郭屯礦2303 工作面沖擊地壓防控技術(shù)研究

張 泉，鄭義寧

（兗礦能源集團(tuán)股份有限公司 東灘煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

0 引 言

沖擊地壓是采掘工作面煤巖體積聚的彈性變形能突然釋放，產(chǎn)生強(qiáng)烈震動，造成煤巖體劇烈破壞的動力災(zāi)害[1-2]。隨著我國煤礦開采深度和強(qiáng)度的不斷增大，煤礦面臨的沖擊地壓威脅日益嚴(yán)重[3-4]。影響煤礦沖擊地壓的因素眾多，發(fā)生機(jī)理不一，造成沖擊地壓具有復(fù)雜性和不確定性，因此有必要對礦井沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)防。

目前諸多專家學(xué)者對沖擊地壓進(jìn)行了大量的研究，朱斯陶等[5]通過理論分析和現(xiàn)場實(shí)測對整體失穩(wěn)型沖擊地壓進(jìn)行了分類，并給出了防控措施；吳學(xué)松等[6]提出了運(yùn)用建立、完善煤礦礦井沖擊地壓防控體系的方法，實(shí)現(xiàn)零沖擊目標(biāo)管理，構(gòu)建了八管控要點(diǎn)的沖擊地壓防控體系；曹安業(yè)等[7]針對煤礦應(yīng)用背景構(gòu)建了反演矩陣，統(tǒng)計(jì)分析了礦震破裂機(jī)制與震源參量的響應(yīng)規(guī)律。

本文以郭屯礦2303 工作面為背景，通過分析郭屯煤礦2303 工作面沖擊地壓主控因素，提出了針對性的防控措施，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。研究成果對于同類型條件下的沖擊地壓防控具有重要意義。

1 概 況

郭屯煤礦2303 工作面為二采區(qū)第三個(gè)工作面，工作面寬約260 m，回采推進(jìn)長度約840 m；地面標(biāo)高+41.6—+45.4 m，工作面標(biāo)高-670—-770 m，最大埋深815 m；煤層厚度5.0～7.9 m，平均厚度6.3 m，煤層傾角0～18°；工作面受埋深大、頂板堅(jiān)硬、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜（斷層、褶曲等）、高地應(yīng)力等因素影響，整體評價(jià)為中等沖擊危險(xiǎn)，工作面布置如圖1 所示。

圖1 2303 工作面布置示意Fig.1 Layout of No.2303 Face

截至2022 年11 月10 日中班，工作面已推采513.4 m，剩余326.6 m。2022.11.1～ 2022.11.10 日累計(jì)推進(jìn)23.38 m，2022.11.4～ 2022.11.10 日累計(jì)推進(jìn)17.45 m，一周內(nèi)平均推采速度為2.49 m/d。工作面軌道順槽處于中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)；膠帶順槽處于弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)。工作面受自重應(yīng)力、采動應(yīng)力、采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力、周期來壓及工作面雙“見方”等因素疊加影響，存在沖擊風(fēng)險(xiǎn)。

2 2303 工作面沖擊地壓主控因素分析

根據(jù)2303 工作面具體開采條件，深入分析工作面采深、頂板巖層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、煤巖體力學(xué)特性等不同影響因素對沖擊危險(xiǎn)的影響程度。

2.1 采深因素

根據(jù)沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力準(zhǔn)則，當(dāng)煤體中的垂直應(yīng)力為煤體單軸抗壓強(qiáng)度的1.5 倍，煤體就具備了發(fā)生沖擊地壓的應(yīng)力條件，對應(yīng)的埋深為臨界沖擊深度，具體見式（1）。

式中：Hn為埋深，m；kn為應(yīng)力集中系數(shù)；γ 為巖層平均容重。

根據(jù)郭屯煤礦2303 工作面具體條件，帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，可得工作面發(fā)生沖擊危險(xiǎn)的臨界采深為538 m，而2303 工作面實(shí)際開采深度標(biāo)高為-670—-770 m。因此，已具備沖擊地壓發(fā)生的深度條件。

