribution curves of unloading area at different mining speeds

圖6 06 工作面日進尺與微震能量變化曲線Fig.6 Curves of daily advance and microseismic energy

由圖6 可以看出，9 月19 日至10 月4 日工作面回采過I 區(qū)域，其全處于富水區(qū)下方，隨著回采速度的提升微震能量變化不大，即使期間回采速度最大達到8.8 m/d，但單日微震總能量和最大能量依然處于較低水平。10 月5 日至10 月23 日工作面回采過II 區(qū)域，工作面大面積處于疏水增壓區(qū)，相比I 區(qū)域，10 月14 日之前回采速度的加快造成了微震單日最大能量和微震總能量的顯著增加，10 月14 日之后隨著回采速度降低至4 m/d 以下微震能量明顯降低。圖7 中黑色框線為工作面進尺，可以看出微震事件多集中于疏水形成的增壓區(qū)內(nèi)，說明工作面推進至該區(qū)域煤體上方集中程度較高，從而導(dǎo)致了10月10 日工作面發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)。

3.2 疏水影響范圍內(nèi)的防沖措施

1）增壓區(qū)卸壓鉆孔加密。具有沖擊危險性的工作面回采前，已提前對劃分的沖擊地壓危險區(qū)施工了大直徑預(yù)卸壓鉆孔，但為保證巷道圍巖在疏水增壓區(qū)處于“低應(yīng)力”狀態(tài)。仍需根據(jù)物探資料確定的富水區(qū)邊緣前方100 m 對卸壓鉆孔進行加密施工。

2）增壓區(qū)頂板預(yù)斷頂。在工作面2 條巷道疏水增壓區(qū)前后50 m 范圍內(nèi)進行水壓致裂或爆破致裂預(yù)斷頂，以降低工作面過疏水增壓區(qū)時基本頂?shù)膽翼斣斐傻摹?/p>

3）疏水影響區(qū)域補強支護。為減緩圍巖變形速率、減小圍巖變形量，在富水區(qū)域邊緣超前100 m范圍內(nèi)對巷道幫部和頂板進行補強支護，并各增1排單元支架，提高超前被動支護強度。

4）加強監(jiān)測。針對疏水形成的增壓區(qū)，在疏水影響范圍前后100 m 范圍內(nèi)將應(yīng)力測點組間距由25 m 變更至20 m，增加測點數(shù)，并在此區(qū)域提高鉆屑法檢測頻率，同時結(jié)合微震監(jiān)測進行預(yù)警，有任一指標預(yù)警則及時停止回采并進行解危。

5）疏水影響范圍內(nèi)回采速度階段調(diào)整。根據(jù)頂板疏水快速回采工作面沖擊地壓機理可知，降低回采速度可以有效降低工作面在疏水增壓區(qū)的應(yīng)力集中程度，但一味地降低回采速度會造成經(jīng)濟的巨大損失。為兼顧資源使用、經(jīng)濟發(fā)展和安全生產(chǎn)，可在疏水影響區(qū)域進行回采速度的階段調(diào)整。

根據(jù)數(shù)值模擬和微震監(jiān)測可知，當工作面回采疏水增壓區(qū)時，回采速度不超過4 m/d 時應(yīng)力水平達不到發(fā)生沖擊的基本條件且日微震能量也處于較低水平。當工作面回采疏水卸壓區(qū)時，回采速度提升至8 m/d 時，應(yīng)力峰值才達到發(fā)生沖擊的臨界值，但現(xiàn)場微震監(jiān)測表明此時釋放能量仍處于較低水平。因此當回采疏水卸壓區(qū)時，可將回采速度階段調(diào)整為不超過8 m/d，既可以滿足產(chǎn)量需求又可以滿足安全開采需求。

4 結(jié) 語

1）通過數(shù)值模擬研究頂板富水區(qū)疏水前后應(yīng)力分布規(guī)律，得到疏水后引起煤層及頂板原巖應(yīng)力的重新分布，形成增壓區(qū)和卸壓區(qū)。

2）當工作面快速回采經(jīng)過疏水形成的增壓區(qū)時，應(yīng)力疊加相比慢速回采易超過發(fā)生沖擊地壓的臨界值，誘發(fā)回采工作面發(fā)生沖擊。

3）提出疏水增壓區(qū)內(nèi)加密卸壓鉆孔、預(yù)斷頂、補強支護、加強監(jiān)測和疏水影響范圍內(nèi)回采速度階段調(diào)整的防沖措施，并指出回采疏水增壓區(qū)時回采速度應(yīng)控制在不超過4 m/d，回采疏水卸壓區(qū)時回采速度階段調(diào)整為不超過8 m/d。