胡家河煤矿综放工作面冲击地压影响因素分析

田晓红

（陕西能源职业技术学院煤炭与化工产业学院， 陕西 咸阳 712000）

引言

该论文以胡家河煤矿401101 工作面为研究背景，在借鉴国内外冲击地压机理研究、监测预警和治理经验的基础上，通过现场调研和分析，采用FLAC3D 数值模拟的分析测试方法，结合矿井地质开采条件和特点，开展冲击地压影响因素分析，探索研究胡家河矿冲击地压发生的机理，合理划分危险区域，从而针对性提出本矿工作面冲击地压防控技术措施。本论文的研究成果将为胡家河煤矿工作面治理冲击地压工作提供指导作用，同时对于其它具有相似地质条件的矿井的冲击地压防治也能提供一定的借鉴。

1 工程背景

胡家河矿井位于咸阳市长武县和彬县交界地带，隶属长武县、彬县管辖。总面积52.7 km2，矿井资源/储量819.75 Mt，工业储量740.69 Mt，矿井的可采储量395.44 Mt，设计年产原煤500 万t，服务年限为69 年，矿井总投资34.75 亿元。井田主要可采煤层为4 煤层，煤层埋深为578～817 m，平均680 m。

2 胡家河煤矿冲击地压影响因素

2.1 掘进扰动

2.1.1 掘进工作面围岩应力分布规律

掘进工作面周围煤岩体应力分布特征与一般巷道具有显著差异，其对迎头前方及后方局部应力及冲击危险状态都将造成一定影响。为探测胡家河煤矿掘进工作面对冲击地压的影响规律，利用FLAC 有限差分软件对掘进工作面围岩应力分布规律进行模拟测试研究。

为使模拟效果符合现场实际，根据地应力测试结果和煤岩样实验室测试数据对模型的初始应力状态和物理力学参数进行赋值。其中水平应力设定为垂直应力的1.7 倍，方向垂直与巷帮。

为考察掘进工作面对迎头前后应力状态的影响，截取了距掘进工作面不同距离的垂直切面上垂直应力与水平应力分布，截面位置如图1 所示。

1）掘进工作面四周的垂直应力，在巷道开挖以后被重新分布。对于煤层而言，应力降低区出现在工作面前端0～4 m，应力升高区出现在前端4～9 m 处，垂直应力最大集中区位于前方6 m 处，集中系数约为1.17，应力峰值约为19.7 MPa。总体而言，掘进工作面后方顶、底板围岩的垂直应力集中程度要小于工作面前方。

2）在掘进工作面前方，煤层水平应力的变化相对顶底板剧烈，而在掘进工作面后方，顶底板水平应力则更为剧烈。总体而言，工作面前端水平应力集中程度明细小于掘进工作面后端顶和底板围岩。

3）从上页图2 可以看出：在掘进工作面前方8m到工作面后方8 m 的垂直切面上，应力分布变化范围较大。原岩应力中垂直应力小于水平应力，所以垂直应力的变化范围小于水平应力的变化幅度。在此工作范围之外，掘进工作面前方不受影响，后方的应力分布与巷道保持一致。

在沿巷道轴向上，在掘进迎头前方，相比顶、底板的煤层应力，掘进迎头前方的垂直应力更集中，变化也比较明显；而在掘进迎头前方、后方都有水平应力集中现象，只是前方的集中程度明显小于后方，峰值位于迎头上方顶板表面3 m 处的层位。水平应力是胡家河煤矿的主应力，巷道掘出后，顶底板将一直受到高水平应力影响，在全煤巷道的四周相同的围岩结构及强度下，冲击破坏主要表现在顶、底板。

2.1.2 掘进工作面相互扰动

冲击地压矿井采掘扰动的影响可从两方面理解：

1）采动应力相互叠加，静态应力水平升高。与非冲击地压矿井类似，采掘作业将导致巷道围岩的采掘应力场不断发生变化，并且这种变化将持续到采掘过程后期一段时间内，在此过程中，随着围岩分区域加载、卸载的变化，将导致的应力与弹性能的重新划分。

2）采掘活动为彼此提供动载荷，围岩动态应力瞬间升高。从常规的静态应力场角度出发，非采动影响区通常是指采掘空间周围支承压力影响范围之外的区域。

图3 描述了掘进工作面引起的常规采动应力和动载荷作用范围对比示意图，关于实体煤中的掘进巷道，常规意义上的采动应力作用范围一般为巷道高度的3～5 倍，因此，对于胡家河煤矿20 m 煤柱，两侧巷道间的采动应力相对较弱，但是动载荷的瞬间影响范围要远大于采动应力作用范围。

2.2 回采扰动

2.2.1 401101 工作面矿压特征

研究表明，401101 工作面在回采过程中具有显著的大、小周期来压现象。大周期来压是指高位老顶周期来压，在部分大周期来压之间存在规律性的小周期来压。大周期来压主要表现为支架工作阻力显著增加，安全阀频繁开启，持续时间约3～5 d，影响范围平均18 m，来压步距在60 m 左右。小周期来压与大周期来压的特点相似，但持续时间较短，一般为1～2 d。如表1 所示。

