張 偉 崔保閣

（山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 272055）

近年來，為對沖擊地壓進行及時的預測和預報，國內(nèi)外學者對沖擊地壓主控因素進行了深入分析和探討，取得了較多成果，充實了沖擊地壓理論體系，解決了大量的現(xiàn)場問題[1-3]。目前唐口煤業(yè)公司主采采區(qū)的煤層埋深達到1000m，下一步規(guī)劃開采的630、730采區(qū)煤層埋深最大將達到1300m，大采深導致煤體垂直應力較高，隨著開采范圍的不斷擴大及開采強度的提高，礦井沖擊危險性逐步升高。因此為保證礦井的安全高效生產(chǎn)，對礦井沖擊地壓主控因素進行分析，提出合理的防治措施[4-5]。

1 工作面概況

為更好地分析礦井的沖擊地壓主控因素，現(xiàn)以6304為研究對象。6304工作面為唐口煤礦630采區(qū)第四個工作面，開采煤層為3煤，開采上下限位于-930.5～ -906.1m之間，開采深度為942～979.2m。工作面上方無可采煤層，下方各煤層均未開采，地面位于永北村東南約200m處。6304工作面分兩段，里段傾向設計長度185m，走向設計長度530m，外段傾向設計長度60m，走向設計長度1030m。

2 沖擊地壓主控因素分析

通過對6304工作面沖擊影響因素的分析，在6304工作面巷道掘進過程中，巷道的沖擊危險主要受集中靜載荷的影響。集中靜載荷主要源于自重應力，局部受斷層構造應力作用，軌順在掘進期間受相鄰采空區(qū)側(cè)向頂板活動的影響，在集中動荷載作用下，皮順主要受集中靜載荷。6304工作面回采過程中的沖擊危險受集中靜載荷、集中動載荷共同影響。

2.1 集中靜載荷作用能量分析

為對巷道掘進過程中集中靜載荷作用進行分析，假設巷道長度不限，兩幫對稱，對左幫進行分析。在工作面巷道掘進前，原巖應力分布未改變，不存在應力集中現(xiàn)象。巷道掘進后，因工作面的不斷回采，巷道頂部巖層受原始地應力的影響，巷道兩幫受力集中，易造成幫部的形變破壞。根據(jù)垂直應力大小分布可以發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖應力分布會出現(xiàn)區(qū)域性差別，因此可將巷道圍巖分為三個區(qū)域：A、B、C。分析的結(jié)構模型如圖1所示。

根據(jù)虎克定理的煤體彈性應變能計算公式：

式中：

E-彈性模量；

μ-泊松比；

σ1、σ2、σ3-3 個主應力。

由計算公式可知，儲存彈性應變能由主要承載區(qū)的載荷大小決定。則可根據(jù)巷道幫部圍巖的載荷大小對其彈性應變能進行分區(qū)。

圖1 沖擊地壓發(fā)生結(jié)構模型

通過建立的結(jié)構模型，假設圍巖的承載載荷峰值在δ0max，承載的彈性應變能為EΩ0，即為巷道幫部的最大平衡區(qū)XΩ0。因為應力集中系數(shù)隨著煤巖體儲存能量的增大而增大的趨勢，因此巷道幫部煤體的主要受載荷區(qū)域為XΩ0區(qū)域，巷道圍巖彈性應變能最大區(qū)域為EΩ0區(qū)域。根據(jù)巖體動力破壞的最小能量原理，可得該巷道煤幫受載荷區(qū)域發(fā)生失穩(wěn)破壞的條件：當煤體所受的載荷大于煤體的抗壓強度和抗剪強度，則對應的能量準則為：

因此當XΩ0區(qū)域儲存的彈性應變能大于XΩ0區(qū)域煤巖破壞所需要的最小能量時，巷道載荷峰值區(qū)XΩ0區(qū)域達到?jīng)_擊地壓啟動的能量條件，發(fā)生沖擊的位置將會在XΩ0區(qū)域，發(fā)生后的剩余能量將以淺部圍巖為載體向巷道空間釋放，最后進行沖擊地壓顯現(xiàn)階段。則據(jù)此得到?jīng)_擊啟動能量判據(jù)：

2.2 集中動載荷作用能量分析

沖擊地壓的發(fā)生往往是受煤體幫部集中載荷和工作面上覆堅硬頂板共同影響所致，因此沖擊發(fā)生在工作面煤壁側(cè)位置，動載荷作用分析模型如圖2所示。工作面煤壁的最大平衡區(qū)域的集中靜載荷E0由彈性應變能公式計算得。

