工作面超前動(dòng)力顯現(xiàn)機(jī)制及防治措施

摘 要：為解決工作面超前大范圍動(dòng)力顯現(xiàn)問題，本文研究了工作面微震、應(yīng)力分布特征和工作面大、小周期來壓規(guī)律，揭示了工作面超前動(dòng)力顯現(xiàn)的機(jī)制，并提出了防治措施，研究結(jié)果表明：高位堅(jiān)硬頂板巖層協(xié)同垮落、破斷聯(lián)動(dòng)是導(dǎo)致工作面超前動(dòng)力顯現(xiàn)的原因，因此降低工作面推采速度并采取煤層注水措施，有效減少了工作面煤體應(yīng)力，降低了礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，工作面無動(dòng)力顯現(xiàn)事件發(fā)生，證明了防治措施的有效性，對(duì)工作面安全生產(chǎn)提供了重要保障。

關(guān)鍵詞：超前動(dòng)力顯現(xiàn)；應(yīng)力預(yù)警；推采速度；煤層注水

中圖分類號(hào)：TD 32" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

工作面開采后形成采掘空間結(jié)構(gòu)演化，進(jìn)而導(dǎo)致工作面出現(xiàn)超前動(dòng)力顯現(xiàn)。對(duì)沖擊地壓礦井來說，礦井動(dòng)力顯現(xiàn)是沖擊地壓發(fā)生的前兆。因此，正確分析礦井動(dòng)力顯現(xiàn)機(jī)制并采取措施消除沖擊危險(xiǎn)是重中之重。眾多學(xué)者對(duì)礦井動(dòng)力顯現(xiàn)和防治措施進(jìn)行了研究[1-3]。馮銳敏等[4]研究了支承壓力集中程度、變化規(guī)律，有效控制了工作面動(dòng)壓現(xiàn)象。昝軍才等[5]研究了裂隙在頂板、煤柱幫和實(shí)體煤幫內(nèi)的發(fā)育程度及分布規(guī)律，分析了動(dòng)力顯現(xiàn)區(qū)域巷道圍巖的穩(wěn)定性。曹安業(yè)等[6]探究了臨近斷層處孤島工作面開采時(shí)斷層煤柱的受力狀態(tài)與動(dòng)力顯現(xiàn)的發(fā)生機(jī)理，并利用震動(dòng)波CT技術(shù)對(duì)工作面沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)警。上述學(xué)者對(duì)礦井動(dòng)力顯現(xiàn)機(jī)制、監(jiān)測(cè)預(yù)警、防治措施進(jìn)行了研究，取得了豐碩成果，指導(dǎo)了許多礦井的安全生產(chǎn)[7-11]。因此，本文在前述研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同開采階段礦井動(dòng)力顯現(xiàn)特征，對(duì)某礦超前300m動(dòng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象進(jìn)行研究，并制定針對(duì)性防治措施，保證工作面正常開采。

1 工程概況

某礦工作面長度280m，走向長度1200m，煤層厚度6.0m，煤層層位穩(wěn)定，為近水平煤層，平均埋深約600m。根據(jù)沖擊傾向性鑒定結(jié)果，該煤層和底板為弱沖擊傾向性，煤層頂板具有強(qiáng)沖擊傾向性，強(qiáng)沖擊性頂板更容易積聚彈性能，與其他條件頂板相比，其受力破斷、垮落對(duì)工作面的擾動(dòng)也更大。當(dāng)工作面推采約400m時(shí)，礦壓顯現(xiàn)明顯且超前動(dòng)力顯現(xiàn)嚴(yán)重（領(lǐng)先工作面300～350m，如圖1所示），嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)，問題主要包括工作面推采過程中出現(xiàn)頂板大能量微震事件，巷道頂板和幫部錨桿、索支護(hù)失效，巷道底鼓嚴(yán)重，工作面煤體應(yīng)力預(yù)警嚴(yán)重。

2 工作面超前動(dòng)力顯現(xiàn)機(jī)制分析

2.1 大能量震源分析

提取并分析工作面推采期間微震數(shù)據(jù)（如圖2所示），從圖中可以看出，工作面頂板垮落高度為70m，工作面底板破壞深度為45m。如圖2（a）所示，工作面應(yīng)力集中水平高，導(dǎo)致底板破壞深度大，底鼓現(xiàn)象明顯。工作面上覆頂板存在砂巖層形成厚硬砂巖組，工作面上方70～100m堅(jiān)硬頂板協(xié)同垮落，導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象明顯，微震能量較大。

