浅部煤层工作面冲击地压与采动应力场关系研究

张书敬

(1.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京100013；3.煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室，北京 100013)

我国发生冲击地压的煤层大部分位于矿井中深部或者深部，近年来在我国西部一些浅部矿井也开始发生冲击地压。神华新疆能源有限责任公司矿区目前开采浅部煤层，开采过程中已有多矿煤层发生过冲击地压。最为典型的一次浅部煤层工作面冲击地压事故是发生在宽沟煤矿W1143工作面，工作面埋深317m。2010年10月8日9时在工作面中下部和下巷道处发生冲击地压，煤层和底板岩石突出容积约247m3，造成了人员伤亡和设备损坏的严重后果。

目前学术界重点关注于深部煤层条件下冲击地压研究，在理论上对浅部煤层条件下冲击地压的发生机理还缺乏深入研究，冲击地压的防治效果还不理想。本文以宽沟煤矿W1143工作面为实验点，采用UDEC数值模拟软件模拟和PASAT-M便携式微震检测系统，研究浅部煤层工作面采动应力与冲击地压的关系。

1 工作面概况

W1143综采工作面煤层为B4-1，埋深317m、走向长1495m，斜长162m，倾角10°～16°,煤厚平均3m，采高3m;直接顶为粉砂岩，厚度12m;直接顶上方为B4-2煤层，平均厚2.5m;其上为直达地表的砂岩互层。直接底为层状中砂岩，厚度5.2m;基本底为粗砂岩，厚度12.99m。

2 采动应力场数值模拟研究

根据W1143工作面回采期间经历的不同空间位置，有2种空间位置结构，开采初期W1143工作面受相邻W1141采空区影响，开采中后期W1143工作面受相邻W1141采空区和上覆W114(2)3，W114(2)1采空区影响。回采不同时期工作面空间位置见图1。倾向剖面模拟方案选择图1中圈定的2个位置进行模拟。走向剖面模拟选择如图2中圈定范围。根据Zk303钻孔资料建立UDEC数值模型，模型走向长度470m，垂直高度240m，模型未模拟到地表，240m以上等效载荷处理。模型左右边界限制水平位移，下边界限制垂直位移。根据W1143工作面煤岩体物理力学性质测试结果进行参数赋值。

图1 回采不同时期工作面空间位置

2.1 倾向Ⅰ剖面采动应力分布特征

当工作面开采受相邻一采空区影响时，回采过程产生二次采动影响，2次采动产生的应力相叠加，造成2个工作面之间的区段煤柱采动应力集中，应力集中程度较上区段工作面明显上升，如图3和图4所示。

图3 W1141开挖后围岩应力分布情况

图4 W1143开挖后围岩应力分布情况

图5所示煤柱采动应力分布曲线表明，煤柱侧向支承压力形成应力集中；一次采动影响下，煤柱形成较低的应力集中，受相邻工作面的二次采动影响，煤柱侧向支承压力产生叠加，应力集中程度成倍增加。

图5 相邻一采空区煤柱应力分布曲线

2.2 倾向Ⅱ剖面采动应力分布特征

开挖W114(2)1后，采动应力分布如图6，其采动应力主要集中在W114(2)1两侧的煤体上；开挖W114(2)3后，采动应力分布如图7，W114(2)1，W114(2)3之间煤柱应力叠加，应力集中系数增大；开挖W1141后，采动应力分布如图8。W114(2)1，W1141的上覆岩层充分运动，使得W1141煤体的采动应力和W1141，W1143区段煤柱的采动应力得到释放，应力集中系数降低；当开挖W1143后，采动应力分布如图9，受W1143，W1141，W114(2)1和W114(2)3覆岩结构影响，覆岩运动的范围加大，导致应力集中程度上升，采动应力很大程度上集中到W1141工作面、W1143工作面之间的区段煤柱上。

图6 W114(2)1开挖后围岩应力分布

图7 W114(2)3开挖后围岩应力分布

图9 W1143开挖后围岩应力分布

煤柱采动应力分布曲线如图10，反应了工作面受采掘布置影响的关系。B4-1煤层受上层B4-2煤层回采的影响，采动应力随上层煤的回采空间增加，采动应力呈上升趋势，而B4-1煤层采动应力集中程度随本煤层工作面采动影响而显著增加。

图10 相邻三采空区煤柱应力分布曲线

采动应力分布变化过程揭示了矿区采掘布置对工作面冲击地压的影响关系。工作面回采过程中，采动应力集中程度大小影响冲击地压的发生与否。当采动应力集中程度高时，工作面冲击地压发生的危险性就越高；而采动应力与工作面布置有关，根据采动应力变化曲线，工作面回采受到相邻采掘工作面影响越大，工作面采动应力集中程度越高。