圖2 集中動載荷沖擊地壓結(jié)構模型

隨著工作面的開采，上覆頂板懸頂會造成工作面煤壁最大平衡區(qū)的載荷高度集中，儲存大量彈性能，對外界動載荷響應敏感，易滿足失穩(wěn)破壞條件，但外界動載為誘發(fā)沖擊的直接因素，必須以靜載荷集中度為基礎，才可能誘發(fā)沖擊地壓的發(fā)生。堅硬頂板斷裂產(chǎn)生動載荷Ed計算如下：

式中：

Ed-頂板斷裂彈性能傳遞的能量；

Ed0-頂板斷裂時釋放的初始能量；

R-頂板斷裂位置與平衡區(qū)的距離；

η-煤巖介質(zhì)彈性波傳播衰減指數(shù)。

因此誘發(fā)工作面煤壁沖擊地壓的能量條件為：最大平衡區(qū)彈性應變能、頂板斷裂動載荷能量之和大于煤巖破壞所需要最小能量，則建立沖擊地壓啟動能量判據(jù)為：

通過對唐口礦沖擊地壓發(fā)生集中靜載與集中動載的分析，確定唐口礦沖擊地壓發(fā)生的主控因素為地質(zhì)因素造成的煤體內(nèi)積聚的高應力和受采動影響產(chǎn)生的頂板運動。掘進期間，其動力現(xiàn)象的來源主要來自于側(cè)向采空區(qū)頂板活動造成的應力集中。而回采期間工作面主要載荷來源仍以集中靜載荷為主，以及回采過程中工作面上方頂板的運移、垮斷產(chǎn)生動載荷對工作面圍巖應力帶來的疊加影響。

3 工作面沖擊地壓防治措施

針對唐口礦沖擊地壓發(fā)生集中動載荷與集中靜載荷影響因素，針對特定危險源采取相應的治理技術。針對煤體內(nèi)的集中靜載荷，采用煤層注水的方法進行高應力疏解；而針對煤體內(nèi)的集中動載荷，則采用大直徑鉆孔卸壓技術。

（1）煤層注水

根據(jù)6304工作面注水條件，注水孔間距30m，孔深40m，封孔長度20m，鉆孔直徑Φ75mm，注水初始壓力不小于5MPa。注水孔布置在順槽回采幫，要求鉆孔盡量沿著煤層傾角，工作面長度變寬時還需增加孔深或采用雙向注水。鉆孔布置如圖3所示。

圖3 6304工作面進巷注水孔布置

通過煤層浸水性試驗，確定煤層注水后沖擊傾向性是否降低。多數(shù)煤體注水后能夠明顯降低沖擊傾向性。唐口煤業(yè)公司煤層浸水10d時，動態(tài)破壞時間由原來的90ms下降到30ms，之后隨浸水時間的延長，動態(tài)破壞時間持續(xù)增加。煤層沖擊能量指數(shù)變化規(guī)律與動態(tài)破壞時間的變化有很好的相關性，表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，在浸水10d時，沖擊能量指數(shù)顯著增強，隨后逐漸減小，最終保持在較低水平。

（2）大直徑鉆孔卸壓

回采過程中，對于中等及以上沖擊危險區(qū)域，在超前工作面100m范圍內(nèi)采用大直徑鉆孔卸壓措施，在回采期間根據(jù)監(jiān)測實際情況適當加密卸壓孔。

鉆孔參數(shù)：距迎頭不超過50m，在迎頭后方弱危險區(qū)域鉆孔間距3.2m，中等危險區(qū)域2.4m，強危險區(qū)域1.6m；鉆孔直徑150mm，孔深20m；按“三花”布置，布置在巷道中部。鉆孔布置相關參數(shù)如圖4所示。

圖4 6304工作面巷道幫部卸壓鉆孔布置

大直徑鉆孔施工過程中單孔排粉量0.55t，每米巷道排粉量0.34t，單個鉆孔施工時間2h/個，施工效率32m巷道施工20個鉆孔，需要8個班次，排粉11t。

6304長段工作面回采過程中綜采支架壓力、煤體應力未超過臨界預警值，巷道變形量較小，如圖5所示，未出現(xiàn)沖擊危險，表明6304開采階段，沖擊危險得到了有效預警與防治。

圖5 6304工作面軌道順槽煤體應力監(jiān)測柱狀圖

4 結(jié)論

（1）唐口礦沖擊地壓發(fā)生的主控因素為大采深及構造運動造成的煤體內(nèi)積聚的高應力和受回采影響產(chǎn)生的頂板運動。

（2）針對6304工作面煤體內(nèi)的集中靜載荷，采用煤層注水的方法，對煤體高應力區(qū)疏解達到了較好效果；而針對工作面煤幫的集中動載荷，采用大直徑鉆孔卸壓技術后，沖擊危險得到了有效預警與防治。