2.2 頂板巖層結(jié)構(gòu)因素

郭屯煤礦2303 工作面上覆第四系與新近系以松散層為主，厚度在500～ 650 m，其下為石盒子組巖層，厚度在120～ 200 m，以泥巖、粉砂巖為主，巖性較為松軟。當(dāng)深厚表土工作面推采距離較短時(shí)，由于基巖的承載作用，厚表土層能夠獨(dú)立向工作面前方傳遞應(yīng)力；當(dāng)關(guān)鍵層發(fā)生斷裂回轉(zhuǎn)下沉?xí)r，厚表土層無法繼續(xù)獨(dú)立向煤壁前方更遠(yuǎn)處傳遞載荷。加之，松散層自身性質(zhì)無法形成穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，此時(shí)采場上覆巖層載荷壓力作用點(diǎn)分布在底部斷裂的基巖上，其上覆巖層形成的倒梯形結(jié)構(gòu)內(nèi)介質(zhì)重量將以均載荷的形式作用于斷裂基巖上部，導(dǎo)致煤體前方超前支承壓力劇烈提升，此時(shí)容易誘發(fā)沖擊地壓，如圖2 所示。

由式（9）同理可得到香港股市的代理變量恒生指數(shù)的日收益率，并將“深港通”開通前的深證成指日收益率及香港恒生指數(shù)日收益率分別定義為QRSZ、QRHS，“深港通”開通后的深成指數(shù)及香港恒生指數(shù)的日收益率分別定義為HRSZ、HRHS，統(tǒng)計(jì)分析軟件為WINRATS8.0和EVIEWS8.0。

圖2 厚表土應(yīng)力傳遞示意Fig.2 Stress transmission of thick topsoil

2.3 地質(zhì)構(gòu)造因素

在褶曲、斷層以及相變等較為明顯的地質(zhì)構(gòu)造附近，其構(gòu)造殘余應(yīng)力一般較大，從而增大了沖擊地壓發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。2303 工作面地處華北板塊與魯西隆起，主要受控于以單斜構(gòu)造為主導(dǎo)的斷裂帶。其中，近EW 向斷裂構(gòu)造規(guī)模較大，以斷面平直、延伸遠(yuǎn)的凸起和凹陷為主體；此外，區(qū)域內(nèi)還大量發(fā)育NE～NNE 和EW 向褶皺，使得整體構(gòu)造應(yīng)力場更為復(fù)雜。根據(jù)郭屯煤礦二采區(qū)的地應(yīng)力研究結(jié)果，其最大主應(yīng)力大小為35.02～35.04 MPa，平均值為35.03 MPa，約為自重應(yīng)力的1.78～1.83 倍，因此，發(fā)生沖擊地壓的可能性較大。

2.4 煤巖體的力學(xué)特性

生產(chǎn)實(shí)踐和試驗(yàn)研究表明，當(dāng)煤巖體的強(qiáng)度較小時(shí)，引發(fā)沖擊地壓所需應(yīng)力條件就越高。2303工作面的煤體強(qiáng)度在9.87～28.3 MPa，總體強(qiáng)度較低；加之，部分厚煤層有軟弱夾矸結(jié)構(gòu)，積聚彈性能的屬性相對較弱，因此，該因素影響下發(fā)生沖擊地壓的可能性較小。

綜上所述，對2303 工作面而言，其沖擊災(zāi)害的主控因素排序?yàn)殚_采深度因素＞頂板巖層結(jié)構(gòu)因素＞地質(zhì)構(gòu)造因素＞煤巖體力學(xué)性質(zhì)因素。

3 2303 工作面沖擊地壓防控技術(shù)

3.1 2303 工作面沖擊地壓防控原則

針對郭屯煤礦2303 工作面的沖擊地壓具體影響因素，提出如下防控原則。

（1）加強(qiáng)工作面超前支護(hù)強(qiáng)度管理，確保單元支架初撐力不小于16 MPa，支護(hù)長度不低于120 m；并且嚴(yán)格落實(shí)工作面限員管理。

（2）合理控制推進(jìn)速度，中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)每天不超過3.2 m/d；加強(qiáng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取有針對性的措施。

（3）定期排查超前應(yīng)力集中區(qū)卸壓孔塌孔情況，發(fā)現(xiàn)連續(xù)3 個(gè)出現(xiàn)嚴(yán)重塌孔現(xiàn)象，及時(shí)進(jìn)行套孔或二次卸壓，提供低應(yīng)力開采環(huán)境。

3.2 2303 工作面沖擊地壓具體防控措施

為應(yīng)對2303 工作面的沖擊危險(xiǎn)，根據(jù)上述防控原則，結(jié)合具體開采條件提出如下防控措施。防控支護(hù)方案如圖3 所示。

