烏審旗典型工作面停復采沖擊危險性分析與防治

劉毅濤，王顏亮，曲效成，劉文濤，魏全德，董亞東，張松林，韓 亮

(1.鄂爾多斯伊化礦業資源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.北京安科興業科技股份有限公司，北京 100083；3.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054；4.北京安科興業礦山安全技術研究院有限公司，北京 102299；5.華北科技學院 安全工程學院，北京 101601)

近年來隨著我國煤炭資源開采向陜西、內蒙、新疆等西部省份遷移，這些礦區的動壓顯現和沖擊事故數量呈明顯增加的趨勢，鄂爾多斯烏審旗、陜西彬州市和長武縣境內的沖擊地壓礦井具有典型性。其中，烏審旗地區礦井與東部沖擊地壓礦井相比，開采深度小于800m的條件下便頻繁出現動壓顯現[1-3]。分析、總結其主要原因為，礦區覆巖普遍受到多層硬厚砂巖組的“多關鍵層”結構影響，開采布局以大煤柱、雙巷掘進為主，工作面普遍較長，推采速度較快[4-7]。現場調研發現，烏審旗地區礦井受特殊的監管、地質及開采技術條件等因素影響，頻繁出現工作面停采3d及以上后復產現象。工作面停采將導致工作面應力集中，特殊條件下可能出現壓架、冒頂、片幫等礦壓顯現。部分工作面復采初期出現煤體應力快速增高、微震大能量事件頻發等現象，嚴重威脅工作面安全生產。

國內諸多專家學者針對該地區類似條件下沖擊地壓發生機理、監測預警方法和防治技術進行了大量研究：姜福興等對震動誘發型沖擊地壓的預警機制和應用進行了研究，得出依據礦震發生前煤巖應力突變規律實現臨場預警的機制[8]，提出了影響采場沖擊地壓應力場的“載荷三帶”巖層結構模型，研究了采場沖擊危險性的評價、監測和防治方法，為針對性治理沖擊地壓提供理論依據[9-10]；竇林名等提出了動靜載疊加誘發沖擊地壓原理，并分析了煤礦動靜載特征，根據應變率對煤礦載荷狀態進行了界定[11，12]。以上研究成果為該地區的沖擊地壓防治提供了指導作用，但針對工作面停復采期間的防沖技術領域，尚無較為系統的研究成果。以母杜柴登礦井30202工作面為背景，開展工作面停復采期間沖擊地壓監測分析及防治研究工作。

1 工程概況

鄂爾多斯市母杜柴登礦井302盤區主采3-1煤，30202工作面位于302盤區東翼，東側緊鄰30201工作面采空區，兩工作面平行布置，留設20m區段煤柱，西側為尚未采掘的30203工作面實煤體，工作面平面位置如圖1所示。工作面走向長3718m，傾向長268m，平均采深640m。

圖1 30202工作面位置及周邊開采概況

以30202工作面附近的B22鉆孔為例，煤層上方100m范圍內存在厚度超過10m的砂巖層有3層，其中，煤層上方約13m賦存一層厚度為20.76m的細粒砂巖，煤層上方約37m賦存一層厚度為61.57m的粗粒砂巖，這些硬厚的巖層在工作面大范圍開采后的懸頂及周期性運動，將對工作面的沖擊地壓顯現造成較大的影響，見表1。

表1 B22鉆孔巖層特性表

30202工作面回采期間多次出現停采3d及以上后復產情況。為有效防治沖擊地壓，降低事故發生的可能性，工作面裝配微震、煤層應力等監測裝備，對回采期間沖擊地壓進行監測預警。

2 工作面停采期間監測數據分析

30202工作面于2018年7月1日早8點停采，并于7月8日凌晨1點復采，停采前工作面累計回采454m。工作面停采前一周內，推采速度穩定在每日7刀，礦壓顯現平穩，未發生能量在105J以上大能量微震事件。

