回采工作面巷道沖擊危險趨于定量分析及應(yīng)用

陳廣堯 高 山 劉 超

（微山金源煤礦，山東 濟(jì)寧 277600）

據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計[1]，工作面巷道中的沖擊地壓事故占比超過了90%，此類事故具有隱蔽性強(qiáng)、沖擊范圍廣、可修復(fù)性差等顯著特點(diǎn)[2-3]。影響微山金源煤礦43上03 回采工作面巷道沖擊地壓的主要因素：自重與采動應(yīng)力耦合誘發(fā)的沖擊，過不規(guī)則工作面等區(qū)域造成局部應(yīng)力集中區(qū)誘發(fā)的沖擊，工作面初次來壓、工作面見方等上方厚硬巖層斷裂、覆巖運(yùn)動誘發(fā)的沖擊。這些因素有可能組合在一起，相互作用。因此，筆者基于影響沖擊地壓發(fā)生的“應(yīng)力”這一關(guān)鍵指標(biāo)[4]，根據(jù)43上03 工作面實(shí)際情況，開展回采工作面沖擊危險區(qū)趨于定量分析及應(yīng)用等方面的探索。

1 工程背景

微山金源煤礦43上03 工作面四周均為實(shí)體煤，平均采深500 m，傾斜長138～200 m，走向長225～300 m。工作面呈“刀把形”，西側(cè)為回風(fēng)巷，東側(cè)為進(jìn)風(fēng)巷，總體呈一單斜構(gòu)造，傾角平均10°，后退式傾向長壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面巷道布置如圖1。開采3上煤層，厚約2.3 m，頂板以泥巖、粉砂巖為主，基本頂為中砂巖（厚為7.22 m），底板以粉砂巖為主，基本底為粉砂巖（厚為1.59 m）。3上煤弱沖擊傾向性，煤層單軸抗壓強(qiáng)度約8.56 MPa，頂板弱沖擊傾向性，底板無沖擊傾向性。

圖1 43上03 工作面巷道平面布置圖

2 回采工作面巷道沖擊危險區(qū)趨于定量分析原理

工作面在回采期間，與工作面巷道沖擊地壓有關(guān)的主要應(yīng)力為“基礎(chǔ)應(yīng)力”、“應(yīng)力增量”和“沖擊地壓臨界應(yīng)力”，物理意義和理論估算如下：

（1）基礎(chǔ)應(yīng)力。不考慮斷層等構(gòu)造因素情況下，工作面巷道自重應(yīng)力與相鄰采空區(qū)覆巖轉(zhuǎn)移應(yīng)力等形成的疊加應(yīng)力（靜態(tài)），首采工作面（兩側(cè)為實(shí)體煤）情況下基礎(chǔ)應(yīng)力與自重應(yīng)力一致，小區(qū)段煤柱沿空工作面條件下基礎(chǔ)應(yīng)力與自重應(yīng)力存在一定差異，可以通過自重和采空區(qū)疊加后的工作面“當(dāng)量采深”進(jìn)行估算。H'表示工作面的“當(dāng)量采深”[5]，單位為m；γ表示覆巖容重，單位為kN/m3；則工作面巷道的基礎(chǔ)應(yīng)力為σj=γH'，單位為MPa。

（2）應(yīng)力增量。工作面正常回采期能夠造成工作面上覆各級厚硬關(guān)鍵層破斷和覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動，甚至產(chǎn)生礦震（動載），容易形成工作面巷道煤巖體的應(yīng)力突然升高。假設(shè)礦震或動載造成巷道圍巖升高應(yīng)力用σa表示，單位為MPa，開采經(jīng)驗(yàn)表明σa是動態(tài)的且與靜態(tài)的基礎(chǔ)應(yīng)力σj存在一定的關(guān)系σa=k·σj，單位為MPa，其中應(yīng)力增量系數(shù)為k＞0 的無量綱常數(shù)。

（3）沖擊地壓臨界應(yīng)力。以影響巷道煤巖沖擊的單軸抗壓強(qiáng)度為主要參數(shù)，設(shè)煤層單軸抗壓強(qiáng)度為[σ]，單位為MPa，得到誘發(fā)巷道發(fā)生沖擊的臨界應(yīng)力為K[σ]，或表述為發(fā)生弱沖擊、中等沖擊、強(qiáng)沖擊地壓臨界應(yīng)力分別為K1[σ]、K2[σ]和K3[σ]，無量綱常數(shù)K或K1、K2、K3根據(jù)不同礦井或工作面實(shí)際情況取值，一般K≥1.0、

