煤矿井下顶板疏水综采面冲击地压原因分析及治理

王卫宏

（山西三元煤业股份有限公司，山西 长治 046000）

三元煤业井下综采面煤层埋深为730 m，煤层平均厚度为9.14 m，煤层的平均倾斜角为2.7°，煤层的倾向长度为400 m，采用了长壁综放采煤法。煤层的直接顶为泥岩，基本顶为细砂岩，直接底为砂质泥岩，基本底为粉砂岩，地质结构相对简单。根据冲击地压监测报告，该煤层的单轴抗压强度为16.7 MPa，具有较强的冲击倾向性，在综采面顶板上方存在着较深的含水层，共4 处富水区，且分布不均匀。

在综采作业过程中经常出现地压冲击现象，根据微震监测仪[1]的监测结果，其能量冲击约为3.8×105J，现场观测存在顶板开裂及掉渣现象。此时综采面的回采速度约为7.9 m/d，而且正处在富水区疏水的区域中。结合现场实际情况，以理论分析为基础，以仿真分析模拟为核心，对不同回采速度下顶板疏水区域超前支护承压变化情况进行分析，最终确定产生地压冲击的主要原因在于综采面的回采速度过快，导致了超前应力集中，而且在富水区域存在疏水转移应力，两者叠加导致了应力超标，因此导致了综采面顶板的开裂及掉渣现象。根据分析结果针对性地提出了加密增压区的泄压钻孔、加强疏水区域的补强支护等方案，为解决冲击地压提供了新的思路，目前已在多个煤矿投入应用，取得了极好的效果。

1 顶板疏水区综采面冲击地压应力分析

顶板进行输水处理后将导致疏水区域的应力重新分布[2]，为了对不同综采速度下对应力分布的影响进行研究，项目团队引入了FLAC 应力分析软件[3]，建立了尺寸为500 m×50 m×100 m 的分析模型，在模型边界采用了位移约束固定，在顶板上施加了16.7 MPa的均布载荷（井下实测数据）。当疏水后，在顶板内形成了一个增压区和一个卸压区，其中增压区主要出现在疏水区边缘处，卸压区主要在疏水区域中间位置[4]。

为了对综采速度不同时的应力分布规律进行研究，模拟常用的4 m/d、6 m/d、8 m/d、10 m/d 四种综采速度下疏水区域的应力分布情况，结果如图1 所示。

图1 不同作业速度下增压区的应力分布云图

由图1 可知，图中的判断线是巷道顶板的最大承受应力的安全值，一般为煤层抗压强度的1.6 倍，约为26.7 MPa。通过仿真分析，在回采作用下，巷道顶板所受的垂直应力均先增加，然后随着距离工作面距离的增加而降低。当综采作业速度大于4 m/d 时，应力集中值均会超过巷道顶板的判断线，从而引起地压冲击，导致巷道顶板的受损。

不同的回采速度下卸压区超前支撑压力分布曲线如图2 所示。

图2 不同作业速度下超前支撑压力分布曲线图

由图2 可知，在卸压区，井下综采作业速度和作用在顶板上的垂直应力变化情况呈正比，作业速度越快，作用在顶板上的垂直应力越大，对顶板稳定性的影响就越大。但应力峰值明显小于在增压区的峰值，此时当作业速度超过8 m/d 的情况下，才会对顶板的稳定性产生影响。

由对比分析结果可知，顶板富水区域在经过疏水区后会形成应力增压区和应力卸压区，当综采作业速度过快时，产生的综采扰动和增压区的垂直应力相叠加，就极易超过巷道顶板的临界承受值，影响巷道稳定性。

2 现场监测及冲击地压仿真分析方案

对井下2021 年9 月18 日到10 月23 日的综采作业速度、微震能量变化进行监测，结果如图3 所示。

图3 综采速度与微震能量关系曲线

由监测结果可知，在2021 年9 月19 日到10 月4 日期间，综采区域在富水区的下侧，综采速度的变化对综采过程中的微震能量的变化影响不大。从10月5 日到10 月23 日期间，综采面处于疏水的增压区域，此时综采速度的变化对微震能量的影响开始增加。当日进尺达到7.8 m/d 时，日微震总能量最大达到了1 154 kJ；当日进尺达降低到4 m/d 时，微震能量显著降低。

由此证明了仿真分析的正确性，顶板的损坏是由于综采扰动和增压区的垂直应力相叠加，超过巷道顶板的临界承受值导致的。针对煤矿井下顶板疏水综采面冲击地压产生的原因，结合井下的实际情况，本文提出了一系列的措施防止冲击地压的产生，主要包括在增压区加密卸压钻孔、在疏水区补强支护、在增压区进行顶板预断、适当降低综采速度等[5]。

1）增压区加密卸压孔。为了保证综采作业地顺利进行，降低增压区应力的影响，在地质勘探后提前对增压区设置卸压孔，降低增压区的应力状态。

2）疏水区补强支护。为了减少在应力叠加下顶板的变形情况，在疏水区域的增压区各增设一排单元架，从而有效提升超前被动支护的强度。

3）增压区进行顶板预断。在增压区前后进行顶板预断，阶段应力传播的途径，降低在过增压区时对应力叠加的影响。

4）降低回采速度。利用仿真分析方案，对增压区最大允许综采速度进行限制，保证其综采扰动和增压区应力叠加值小于顶板的可承受值，提高巷道稳定性。

3 实施效果

在2021 年10 月29 日按上述措施进行优化后，进行综采过程中的微震能量监测，结果表明从优化后到2021 年12 月30 日，在过疏水增压区的过程中未再出现过巷道顶板开裂及掉渣现象，有效地提升了巷道在综采作业过程中的稳定性。

4 结论

1）顶板区域疏水后增压区和冲击应力叠加超过了冲击地压的临界值是导致巷道顶板变形的主要原因；

2）综采速度越快，在巷道掘进过程中产生的扰动应力就越大；

3）在增压区加密卸压钻孔、在疏水区补强支护、在增压区进行顶板预断、适当降低综采速度，能够有效降低井下综采作业时的冲击地压，提高巷道稳定性。