复杂条件工作面冲击地压综合防控技术

韩传磊 姬广雨 韩传廷

（汶上义桥煤矿有限责任公司，山东 济宁 272511）

随着煤炭资源开采深度和难度的增大，冲击地压灾害已成为我国深部复杂条件下煤炭资源开采所面临的重大安全问题[1]。

本文以汶上义桥煤矿3305 工作面为研究对象，通过分析3305 工作面冲击地压主控因素，构建工作面冲击地压综合防控技术体系，再结合微震及应力分布演化规律分析，探讨冲击地压综合防控技术的有效性，为类似条件矿井冲击地压的有效防治提供重要的参考。

1 工程背景

汶上义桥煤矿生产条件复杂，主要表现在采深大，断层多，顶板厚硬岩层多。其中3305 工作面就是该矿井较典型的一个综放工作面，工作面设计呈“刀把”形的不规则工作面，整体埋深为430～720 m。其北侧为3303 采空区，南侧为SF21 正断层（落差0～60 m，倾角60°），东侧为三采区胶带下山，西侧为YF7 断层（落差>500 m，倾角<60°）。轨道顺槽长1432 m，胶带顺槽长1240 m，胶带顺槽外段长734 m，切眼长155 m，回采后期工作面加宽至240 m。如图1。

图1 3305 工作面井下位置关系图

3305 工作面开采3 煤层，煤层厚度3.5～5.2 m，平均厚度4.1 m，平均倾角13°，普氏硬度1.48。煤层顶底板岩层情况见表1。

表1 煤层顶底板岩层情况表

经煤岩层冲击倾向性鉴定试验，3 煤层平均动态破坏时间为161 ms，冲击能量指数为1.38，弹性能量指数为2.28，单轴抗压强度为14.47 MPa，综合判定煤层具有弱冲击倾向性；3 煤顶板岩层弯曲能量指数为272.23 kJ，判定顶板岩层具有强冲击倾向性。

2 冲击危险状态及主控因素分析

2.1 冲击危险状态评价

综合指数法作为一种冲击地压危险性的早期综合评价方法，得到了广泛的认可和应用。

综合指数法[2]分地质因素影响的冲击地压危险程度及危险指数Wt1和开采技术因素影响的冲击地压危险程度及危险指数Wt2。冲击地压危险状态等级评定综合指数取两者中的大值，即Wt=max{Wt1，Wt2}，对应的冲击危险状态见表2。

表2 综合指数法确定的冲击危险状态分级

根据3305 工作面具体地质条件和生产技术条件，确定工作面冲击地压危险综合指数为0.52，为中等冲击危险状态，见表3。

表3 3305 工作面冲击危险状态评估

2.2 冲击地压主控因素

3305 工作面冲击地压危险的主控因素主要有开采深度、断层构造、坚硬顶板岩层、临近采空区及扩面等，具体分析如下：

（1）开采深度

统计表明：开采深度与冲击地压发生的概率成正相关关系。当开采深度超过500 m 时，随深度的增加，冲击地压的危险性急剧增加。3305 工作面平均采深580 m，最大采深720 m，处于较高的冲击地压危险阶段。

（2）断层构造

3305 工作面断层构造发育，工作面北、南、东侧分别被YF7、SF21、YF20 隔断，形成地堑，且开采范围内还有6 条落差大于5 m 的断层。

上述断层均为正断层，正断层一般是在重力和水平张力共同作用下形成的，正断层体内一般不会产生能量积聚，其诱发冲击地压机理主要是应力叠加。因此，在工作面采掘靠近以及穿越断层时，冲击危险性较高。

（3）坚硬顶板岩层

坚硬厚层顶板容易积聚大量弹性能，在坚硬顶板破断或滑移过程中，大量弹性能突然释放，易诱发冲击地压灾害[3]。

由表1 可知，3 煤上方10.60 m 厚的细砂岩，距煤层仅0.80 m，易储存大量弹性能，对工作面冲击地压显现具有重要的影响。因此，在工作面初次来压、采空区见方等期间是防冲重点区域。

（4）临近采空区

3305 工作面北侧为3303 工作面采空区，两工作面间区段煤柱宽度为4 m，小煤柱护巷下的3305工作面轨道顺槽处于内应力场，冲击危险性较低。

回采期间3305 工作面的老顶初次断裂完成后，其上位岩层将与3303 工作面的同层位岩层一起运动，采场覆岩将形成“S”型空间结构[1]，此时工作面轨道顺槽侧受动载影响，冲击地压危险明显升高。

（5）扩面

受断层影响，3305 工作面后期扩面生产，原切眼长度155 m，扩面后工作面加宽至240 m。

研究表明，扩面后形成的不规则区域与原规则区域相比，应力分布将发生明显的变化，如图2。

图2 扩面后不规则区域应力分布示意图[4]

