C2316工作面沖擊地壓誘發因素及礦壓顯現特征分析

李振武，何建新，沈建波

（1.濟寧能源發展集團有限公司，山東 濟寧 272000；2.山東濟礦魯能煤電有限公司 陽城煤礦，山東 濟寧 272500）

0 引 言

沖擊地壓是一種常見的礦山和采場動力災害，常導致巷道片幫、冒頂及支護失效等現象[1-4]，嚴重威脅了煤礦的安全生產，造成經濟損失[5]。孫秉成[6]通過分析寬溝煤礦I010203工作面開采過程中上覆堅硬厚頂板沖擊地壓過程，并提出了相應的防沖技術措施。李躍文[7]以徐莊煤礦為研究背景，采用理論分析和微震監測方法確定礦震發生的時間及位置，并得出煤層厚度、采掘擾動、堅硬頂板及斷層構造是誘發沖擊地壓的主要來源。秦喜文[8]通過對巷道內支架壓力變化情況進行分析，得出巷道失穩破壞主要是受工作面采動影響。任建喜[9]、管禎[10]通過微震監測技術，確定工作面震源位置，并提出合理防沖措施。因此，確定沖擊地壓誘發因素具有顯著意義，本文以安居煤礦C2316工作面為研究背景，采用理論分析、數值模擬得出該礦誘發沖擊地壓事件的主要因素，并提出防沖措施，以期為類似工程提供有益指導。

1 概 況

C2316工作面為安居煤礦新設計工作面，屬于安居煤礦二采區范圍，工作面地面標高為+34.0—+36.0 m，工作面標高為-927—-916 m，工作面埋深950～961 m，平均埋深956 m。工作面臨近C2310采空區且煤層厚度平均為2.1 m，所開采煤層為3上煤，工作面可推進長度合計為79.2 m（平距），切眼長度83.7 m（平距），開采總面積6 243 m2，工作面頂底板巖層基本情況見表1。

表1 煤層及頂底板巖性特征Table 1 Lithological characteristics of coal seam and roof-floor

1.1 工作面沖擊地壓誘發因素分析

1.1.1 煤巖層埋藏深度

煤巖層埋深越大，所受的自重應力越大，因此，造成自身聚積的彈性能較高。在工作面開采過程中，受高地應力、強采動影響，煤巖體會出現應力增加現象，而安居煤礦C2316工作面埋深約為950～961 m，對應沖擊地壓發生指數Wt約為0.7左右，由此可判斷C2316工作面已具備沖擊地壓發生的采深條件。

1.1.2 煤層賦存特征

煤層賦存狀態參差不齊，在實際開采過程中，會遇到煤層突然變厚或變薄的情況，受煤層厚度變化的影響，煤體內因靜載荷作用易產生應力集中現象。當煤層變薄時，煤體所受的垂直應力會增加；而煤層局部變厚處垂直應力會減小。因此，煤層厚度的變化是誘發沖擊地壓現象的主要因素之一，而C2316工作面煤層整體賦存形態為傾向西南，煤厚1.7～2.3 m，平均2.1 m，可采系數100%，變異系數27%，屬較穩定煤層。由此可判斷C2316工作面煤層賦存形態誘發沖擊地壓的危險性較小。

1.1.3 煤層頂底板巖體的物理力學性質及特征

為進一步確定安居煤礦C2316工作面沖擊地壓誘發因素，通過對煤層頂底板現場取樣，并采用加工、物理力學測試、沖擊傾向性鑒定等手段，得出表2的煤層頂底板物理力學參數及能量指數。結果表明，C2316工作面頂板為強沖擊傾向性巖層，沖擊傾向性Ⅲ類，而底板巖層沖擊傾向性為Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性巖層。同時結合工作面頂板巖性情況可知，煤層頂板20 m范圍內存在4.1 m中砂巖和14.39 m細砂巖，屬于工作面礦壓顯現的關鍵巖層，因此C2316工作面具備沖擊地壓發生的基本屬性，工作面掘進過程中應加強沖擊地壓的監測與防治。

