煤礦井下頂板疏水綜采面沖擊地壓原因分析及治理

王衛(wèi)宏

（山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西 長治 046000）

三元煤業(yè)井下綜采面煤層埋深為730 m，煤層平均厚度為9.14 m，煤層的平均傾斜角為2.7°，煤層的傾向長度為400 m，采用了長壁綜放采煤法。煤層的直接頂為泥巖，基本頂為細砂巖，直接底為砂質(zhì)泥巖，基本底為粉砂巖，地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對簡單。根據(jù)沖擊地壓監(jiān)測報告，該煤層的單軸抗壓強度為16.7 MPa，具有較強的沖擊傾向性，在綜采面頂板上方存在著較深的含水層，共4 處富水區(qū)，且分布不均勻。

在綜采作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)地壓沖擊現(xiàn)象，根據(jù)微震監(jiān)測儀[1]的監(jiān)測結(jié)果，其能量沖擊約為3.8×105J，現(xiàn)場觀測存在頂板開裂及掉渣現(xiàn)象。此時綜采面的回采速度約為7.9 m/d，而且正處在富水區(qū)疏水的區(qū)域中。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，以理論分析為基礎(chǔ)，以仿真分析模擬為核心，對不同回采速度下頂板疏水區(qū)域超前支護承壓變化情況進行分析，最終確定產(chǎn)生地壓沖擊的主要原因在于綜采面的回采速度過快，導(dǎo)致了超前應(yīng)力集中，而且在富水區(qū)域存在疏水轉(zhuǎn)移應(yīng)力，兩者疊加導(dǎo)致了應(yīng)力超標，因此導(dǎo)致了綜采面頂板的開裂及掉渣現(xiàn)象。根據(jù)分析結(jié)果針對性地提出了加密增壓區(qū)的泄壓鉆孔、加強疏水區(qū)域的補強支護等方案，為解決沖擊地壓提供了新的思路，目前已在多個煤礦投入應(yīng)用，取得了極好的效果。

1 頂板疏水區(qū)綜采面沖擊地壓應(yīng)力分析

頂板進行輸水處理后將導(dǎo)致疏水區(qū)域的應(yīng)力重新分布[2]，為了對不同綜采速度下對應(yīng)力分布的影響進行研究，項目團隊引入了FLAC 應(yīng)力分析軟件[3]，建立了尺寸為500 m×50 m×100 m 的分析模型，在模型邊界采用了位移約束固定，在頂板上施加了16.7 MPa的均布載荷（井下實測數(shù)據(jù)）。當疏水后，在頂板內(nèi)形成了一個增壓區(qū)和一個卸壓區(qū)，其中增壓區(qū)主要出現(xiàn)在疏水區(qū)邊緣處，卸壓區(qū)主要在疏水區(qū)域中間位置[4]。

為了對綜采速度不同時的應(yīng)力分布規(guī)律進行研究，模擬常用的4 m/d、6 m/d、8 m/d、10 m/d 四種綜采速度下疏水區(qū)域的應(yīng)力分布情況，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同作業(yè)速度下增壓區(qū)的應(yīng)力分布云圖

由圖1 可知，圖中的判斷線是巷道頂板的最大承受應(yīng)力的安全值，一般為煤層抗壓強度的1.6 倍，約為26.7 MPa。通過仿真分析，在回采作用下，巷道頂板所受的垂直應(yīng)力均先增加，然后隨著距離工作面距離的增加而降低。當綜采作業(yè)速度大于4 m/d 時，應(yīng)力集中值均會超過巷道頂板的判斷線，從而引起地壓沖擊，導(dǎo)致巷道頂板的受損。

不同的回采速度下卸壓區(qū)超前支撐壓力分布曲線如圖2 所示。

圖2 不同作業(yè)速度下超前支撐壓力分布曲線圖

由圖2 可知，在卸壓區(qū)，井下綜采作業(yè)速度和作用在頂板上的垂直應(yīng)力變化情況呈正比，作業(yè)速度越快，作用在頂板上的垂直應(yīng)力越大，對頂板穩(wěn)定性的影響就越大。但應(yīng)力峰值明顯小于在增壓區(qū)的峰值，此時當作業(yè)速度超過8 m/d 的情況下，才會對頂板的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