圖3 2303 工作面沖擊地壓防控支護(hù)方案調(diào)整Fig 3 Support scheme adjustment of rock burst prevention of No.2303 Face

（2）針對工作面回采期間的巷道變形情況，對2303 工作面順槽提出調(diào)整方案。巷道斷面由矩形變更為梯形，上底凈寬5.0 m，下底凈寬5.4 m，凈高3.8 m 不變，變更后斷面為19.76 m2，底板與幫部夾角87°；幫部錨索梁改為豎向布置，錨索間排距1 600 mm×1 800 mm；巷道兩幫肩窩處錨桿變更為φ21.8 mm×3 200 mm 錨索；幫部W 鋼帶由WD275 mm×2.75 mm 變更為WD275 mm×4.75 mm。

4 現(xiàn)場監(jiān)測及分析

4.1 工作面開采期間微震監(jiān)測

2303 工作面在開采期間應(yīng)用ARAMIS M/E 微震監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行微震監(jiān)測，應(yīng)用本文所提出的防控措施及調(diào)整方案后，2022.11.4～2022.11.10 共監(jiān)測微震事件20 次，總能量3.7×104J，單次微震事件最大能量9.6×103J，震源位于2301 采空區(qū)，事件主要分布在面后30 m 至面前100 m 內(nèi)，部分事件定位在相鄰采空區(qū)內(nèi)；微震事件離散度較高，原沿空側(cè)聚集性不再明顯，如圖4 所示。在保證工作面正常生產(chǎn)，整體保持均衡推采的情況下，調(diào)整方案后，事件總頻次有所減少，能量下降趨勢明顯；第四周的微震次數(shù)、單個(gè)最大能量、總能量比前三周大幅度下降；僅三、四周對比，第四周監(jiān)測微震事件20 次，比第三周減少20 次；第四周總能量3.7×104J，比第三周減少4.1×104J，如圖5 所示。

圖4 2022.11.4～2022.11.10 日微震事件分布Fig.4 Microseismic event distribution from 11.4 to 11.10

4.2 工作面開采期間應(yīng)力監(jiān)測

2022.1 1.4～2022.11.10 期間，軌道順槽內(nèi)6 個(gè)測點(diǎn)（圖6a），應(yīng)力監(jiān)測最大值與增幅最大值為軌23 深測點(diǎn)，其他5 個(gè)測點(diǎn)數(shù)值基本保持不變；軌23 深測點(diǎn)在11.7 日開始增大，后續(xù)呈線形緩慢增長；軌道順槽面前98 m，11.4～11.5 日期間單日增幅最大應(yīng)力由10.48 MPa 上升至11.83 MPa，主要受回采擾動、超前支承應(yīng)力疊加以及斷頂后靜載荷作用影響，24 h 內(nèi)最大增幅1.35 MPa，未發(fā)生應(yīng)力預(yù)警。膠運(yùn)順槽內(nèi)6 個(gè)測點(diǎn)（圖6b），監(jiān)測組隨工作面推采應(yīng)力更平穩(wěn)，略呈遞增趨勢，變化范圍較小，符合正常應(yīng)力傳遞和演變規(guī)律，說明應(yīng)用調(diào)整后的防控方案效果較好。

圖6 工作面應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果Fig.6 Stress monitoring results of working face

5 結(jié) 論

（1）通過對2303 工作面具體條件進(jìn)行分析，確定其沖擊災(zāi)害的主控因素排序?yàn)殚_采深度因素＞頂板巖層結(jié)構(gòu)因素＞地質(zhì)構(gòu)造因素＞煤巖體力學(xué)性質(zhì)因素；針對2303 工作面的沖擊地壓防控方案將巷道斷面形狀調(diào)整為梯形，同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)工作面支護(hù)強(qiáng)度。

（2）2303 工作面2022.10.11～2022.11.10 的微震監(jiān)測結(jié)果表明，調(diào)整巷道斷面及支護(hù)方案后，微震事件總頻次有所減少，能量下降趨勢明顯，微震單個(gè)最大能量、總能量大幅度下降。

（3）2022.11.4～2022.11.10 期間的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果表明兩巷應(yīng)力在推采過程中略呈遞增趨勢，但總體較為平穩(wěn)，變化范圍較小，符合正常應(yīng)力傳遞和演變規(guī)律，說明調(diào)整后的防控方案效果較好。