K1=1.0～1.5、K2=1.5～2.0、K3=2.0～2.5[6]。

假設(shè)開采條件相對穩(wěn)定，工作面巷道的基礎(chǔ)應(yīng)力基本不變，巷道的應(yīng)力增量主要與厚硬巖層破斷和覆巖運(yùn)動形成的動載有關(guān)，沖擊地壓臨界應(yīng)力與巷道煤體的沖擊傾向性關(guān)系密切。如果工作面巷道基礎(chǔ)應(yīng)力低、煤巖單軸抗壓強(qiáng)度較高，同時工作面回采關(guān)鍵層破斷和覆巖運(yùn)動誘發(fā)的應(yīng)力增量不明顯，此條件下工作面正常推采過程中巷道基礎(chǔ)應(yīng)力和應(yīng)力增量的疊加應(yīng)力不會超過巷道沖擊臨界應(yīng)力，發(fā)生巷道沖擊的可能性較小。如果工作面巷道基礎(chǔ)應(yīng)力較高、煤巖單軸抗壓強(qiáng)度相對較低，同時工作面回采關(guān)鍵層破斷和覆巖運(yùn)動誘發(fā)的應(yīng)力增量明顯，這種條件下工作面正常推采過程中巷道基礎(chǔ)應(yīng)力、應(yīng)力增量單個應(yīng)力或基礎(chǔ)應(yīng)力與應(yīng)力增量的疊加應(yīng)力能夠達(dá)到巷道沖擊臨界應(yīng)力，易滿足巷道沖擊的基本條件，如圖2 所示。

圖2 工作面巷道沖擊危險趨于定量分析原理圖

回采工作面巷道沖擊危險趨于定量分析原理描述為：回采工作面巷道的基礎(chǔ)應(yīng)力（靜態(tài)）和開采厚硬關(guān)鍵層破斷及覆巖空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等形成應(yīng)力增量（動態(tài)）的疊加應(yīng)力，如果疊加應(yīng)力整體上超過巷道沖擊地壓臨界應(yīng)力時，既滿足工作面巷道圍巖沖擊力學(xué)條件，近似為

式中：σ為回采工作面巷道煤巖疊加應(yīng)力，MPa。

根據(jù)K=K1、K2、K3不同取值以及σ/K[σ]結(jié)果，進(jìn)行工作面巷道沖擊危險趨于定量分析。

3 43上03 回采工作面巷道沖擊危險趨于定量分析結(jié)果

3.1 工作面巷道的“基礎(chǔ)應(yīng)力”估算

43上03 回采工作面在已知兩條巷道實(shí)際埋深H情況下，順槽的基礎(chǔ)應(yīng)力按照σj=γH'=γH估算，取上覆巖層平均容重γ=25 kN/m3，采深H=500 m，則進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)巷基礎(chǔ)應(yīng)力平均0.025×500=12.5 MPa。

3.2 工作面巷道的“應(yīng)力增量”估算

（1）初次來壓應(yīng)力增量。43上03 工作面初采階段基本頂初次來壓時的超前切眼影響距離約20～40 m，影響范圍接近40 m，工作面兩巷應(yīng)力增量系數(shù)k 取0.3。

（2）周期來壓應(yīng)力增量。43上03 工作面基本頂周期來壓顯現(xiàn)較初次來壓相對較弱，來壓期間可能對支架、圍巖等產(chǎn)生輕微的動載或沖擊現(xiàn)象，此項(xiàng)工程上可以忽略。

（3）工作面見方應(yīng)力增量。43上03 工作面兩側(cè)均為實(shí)體煤，當(dāng)工作面推進(jìn)至見方后（工作面推采距切眼約200 m），老頂上方的高位巖梁逐漸形成O 型覆巖空間結(jié)構(gòu)，分析工作面推采過程覆巖運(yùn)動形成的O 型覆巖空間結(jié)構(gòu)時沖擊影響范圍，工作面見方前、后各30 m，工作面兩巷應(yīng)力增量系數(shù)k取0.3。相應(yīng)的分析預(yù)測區(qū)域如圖3。