表2 頂底板巖石物理力學性質試驗匯總Table 2 Physical and mechanical properties test summary of roof and floor rock

綜上所述，根據安居煤礦C2316工作面煤層實際賦存狀態及沖擊傾向性鑒定可得：工作面沖擊地壓誘發因素主要由煤層埋深、煤層厚度參差不齊及工作面頂板關鍵巖層為硬巖所造成的。

2 沖擊地壓發生規律的數值模擬研究

2.1 數值模型的建立

根據C2316工作面上覆巖層及巷道底板煤層等高線圖，同時考慮到模型邊界效應及計算速度，最終確定數值計算模型邊長為x×y×z=150 m×100 m×60 m，工作面兩側各留煤柱水平寬度30 m，用于消除邊界效用，工作面走向長度（沿y方向）為800 m，模型中模擬煤巖體采用摩爾-庫侖本構模型，模型四周及底面全部施加位移約束，數值計算模型如圖1所示，煤巖層物理參數見表3。計算模型頂部施加應力邊界，經計算，模型施加垂直應力22.5 MPa，側壓力系數取為0.8。

圖1 數值計算模型Fig.1 Numerical calculation model

表3 巷道巖層及煤的物理力學參數Table 3 Physical and mechanical parameters of roadway rock and coal

2.2 工作面推進過程中覆巖運動規律

為進一步揭示工作面推進過程中采空區頂板上覆巖層運動規律，采用有限差分軟件FLAC3D對工作面開采過程進行模擬，工作面推進步距每次為6 m，采空區上賦巖層由于工作面不斷向前推進導致采空區頂板產生裂隙并逐漸垮落，如圖2所示。

圖2 不同推進距離下工作面上覆巖層垮落規律示意Fig.2 Caving rule of overlying strata on working face under different advance distance

由圖2可知，在工作面推進至12 m過程中，采空區直接頂有下沉的傾向，說明此時工作面采空區上覆巖層直接頂發生折彎現象，覆巖離層開始出現；工作面推進至24 m時，工作面采空區直接頂基本垮落，由此可判斷出基本頂的來壓步距為24 m，且垮落范圍約14 m。隨著工作面繼續推進，工作面上覆巖層隨采隨垮；當工作面推進36 m，工作面采空區上覆巖層基本完成垮落。從覆巖垮落規律可知，隨著工作面的推進，采空區周圍煤巖體發生塑性破壞的范圍逐漸增大，導致煤巖體承載能力逐漸減小，在開采或動力擾動作用下，可能會誘發局部沖擊地壓事件。

2.3 工作面推進過程中礦壓顯現特征

為進一步確定工作面不同推進距離對超前支承壓力的影響規律，以工作面推進至12、24、36 m時為例（圖3），對工作面超前支承壓力進行重點分析。分析可知，隨著工作面推進距離的增加，超前支承壓力總體呈增加趨勢。當工作面推進至12 m時，超前支承壓力達到32.65 MPa；當工作面推進至24 m時，超前支承壓力達到45.03 MPa，基本頂初次來壓，工作面前方垂直應力集中顯著，易誘發沖擊地壓危險，隨著工作面繼續推進，超前支承壓力趨于穩定狀態，但應力集中系數≥2.0，仍存在有一定的沖擊危險。

圖3 不同推進距離下超前支承壓力峰值變化示意Fig.3 Peak change of advance abutment pressure under different advance distance

3 結 論

（1）安居煤礦C2316工作面煤層頂板巖層沖擊傾向性為Ⅲ類，為具有強沖擊傾向性巖層；底板巖層沖擊傾向性Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性巖層。

（2）根據數值模擬結果表明，基本頂的來壓步距為24 m，且垮落范圍約14 m，超前支承壓力達到45.03 MPa，基本頂初次來壓，工作面前方垂直應力集中顯現，易誘發沖擊地壓危險。