褶曲构造区沿空巷道底板冲击机理及防治

成晋峰

(晋城煤业集团 赵庄二号井，山西 晋城 048000)

工作面回采期间，由于采空区上覆覆岩的垮冒，导致其中的坚硬顶板产生悬顶效应，当悬顶达一定长度时，坚硬顶板将会突然破断产生强烈的动载荷[1-2]. 煤层中采掘活动将会在采掘空间周围煤岩体中形成较高的应力集中，尤其是一些受地质构造和开采遗留煤柱影响的区域，应力集中程度将会进一步增加。覆岩破断形成的强动载荷和采掘空间周围形成的高应力集中叠加后，在动静载的叠加作用下，采掘空间周围的煤体可能发生瞬间失稳破坏，这一动态过程反应为煤岩体的冲击地压显现[3-4].

山西潞安集团余吾矿N2105工作面内存在一向斜地质构造，当N2105工作面回采推进至该构造区域时将会受到较高的水平构造应力影响，为N2105工作面采掘空间诱发冲击显现提供了地质环境。因此有必要针对具有冲击地压危险的工作面，提出适合的监测方法及卸压防冲手段，保障工作面的安全高效开采。

1 工程地质概况

山西潞安集团余吾矿井田内主采3#煤层，该主采煤层平均厚度为6.31 m，平均倾角为3°，属于近水平厚煤层开采，开采工艺为综采放顶煤。井田内东翼采区北侧首采面为N2105工作面，其东侧为N2106未掘工作面，其西侧为N2103掘进工作面，其北侧为实体煤层，其南侧为5条上山大巷。N2105工作面埋深在507～597 m，工作面倾向长为285 m，走向长约为2 350 m.

由该采区内煤层的冲击倾向性鉴定结果可知，N2105工作面内主采的3#煤层及其顶底板均具有弱冲击倾向性，因此在N2105工作面的回采阶段要对其矿压异常区域及时卸压。N2105工作面的平面位置关系见图1.

图1 N2105工作面平面位置示意图

2 冲击案例分析

随着N2105工作面的回采推进，在N2105进风平巷内发生了2次严重的底板冲击地压事故。其中第一次冲击显现位置为N2105作业工作面后方95 m处，显现范围在1 800～2 000 m，造成了底板严重底鼓；第二次冲击显现位置为N2105作业工作面后方222.5 m处，显现范围在1 700～1 800 m，同样造成了底板严重底鼓。两次底板冲击地压事故发生时的显现区域见图2.

图2 两次底板冲击地压发生案例示意图

对底板冲击较为严重的区域进行现场调研可知，底板下方的煤体瞬间大量涌入巷道内，阻断了巷道的运输、通风、行人等，且巷道断面发生了严重的收缩变形。巷道严重变形区域底板鼓起1.5 m，煤柱帮变形为0.8 m，实体煤帮为0.2 m，岩层顶板下沉量为0.2 m，巷道断面整体收缩严重。巷道断面收缩情况见图3.

图3 冲击显现区巷道断面收缩情况图

结合煤层底板等高线图能够进一步对2次严重冲击地压事故的发生位置进行分析，也能更进一步说明地质构造对于井下采掘作业的影响情况。2次底板冲击地压事故与煤层底板等高线的位置关系见图4.

图4 冲击显现与底板等高线位置关系图

由图4可知，2次底板冲击地压显现位置均坐落于向斜轴附近(根据地应力测试结果表明该褶曲向斜轴位置处的水平侧压系数大于2.2)，这也从侧面说明了N2105进风平巷冲击地压的发生与水平构造应力有着很大的关联。N2105工作面回采后，其后方采空区上覆岩层中的坚硬顶板破断将会诱发强动载荷，而原本处于向斜轴位置处的N2105进风平巷受水平构造应力的影响积聚有较高的静载荷，动静载叠加作用下导致了这2次底板冲击地压事故的发生。

3 巷道冲击机理分析

对N2105进风平巷建立冲击力学模型，见图5. 由图5可知，巷道附近帮部本身存在较高的应力集中，其对底板煤岩体有一定的压应力，而水平构造应力的存在促进了底板煤岩体发生滑移剪切破坏的可能性，容易导致底煤从较为薄弱的巷道底板位置处涌入巷道内，造成巷道底鼓的发生。当回采扰动造成覆岩坚硬顶板破断形成较为强烈的动载扰动时，瞬间的动静载叠加作用下巷道底煤容易一瞬间破坏而涌入巷道中，造成底板冲击地压的发生。

图5 N2015进风平巷冲击力学模型图

关于巷道底板冲击破坏的数学表达式如下[5]：

(1)

式中：

σx—水平构造应力的大小，MPa；

σy—巷道两帮内高集中静载对底板施加的压应力大小，MPa；

E—底板煤岩体的平均弹性模量值，MPa；

Ubmin—底板发生冲击破坏所需要的最小能量值，kJ.

4 冲击地压监测与防治

4.1 冲击地压监测

由于N2105工作面煤层及其顶底板具有弱冲击倾向性，随着工作面的进一步回采推进，后续仍有发生冲击地压的可能性。为有效防治冲击地压，安装微震定位系统对工作面进行实时监测，微震探头的具体布置方式及相对应的围岩监测测站布置情况见图6，7.

图6 微震探头的平面布置图

图7 围岩监测测站剖面图

4.2 冲击地压防治

对N2105工作面回采期间进行实时在线监测，当监测到异常情况时，对异常区域采取卸压措施，保证工作面的安全回采推进。针对巷道应力异常区域的卸压机理见图7.

图7 巷道应力异常区卸压力学模型图

根据太沙基力学机理可知[6]，当底板中OCDF范围内的煤岩体处于极限平衡的塑性状态时，煤柱体施加于底板上的极限承载载荷大小为：

(2)

式中：

Pu—底板极限承载载荷，MPa；

Nγ、Nq和Nc—承载力系数；

B—煤柱宽度，m；

γ—煤体平均容重，kN/m3；

q—巷道底板支护反力，MPa；

c—底板黏聚力，MPa.

根据上述巷道底板卸压防治冲击机理可知，减小煤柱体施加于底板上的极限承载载荷，能够有效防止底板煤岩体处于极限平衡的塑性状态而发生失稳破坏现象，进而防止巷道底板冲击的发生。基于此，通过在N2105进风平巷承载煤柱体上施工大直径卸压钻孔，能够将煤柱体上方的应力转移，消除N2105进风平巷底板冲击的发生。

根据现场施工经验，卸压措施采用常规的大直径钻孔，孔径约为110 mm，钻孔间距为5 m. 打孔位置为进风平巷超前100 m范围和后方250 m范围，回风平巷超前100 m范围内的煤柱体中。关于大直径钻孔布置情况见图8.

图8 煤柱体大直径钻孔卸压示意图

5 结 论

1) 基于山西潞安集团余吾矿N2105工作面回采期间发生的2次底板冲击地压事故，并结合煤层底板等高线图可知，底板冲击地压事故的发生与较高的水平构造应力有关。

2) 较高的水平构造应力为底板冲击地压的发生提供了基础条件，而N2105工作面回采形成的动载扰动为底板冲击地压的发生提供了诱发条件，两者动静载叠加作用下巷道底板发生了较为严重的底板冲击显现。

3) 提出了采用微震监测和围岩监测系统的综合在线监测方法，对N2105工作面回采期间进行实时的矿压监测，并根据监测结果对危险区域较为薄弱的煤柱体进行大直径钻孔卸压，实现弱化动静载叠加诱发冲击的效果。