由對比分析結(jié)果可知，頂板富水區(qū)域在經(jīng)過疏水區(qū)后會形成應(yīng)力增壓區(qū)和應(yīng)力卸壓區(qū)，當綜采作業(yè)速度過快時，產(chǎn)生的綜采擾動和增壓區(qū)的垂直應(yīng)力相疊加，就極易超過巷道頂板的臨界承受值，影響巷道穩(wěn)定性。

2 現(xiàn)場監(jiān)測及沖擊地壓仿真分析方案

對井下2021 年9 月18 日到10 月23 日的綜采作業(yè)速度、微震能量變化進行監(jiān)測，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 綜采速度與微震能量關(guān)系曲線

由監(jiān)測結(jié)果可知，在2021 年9 月19 日到10 月4 日期間，綜采區(qū)域在富水區(qū)的下側(cè)，綜采速度的變化對綜采過程中的微震能量的變化影響不大。從10月5 日到10 月23 日期間，綜采面處于疏水的增壓區(qū)域，此時綜采速度的變化對微震能量的影響開始增加。當日進尺達到7.8 m/d 時，日微震總能量最大達到了1 154 kJ；當日進尺達降低到4 m/d 時，微震能量顯著降低。

由此證明了仿真分析的正確性，頂板的損壞是由于綜采擾動和增壓區(qū)的垂直應(yīng)力相疊加，超過巷道頂板的臨界承受值導(dǎo)致的。針對煤礦井下頂板疏水綜采面沖擊地壓產(chǎn)生的原因，結(jié)合井下的實際情況，本文提出了一系列的措施防止沖擊地壓的產(chǎn)生，主要包括在增壓區(qū)加密卸壓鉆孔、在疏水區(qū)補強支護、在增壓區(qū)進行頂板預(yù)斷、適當降低綜采速度等[5]。

1）增壓區(qū)加密卸壓孔。為了保證綜采作業(yè)地順利進行，降低增壓區(qū)應(yīng)力的影響，在地質(zhì)勘探后提前對增壓區(qū)設(shè)置卸壓孔，降低增壓區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。

2）疏水區(qū)補強支護。為了減少在應(yīng)力疊加下頂板的變形情況，在疏水區(qū)域的增壓區(qū)各增設(shè)一排單元架，從而有效提升超前被動支護的強度。

3）增壓區(qū)進行頂板預(yù)斷。在增壓區(qū)前后進行頂板預(yù)斷，階段應(yīng)力傳播的途徑，降低在過增壓區(qū)時對應(yīng)力疊加的影響。

4）降低回采速度。利用仿真分析方案，對增壓區(qū)最大允許綜采速度進行限制，保證其綜采擾動和增壓區(qū)應(yīng)力疊加值小于頂板的可承受值，提高巷道穩(wěn)定性。

3 實施效果

在2021 年10 月29 日按上述措施進行優(yōu)化后，進行綜采過程中的微震能量監(jiān)測，結(jié)果表明從優(yōu)化后到2021 年12 月30 日，在過疏水增壓區(qū)的過程中未再出現(xiàn)過巷道頂板開裂及掉渣現(xiàn)象，有效地提升了巷道在綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）頂板區(qū)域疏水后增壓區(qū)和沖擊應(yīng)力疊加超過了沖擊地壓的臨界值是導(dǎo)致巷道頂板變形的主要原因；

2）綜采速度越快，在巷道掘進過程中產(chǎn)生的擾動應(yīng)力就越大；

3）在增壓區(qū)加密卸壓鉆孔、在疏水區(qū)補強支護、在增壓區(qū)進行頂板預(yù)斷、適當降低綜采速度，能夠有效降低井下綜采作業(yè)時的沖擊地壓，提高巷道穩(wěn)定性。