圖3 初次來壓、工作面見方等巷道沖擊影響區(qū)分布

3.3 回采工作面巷道疊加應(yīng)力估算

工作面正?；夭蛇^程中兩巷應(yīng)力增量平均取0.2，則43上03 工作面進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)巷疊加應(yīng)力范圍：0.025×500×[1+（0.2～0.3）]=15～16 MPa。計 算 結(jié)果表明，工作面初次來壓、工作面見方等期間巷道疊加應(yīng)力最大約為16 MPa，如圖3 相應(yīng)區(qū)域沖擊危險性較大。

3.4 回采工作面巷道沖擊危險區(qū)劃分

根據(jù)上述分析，巷道弱、中等、強(qiáng)沖擊臨界判據(jù)是43上03 工作面煤體單軸抗壓強(qiáng)度的K1=1.5、K2=2.0、K3=2.5 倍，數(shù)值分別約13 MPa、17 MPa、21 MPa，采用橢圓代表弱、中等、強(qiáng)沖擊危險區(qū)，根據(jù)43上03 工作面進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)巷疊加應(yīng)力與巷道弱、中等、強(qiáng)沖擊地壓臨界應(yīng)力對應(yīng)比值關(guān)系，確定回采工作面兩巷均為弱沖擊地壓危險，重點(diǎn)沖擊危險區(qū)為初次來壓、工作面見方和不規(guī)則工作面對應(yīng)的巷道區(qū)域，如圖4。

圖4 43上03 回采工作面巷道沖擊危險區(qū)劃分

4 沖擊事件實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

以工作面初采階段微震監(jiān)測未出現(xiàn)105J 大能量事件，微震顯示初采來壓影響范圍達(dá)到40 m，事件顯示工作面在“不規(guī)則”區(qū)域的影響范圍達(dá)到15 m，104J 事件在回風(fēng)巷一側(cè)分布且相對集中，監(jiān)測表明工作面巷道處于無～弱沖擊危險。應(yīng)力監(jiān)測回風(fēng)巷應(yīng)力集中在2～7 MPa，低于沖擊地壓應(yīng)力監(jiān)測預(yù)警值，但監(jiān)測的高應(yīng)力主要集中在距離切眼30～90 m范圍，這些區(qū)域主要在回風(fēng)巷初次來壓和不規(guī)則工作面附近，監(jiān)測表明工作面回風(fēng)巷處于無～弱沖擊危險。

初采階段微震和應(yīng)力監(jiān)測反映的能量、應(yīng)力影響程度及區(qū)域，與理論分析的重點(diǎn)沖擊區(qū)域吻合，同時工作面兩巷均處于無～弱沖危險，現(xiàn)場監(jiān)測進(jìn)一步驗(yàn)證了分析結(jié)果的合理性，如圖5。

圖5 現(xiàn)場微震和應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)語

（1）影響回采工作面巷道沖擊的主要應(yīng)力：基礎(chǔ)應(yīng)力、應(yīng)力增量和沖擊地壓臨界應(yīng)力。基礎(chǔ)應(yīng)力是靜態(tài)應(yīng)力，應(yīng)力增量是動態(tài)應(yīng)力，沖擊地壓臨界應(yīng)力與煤層單軸抗壓強(qiáng)度有關(guān)。

（2）回采工作面巷道圍巖沖擊的力學(xué)表達(dá)式為σ=（1+k）σj≥K[σ]，通過對回采工作面巷道的基礎(chǔ)應(yīng)力、應(yīng)力增量和沖擊地壓臨界應(yīng)力進(jìn)行合理取值估算，能夠?qū)崿F(xiàn)工作面巷道無、弱、中等和強(qiáng)沖擊危險性（區(qū)）的趨于定量分析。

（3）研究方法和結(jié)果指導(dǎo)了43上03 回采工作面巷道沖擊危險性（區(qū)）分析，得到兩巷具有弱沖擊危險，確定了工作面初次來壓、見方等重點(diǎn)沖擊危險區(qū)域，通過回采期間微震、應(yīng)力監(jiān)測，表明回采工作面沖擊危險趨于定量分析方法具有合理性。