2.1 停采期間微震監測數據分析

微震監測技術在沖擊地壓監測預警及礦壓規律分析領域發揮著重要作用[13-15]。對停采前后工作面微震監測數據進行統計分析(6月27日至7月8日)，由于工作面推采強度驟減，頂板運動的活躍程度明顯降低，7月2日微震日能量及頻次相對停采之前大幅減少，如圖2所示。為進一步分析停采前后工作面震動場數據變化情況，對能量在102J及以上的微震事件不同能級的數量進行了統計，103J及以上的大能量微震事件平均日頻次由正常推采期間的9次/d，驟減至停采期間的1.59次/d，大能量事件數量在停采期間占比明顯降低，如圖3所示。

圖2 正常推采與停采期間微震能量及頻次對比

圖3 停采前后推采速度與不同能級微震事件統計曲線

由此可見，工作面停采后，微震事件日能量和日頻次明顯降低，且大能量事件數量占比明顯降低，表明停采階段工作面頂板活動相對穩定。

2.2 停采期間煤層應力變化情況分析

工作面停采期間，煤體應力監測數據仍有明顯變化。據統計，停采期間應力值發生“臺階式”突增的應力測點有3個，見表2。

表2 停采期間煤層應力監測突增測點匯總

回風20淺測點應力值在7月1日13點20分發生一次突增，由10.68MPa升高至13.27MPa，共增加2.59MPa。應力發生突增時該測點位置附近無大直徑卸壓等作業，排除施工干擾情況影響。回風20淺測點應力突增的同時，附近回風17淺、回風18淺、回風19淺應力測點均在此時段附近發生應力降低，表明集中應力由回風20淺測點周邊向測點中心區域轉移，應力曲線如圖4所示。回風21淺、回風21深測點于7月3日先后發生應力突增(其中回風21淺測點應力由9.4MPa突增至約12.4MPa，突增量3.0MPa)，回風21深測點應力由4.4MPa突增至11.2MPa，突增量6.8MPa)，如圖5所示。以上數據變化表明，停采期間高位頂板尚未穩定，但是，頂板斷裂、運動烈度有所降低。部分煤層應力仍有明顯增高情況，應警惕局部高應力集中情況。

圖4 回風20淺測點應力突增曲線

圖5 應力21淺、應力21深測點突增曲線

2.3 停采期間支架工作阻力分析

由于高位頂板在停采期間的緩慢下沉運動，作用在工作面綜采支架的阻力逐漸增高。另外，根據綜采支架壓力數據及井下顯現情況記錄，工作面停采時處于周期來壓階段，周期來壓期間，工作面老頂處于破斷垮落過程中，綜采支架阻力大面積超限，如圖6所示。

圖6 停采前后綜采支架阻力統計表(105Pa)

因此，高位頂板在停采期間尚未穩定，但是，頂板斷裂、運動烈度有所降低。工作面支架阻力持續增高，應警惕工作面壓架等情況。另外，停采位置處于周期來壓階段時，支架阻力普遍較高，工作面支架工作狀態較差。

3 工作面復采初期微震監測數據分析

由微震監測數據統計可知，復采階段工作面震動場活動強度整體經歷“突增—降低—小幅增高”三個階段，如圖7、圖8所示。

圖7 復采階段微震能量與日推進刀數關系

圖8 復采階段不同能級個數與日推進刀數關系

由于工作面長時間停采，工作面整體應力狀態在頂板斷裂、運動作用下達到較高的水平，受復采初期采動擾動影響，近煤層頂板穩定狀態破壞，復采初期能量釋放較為集中，呈現震動場活動強度“突增”現象；工作面近煤層頂板運移能量釋放充分后，覆巖破斷逐漸向高位發育，能量釋放較少，呈現震動場活動強度“降低”現象；隨著工作面回采，上覆較高位巖層破斷回轉，呈現震動場活動強度“小幅增高”的反彈現象。7月15日之后，微震能量、頻次整體恢復工作面停采前水平，復采效應影響結束。