圖2（b）、圖2（c）為工作面在X、Y方向微震能量的分布截圖，從圖中可以看出，工作面中部震點(diǎn)分布均勻且大多為小能量微震事件，大能量事件集中在開采工作面沿空側(cè)，工作面受采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響大，且與超前支承壓力疊加影響，導(dǎo)致開采擾動(dòng)大。受較高集中應(yīng)力影響，工作面底板破壞深度大，底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重。工作面頂板垮落高度沒有達(dá)到理論水平，工作面上方70～100m存在協(xié)同垮落堅(jiān)硬巖層，是大能量事件的主要來源。

整理工作面到見方階段微震事件（表1），發(fā)現(xiàn)工作面微震能量增加，且隨著推采產(chǎn)生躍遷現(xiàn)象，推采過見方階段后，微震事件沒有跨量級(jí)事件發(fā)生。因此，高位頂板是造成大能量事件的主要來源。

2.2 工作面應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

整理工作面應(yīng)力數(shù)據(jù)分析，工作面超前應(yīng)力呈明顯的大小周期來壓（如圖3所示），該礦煤體應(yīng)力預(yù)警值為12MPa，大周期來壓超過2倍的預(yù)警值，且隨著工作面開采，小周期來壓也逐漸超過預(yù)警值。綜上煤體超前應(yīng)力分布及規(guī)律，導(dǎo)致工作面出現(xiàn)小周期來壓的原因是低位巖層的周期破斷，出現(xiàn)大周期來壓的原因是高位協(xié)同垮落堅(jiān)硬巖層周期破斷，小周期來壓強(qiáng)度變大的原因是工作面垮落帶和彎曲下沉帶的高度增加。

2.3 工作面超前動(dòng)力顯現(xiàn)機(jī)制分析

工作面初采階段，在大煤柱的支撐下，能夠保證工作面處于單工作面的“O”形到“X”形覆巖演化階段，頂板結(jié)構(gòu)內(nèi)部呈現(xiàn)“X”形垮落，外部呈現(xiàn)“O”形斷裂，大煤柱能夠支承單工作面的集中應(yīng)力和頂板動(dòng)載，如圖4所示。當(dāng)工作面推采至一定階段，隨著大煤柱的疲勞損傷，形成了雙工作面“S”形頂板聯(lián)動(dòng)，臨空側(cè)頂板垮落和實(shí)體煤側(cè)頂板斷裂均呈現(xiàn)“S”形結(jié)構(gòu)，此時(shí)的大煤柱已經(jīng)無法單獨(dú)承擔(dān)雙工作面頂板聯(lián)動(dòng)的高水平靜載應(yīng)力和較強(qiáng)的動(dòng)載擾動(dòng)，如圖5所示。此時(shí)，由于雙工作面高位頂板聯(lián)動(dòng)，會(huì)造成工作面大煤柱超前區(qū)域應(yīng)力集中，并發(fā)生超前大范圍的動(dòng)力顯現(xiàn)。因此，工作面超前動(dòng)力顯現(xiàn)的原因是高位頂板的聯(lián)動(dòng)演化。

3 工作面超前動(dòng)力顯現(xiàn)防治措施及效果

3.1 控制推采速度

在不同回采速度條件下，巷道圍巖應(yīng)力特征、頂板活動(dòng)劇烈程度、來壓步距大小以及超前應(yīng)力的分布均有所改變。降低工作面推采速度，可以有效縮短頂板破斷距離，從而削弱動(dòng)力顯現(xiàn)強(qiáng)度。

統(tǒng)計(jì)工作面推采速度與微震能量事件的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。隨著推采速度增加，微震總能量呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，當(dāng)推采速度達(dá)到5刀/d時(shí)，微震總能量呈現(xiàn)小幅度上升趨勢(shì)，當(dāng)推采速度達(dá)到7刀/d時(shí)，呈現(xiàn)大幅度躍遷現(xiàn)象，當(dāng)推采速度8刀/d時(shí)，微震能量達(dá)到最大。微震頻次、大能量事件頻次總體呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)5刀/d時(shí)，總頻次和大能量頻次為最小值，當(dāng)7刀/d時(shí)出現(xiàn)躍遷現(xiàn)象，當(dāng)推采速度9刀/d時(shí)達(dá)到最大。綜上所述，推采速度對(duì)微震能量、頻次有巨大影響，由圖6可知，推采速度5刀/d、7刀/d為能量和頻次的劇烈變化區(qū)間，因此，推采速度≤5刀/d可以有效減少頂板破斷對(duì)煤層開采的擾動(dòng)。