2.3 走向Ⅲ剖面采动应力分布特征

2.3.1 顶板初次来压期间采动应力分布

如图11所示，基本顶初次来压步距为50m，初次来压期间，造成煤体的应力集中，应力集中系数为2，采动应力主要集中在工作面前方40m范围内。

图11 工作面初次来压期间采动应力分布

2.3.2 工作面“单面见方”采动应力分布

工作面“单面见方”时，工作面推进长度为160～170m，覆岩运动的高度达到了B4-2煤层上部坚硬顶板，坚硬顶板积聚了大量弹性能，当坚硬顶板突然运动时，造成了工作面前方的围岩应力集中，采动应力分布如图12所示。

图12 工作面“单面见方”期间采动应力分布

2.3.3 工作面“双面见方”采动应力分布

工作面“双面见方”时，工作面推进长度为330～340m，覆岩运动高度达到了B4-2煤层高位岩层，高位岩层积聚的能量以弯曲变形能释放，或者以动能的形式释放，并且覆岩在横向方向影响范围大，此时围岩的应力水平高，集中程度更大，采动应力分布如图13所示。

图13 工作面“双面见方”期间采动应力分布

2.3.4 工作面受上覆煤层回采影响应力分布

W1143工作面推进期间将经历由上方煤体实体煤下回采到进入上方煤体采空区下回采过程，该过程采动应力将经历采动应力升高再到降低的过程。采动应力的变化过程如图14～18所示。

图14 距W114(2)3采空区50m时采动应力分布

图15 距W114(2)3采空区30m时采动应力分布

图16 距W114(2)3采空区0m时采动应力分布

图17 进入W114(2)3采空区40m时采动应力分布

图18 进入W114(2)3采空区80m时采动应力分布

工作面推进距离W114(2)3切眼50m时，工作面超前支承压力影响不受上覆煤层开采遗留煤体的影响，当推进至距W114(2)3切眼30m时，W1143工作面采动应力为自身超前支承压力和上方煤体压力叠加作用而成，进入W114(2)3采空区后，采动体应力逐渐降低。

当工作面接近上方B4-2煤层采空区时，采动应力集中程度开始增加，冲击危险性开始升高。工作面受上覆煤层回采影响采动应力变化过程如图19所示。

当W1143工作面距离上方B4-2煤层采空区20m时，工作面前方应力集中程度达到最大，主要原因为工作面超前支承压力和上方覆岩对下方煤体作用力叠加的结果。工作面冲击危险性经历由进入上方采空区前逐渐增大到进入上方采空区后逐渐减弱的变化过程。

图19 工作面受上覆煤层回采影响期间采动应力分布曲线

3 工作面前方应力异常探测

采用波兰PASAT-M便携式微震检测系统，在W1143工作面距离上覆采空区水平距离48m时，工作面处在“三面孤岛”时期，工作面前方144m煤体内进行波速异常区实测，确定工作面前方是否存在应力异常区域，以验证采动应力场数值模拟结果。

图20为W1143工作面PASAT-M探测系统布置图。方案将在工作面和运输巷均设置震源。采集端位于轨道巷，共布置11个探头，间距13m，1号探头距离巷道交叉口6.3m。激发孔共设计41个，其中运输巷激发孔25个，炮间距6m，工作面激发孔16个，炮间距10m，本次探测走向范围平均144m，满足研究需要。

图20 W1143工作面PASAT-M探测系统布置图

3.1 应力异常现场探测

当W1143工作面距离上覆采空区水平距离48m时，工作面处在“三面孤岛”时期，采用了PASAT便携式微震仪对W1143工作面前方144m煤体内进行了波速异常区实测，探测结果如图21所示。结果显示W1143工作面下巷与W114(2)3工作面上巷下方之间的实体煤为波速异常即应力集中区域，与数值模拟结果相吻合。

图21 W1143工作面前方应力异常区

4 结 论

通过数值模拟分析、地震波CT探测的方法，分析了浅部煤层工作面回采过程中采动应力分布规律，主要得到如下结论：

(1)W1143工作面受相邻采空区影响，无论是在工作面倾向方向还是在走向方向产生采动应力叠加，在相邻采空区煤柱和工作面前方围岩中造成应力集中。特别是W1143工作面在相邻三采空区回采时，应力集中程度更高，当工作面距离上层煤W114(2)3采空区水平面的投影20m时，工作面前方应力集中程度达到最大。受采动影响形成高应力和高能量场是宽沟煤矿浅部煤层工作面发生冲击地压的主要原因。

(2)当W1143工作面距离上覆W114(2)3采空区水平距离48m时，采用了PASAT便携式微震仪对W1143工作面前方144m煤体内进行了波速异常区实测，结果显示W1143工作面下巷与W114(2)3工作面上巷下方之间的实体煤为波速异常即应力集中区域，与数值模拟结果相吻合。