工作面復采后約8d，累計推進40刀(約35m)后，工作面震動場活動強度趨于平穩，復采“三階段”結束。

4 30202工作面停復采防治實踐

4.1 高應力集中區的解危方案

1)預警區域的鉆檢驗證。2018年7月1日回風20組測點應力發生突增情況(見表2)，7月2日早班對測點附近煤體進行鉆屑檢驗，1#鉆檢孔煤粉量明顯超標，表明該預警區域具有較高的沖擊風險，如圖9所示。

圖9 局部危險區鉆檢曲線

回風21組測點發生突增時，該區域具有大直徑卸壓施工條件，因此未做鉆檢直接開展卸壓解危工作。

2)局部危險區卸壓解危。于回風巷720～760m(回風淺20組、回風淺21組兩側)危險區巷道回采幫采取二次煤層大直徑鉆孔卸壓，孔深20m，孔徑153mm，孔間距1m。

3)解危效果驗證。解危措施完成后，7月4日16點，淺20測點應力明顯降低，由突增時刻的14MPa下降至12.8MPa，其周圍其他應力測點未發現明顯增長趨勢(如圖4所示)；7月7日19點26分，回風淺21測點應力降低至7.8MPa(如圖5所示)。

7月7日中班，對回風巷超前270m正幫(回風淺20組、回風淺21組危險區內)進行解危效果鉆檢驗證，施工的2#、3#兩個鉆屑檢驗孔均未出現煤粉超標情況，如圖9所示。

綜上，針對停采期間應力監測出現預警的情況，采用了“應力預警—險情鉆檢確認—卸壓解危—解危效果驗證”流程，成功完成局部危險區的處理。

4.2 停復采防沖關鍵措施總結

1)局部應力集中區排查預處理。依賴煤層應力監測及鉆屑量數據分析，主動排查工作面整體應力集中水平，針對局部應力集中區域，采取針對性卸壓解危處理措施。

2)超前支護體系排查。保證工作面綜采支架、超前支架等具有良好的支護性能，出現支撐力不足，支架歪斜等情況及時處理。

3)復采前的工作面危險性評估。復采前對鉆屑量、應力監測數據和微震監測數據進行單參量及多參量聯合分析，對工作面沖擊地壓危險程度進行評價。

4)控制復采初期的回采速度。回采速度過大，可能直接誘發沖擊地壓[16]，復采初期采用“以壓定產”的理念，根據復采后震動場活動強度的“突增—降低—小幅增高”規律，復采初期2～3d內的突增階段應保證較低的推采速度，之后根據實際顯現情況逐漸遞增至正常回采速度。

5)復采期間的沖擊危險區管理。比如需嚴格執行限員措施，對工作面沖擊危險區域懸掛警示牌等。

以上關鍵措施的保質保量落實，是現場安全復采的關鍵因素。

5 結 論

1)工作面停采期間，微震監測能量及頻次明顯降低，煤層應力及支架阻力監測數據明顯增大。因此，停采期間煤層應力監測對于局部高應力集中有著較好預測預報效果。

2)停采位置處于周期來壓階段時，對工作面支架正常工作狀態不利，條件允許時停采位置應盡量避開周期來壓階段。

3)復采初期工作面震動場活動強度整體經歷“突增—降低—小幅增高”三個階段。工作面復采后約8天，累計推進40刀(約35m)后，工作面礦壓顯現趨于平穩，受復采效應影響結束。因此，復采初期工作面推進前35m區間內為防沖關鍵區域。

4)采用“應力預警-險情鉆檢確認-卸壓解危-解危效果驗證”流程對停采期間局部危險區進行處理，解危效果良好，可以降低復采初期的沖擊危險性。

5)以30202工作面典型的停復采期間監測數據為例，分析總結了停復采過程中的局部危險區排查處理、復采推采速度控制等沖擊地壓防治關鍵措施，可以為條件相似工作面停復采期間的沖擊地壓防治提供借鑒。