3.2 煤體注水

注水濕潤煤體，可使煤的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化，從而使應(yīng)力分布發(fā)生變化，即應(yīng)力向煤體深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中系數(shù)變小。在工作面推采過程中，分別出現(xiàn)一次煤體深空、淺孔應(yīng)力預(yù)警，在應(yīng)力預(yù)警區(qū)域采取煤體注水卸壓措施降低煤體沖擊危險(xiǎn)性。在煤體應(yīng)力集中位置施工75mm直徑注水孔，采用雙端封堵工藝，并進(jìn)行注水施工。通過20h的超前煤層注水，工作面煤體淺孔應(yīng)力由12.7MPa降至3.7MPa。經(jīng)過0.5h的超前煤層注水，工作面深孔煤體應(yīng)力由25MPa降至5MPa，期間伴有較大聲響，說明煤層注水使煤體應(yīng)力有效釋放。淺孔、深孔注水卸壓過程中的應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖7、圖8所示。

3.3 效果驗(yàn)證

降低推采速度可以有效降低堅(jiān)硬頂板破斷釋能等級(jí)，煤體水力壓裂能有效釋放煤體釋放能量、轉(zhuǎn)移煤體應(yīng)力。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將工作面推采速度降至5刀/d以下，并采取煤層注水卸壓措施后，工作面無煤體應(yīng)力預(yù)警，且工作面后續(xù)推采過程中無動(dòng)力顯現(xiàn)事件發(fā)生，有效降低了工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，在工作面后續(xù)開采過程中，微震事件能量保持在104J級(jí)以下，無大能量動(dòng)力事件發(fā)生，證明了防治措施的有效性，保障了工作面的安全，工作面卸壓措施效果驗(yàn)證圖如圖9所示。

4 結(jié)語

本文通過研究，得出以下結(jié)論。1）通過分析工作面動(dòng)力顯現(xiàn)震源分布特征，工作面上方存在70～100m堅(jiān)硬巖層協(xié)同垮落是大能量事件的主要來源。2）工作面存在大、小周期來壓現(xiàn)象，工作面小周期來壓的原因是低位巖層的周期破斷，大周期來壓的原因是高位協(xié)同垮落堅(jiān)硬巖層周期破斷，小周期來壓強(qiáng)度變大的原因是工作面垮落帶和彎曲下沉帶的高度增加。3）工作面超前大范圍動(dòng)力顯現(xiàn)的原因是工作面高位堅(jiān)硬頂板巖層協(xié)同垮落、破斷聯(lián)動(dòng)，并據(jù)此提出了控制推采速度降低動(dòng)力顯現(xiàn)強(qiáng)度和煤層注水降低應(yīng)力預(yù)警措施，在后續(xù)工作面推采過程中，驗(yàn)證了卸壓措施的有效性，保障了工作面安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓剛，王黔，呂玉磊.區(qū)段煤柱對(duì)沿空巷道動(dòng)力顯現(xiàn)影響機(jī)制研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2022，50（增刊2）：153-159.

[2] 韓剛，竇林名，張寅，等.沿空巷道動(dòng)力顯現(xiàn)影響機(jī)制與防治技術(shù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2021，38（4）：730-738，748.

[3] 張金福.深井工作面?zhèn)认锘夭善趧?dòng)力顯現(xiàn)特征與防治技術(shù)[J].煤炭技術(shù)，2021，40（8）：15-17.

[4] 馮銳敏，唐文超，趙文平，等.趙各莊礦深部工作面動(dòng)力顯現(xiàn)防治技術(shù)研究[J].煤炭工程，2011（3）：52-54.

[5] 昝軍才，陳跟馬，林建成，等.高地壓巷道動(dòng)力顯現(xiàn)區(qū)域圍巖穩(wěn)定性的鉆孔窺視分析及對(duì)策[J].中國礦業(yè)，2020，29（8）：91-97，121.

[6] 曹安業(yè)，王常彬，竇林名，等.臨近斷層孤島面開采動(dòng)力顯現(xiàn)機(jī)理與震動(dòng)波CT動(dòng)態(tài)預(yù)警[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2017，34（3）：411-417.

[7] 賈增林.基于鉆屑法的小莊煤礦40204工作面沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2020，36（2）：175-177.

[8]魏慶來.淺談煤礦生產(chǎn)中沖擊地壓的防治[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（24）：49.

[9]白俊杰.大傾角綜放工作面爆破卸壓后高應(yīng)力區(qū)域的形成和處置[J].煤礦安全，2016，47（10）：145-148.

[10]姜福興.采場(chǎng)覆巖空間結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)及其應(yīng)用研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006（1）：30-33.

[11]李曉鵬.煤層沖擊地壓形成機(jī)制及防治措施[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（14）：119.

通信作者：鄭波（1993-），內(nèi)蒙古烏審旗人，助理工程師，研究方向?yàn)闆_擊地壓災(zāi)害治理技術(shù)。

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