原规则工作面的支承压力可表示为：

式中：K（x）为应力集中系数，x表示一点距采空区距离；γ为岩层平均容重；H为开采深度。

扩面后不规则区域的支承压力为：

式中：Kf为不规则区域应力传递系数，Kf>1.0。具体参数见表4。

表4 支承压力计算参数

经计算可知，工作面超前20 m 处应力集中程度最高，支承压力达到峰值，原规则工作面支承压力峰值为47.73 MPa，扩面后不规则区域支承压力峰值为59.66 MPa，即扩面区域所形成的拐角煤柱区域应力集中程度显著上升，冲击危险程度较高。因此应积极构建综合防冲体系并做好监测及卸压解危工作。

3 冲击地压综合防控技术体系

根据上述分析可知，3305 工作面冲击地压诱发因素较多，对于该工作面的冲击地压防控应从多方面考虑。最终完成对冲击危险区域的划分，其中深色椭圆代表弱冲击区域、浅色椭圆代表中等冲击区域。具体如图3所示。基于此，提出了3305工作面“预防、监测、解危与防护”四位一体的冲击地压综合防控技术体系。

图3 3305 工作面冲击危险区域划分图

（1）预防

根据以上对冲击地压主控因素的分析，对3305工作面划分不同的冲击危险等级。回采前，对预先划为的冲击危险区域进行大直径钻孔预卸压处理，卸压钻孔直径150 mm，孔深20 m，卸压孔间距：弱冲击危险区域D≤3.5 m，中等冲击危险区域D≤2.3 m，强冲击危险区域D≤1.2 m。

（2）监测

应用SOS 高精度微震系统、钻屑法、应力在线监测系统及支架工作阻力监测系统，构建了3305工作面区域与局部结合的冲击地压多层次监测预警体系。

区域监测采用SOS 高精度微震系统实时监测工作面范围内及周边区域的震动事件。局部监测采用应力在线监测和钻屑法，其中应力监测实时监测掘进迎头后方200 m 和回采工作面超前300 m 的应力变化情况，钻屑法监测范围为掘进迎头后方60 m和回采工作面超前100 m。支架工作阻力监测作为辅助监测手段，用以分析工作面矿压显现规律，进而指导防冲措施的实施。

工作面回采期间微震系统监测显示工作面断层YF7、SF21、YF20 区域微震总能量达到3.6×105J 且存在上升趋势，因此应提前对该区域进行卸压解危。

（3）解危

工作面生产过程中，应用各种监测方法监测到的冲击危险区域，必须进行解危处理，直至冲击危险消除为止。

对于3305 工作面，冲击危险区域的解危方法优先选择采用大直径钻孔卸压，直径150 mm，间距不大于2.0 m，孔深20 m。卸压后，钻屑法检验仍具有冲击危险时，再加密实施大直径钻孔卸压。当加密实施大直径钻孔卸压后仍无法有效消除冲击地压危险时，再采用煤体内爆破卸压方法进行解危处理，直至冲击危险解除。卸压前后钻屑法监测煤粉量如图4 所示。

图4 3305 工作面卸压前后煤粉量对比图

由图4 可知，3305 工作面冲击危险区域经大直径钻孔卸压解危后，通过钻屑法监测煤粉量较卸压前出现显著的下降，总体处于煤粉临界值之下，且监测过程中未出现卡钻、吸钻等现象，卸压效果良好。

（4）防护

考虑到冲击地压影响因素的复杂性，要实现冲击地压的零发生难度极大，从保障井下工人人身安全的角度，应加强工作面两顺槽支护，并提高工作面超前支护强度和范围，增加支护抵抗冲击地压的能力，最终实现“有震无灾”。

3305 工作面两顺槽采用长度为2400 mm 高强锚杆支护，顶部采用锚索+W 型钢带或槽钢进行加强支护。锚杆和锚索支护长度能够贯穿巷道塑性区，深入稳定区进行固定，并配合W 型钢带、槽钢、金属网等加强支护效果。应用McGarr 建议的质点运动速度v、震源中心到冲击破坏点的距离R与冲击强度ML之间的关系式lgRv=3.95+0.57ML[5]，验证了巷道支护系统的抗冲击能力。结果表明：顺槽支护系统可以抵御2.25 级的震动事件。

工作面超前支护区域是冲击地压易发区域，鉴于此，为提高超前支护强度及抗冲击能力，取消单体液压支柱的超前支护方式，改用超前支架配合单元支架的超前支护方式。

4 应用效果验证

3305 工作面从2018 年1 月初开始回采，至2019 年12 月工作面安全回采完毕。根据现场监测数据及记录，采用本文提出的冲击地压综合防控技术后，3305 工作面生产过程中未出现任何强矿压显现及冲击地压事件。

在工作面生产期间，微震监测数据显示：微震活动始终较平缓，微震总能量为2.7×104J<5.0×104J，且一直处于较低水平。这表明该技术体系可以有效预防与消除工作面存在的冲击危险，保证了工作面的安全高效生产，为类似工作面开采提供了参考。