表1 76 号支架（19 号监测分站）周期来压分析

从有限的监测数据分析可知，401101 工作面顶板断裂具有明显的分层性，下位老顶短步距断裂使得覆岩弹性能释放更加趋于均匀，从而降低了高位厚硬岩层断裂时的动载强度。

2.2.2 401101 工作面采空区覆岩破坏特征

根据西安煤科院提供的《胡家河、孟村矿井综合防治水项目钻井工程施工竣工报告》，对401101 工作面采空区两带发育高度进行了钻孔探查，T5、T6 孔采前施工时观测一次；待工作面推采过钻孔位置两个月后进行采后施工，重新观测。主要结论如下：

T5 孔孔口标高为+1 020.60 m，导水裂缝带发育标高为601.507 m，高出4 煤225.427 m，4 煤采厚10～12 m，反算裂高采厚比为18.79～22.54。顶板导水裂缝带发育高度为225.427 m。

T6 孔导水裂缝带发育高度为埋深447.7 m，高出4 煤（641.80）194.10 m。

可见，401101 工作面开采完毕后，2 个月内采空区顶板充分断裂、垮落，直至稳定，未形成厚硬关键层的悬顶现象，从能量积聚与释放的角度来讲，煤层高位覆岩破断形成的动载荷对工作面及巷道冲击地压的影响相对缓和。

2.3 巷道布置

2.3.1 巷道布置方式与区段煤柱宽度

1）单巷布置与冲击地压防治。对于单巷布置方式来说，通常将避开采动支承压力峰值作用的范围，来确定沿空巷道位置，或者区段煤柱宽度的主要根据。

2）双巷及多巷布置矿压规律。当前，胡家河煤矿不但受冲击地压灾害的危险，还受到水、瓦斯、自燃等灾害的威胁，因此401101 工作面和402103 工作面均采用了双巷布置的方式，后期401102 工作面则将灌浆巷和泄水巷进行合并，靠近401101 工作面侧双巷布置，另一侧单行布置。

3）区段煤柱、侧向支承压力与冲击地压防治。双巷及多巷布置条件下，巷道变形的主要影响因素有围岩物理力学性质、围岩结构、地应力、煤柱宽度、顶板物理力学性质及采空区垮落特征、支护方式等。其中煤柱宽度、支护方式等因素可控，顶板岩性虽不可控，但其垮落规律及其与时间的相关性可以加以利用。

一般，多巷布置条件下，区段煤柱的应力分布不但受自身宽度的影响，还与相邻区段工作面采空区侧向支承压力密切相关。将煤柱本身形成的小应力分布称为小应力结构，将采空区悬顶导致的侧向支承压力称为大应力结构。显然，由于采空区悬顶一般显著大于巷道宽度，因此，在应力量值上，大应力结构显著大于小应力结构。但由于巷道近区围岩的力学性质、结构特征等性质对巷道变形起到重要作用，因此，煤柱的宽度及其完整性仍需加以重视。

2.3.2 巷道轴向与地应力方向

地应力测量结果表明，在浅部矿井，最大水平主应力显著高于最小水平主应力。

在胡家河402103 工作面这一规律表现的比较明显，该区域最大水平主应力为北偏东67°±9°，在该工作面的4 条顺槽中，左侧顶板较右侧更加破碎，巷道成型后，右侧高度比左侧高度低约30～50 cm。这一现象表明，最大水平主应力对左右成巷差异起到了关键作用。

2.4 采掘速度

2.4.1 推进速度大小

工作面推进度是由工作面的微震和危险期、地音监测决定的，不同时期段、不同危险区域工作面的合理推进度不同。

根据402103 工作面ARAMIS M/E 微震监测数据，回归得到进入采空区前微震活动与推进度的关系如图4 所示。可见，工作面随推进度增加，微震活动也增加，当推进度超过4 m/d 时，微震活动急剧增加，因此，该区域推进度控制在不超过4 m/d。

工作面采掘速度应与巷道围岩及工作面覆岩能量的释放规律相适应，合理的采掘速度应能够使得煤岩能量的积聚与释放处于相对平衡的状态。而其释放规律与煤岩层冲击倾向性及顶板结构等因素密切相关。分析认为，402103 掘进工作面初期动力显现强烈与其掘进速度过大有关。

2.4.2 推进速度均匀性

研究表明，当回采工作面匀速推进时，对冲击地压防治是有利的，工作面停采后恢复生产时期、推进速度不匀速、推进速度突然加速或者减速等，都将有可能引起冲击地压的发生，从防冲的角度分析是不利的。

3 结论

1）对402103 掘进工作面的研究结果表明，在沿巷道轴向上，垂直应力集中主要集中在掘进迎头前方，且煤层应力变化较顶、底板更为显著。水平应力在掘进迎头前方和后方均有集中现象，但后方应力集中程度显著大于前方，水平应力峰值处于迎头上方距顶板表面3m 处的层位。受地质条件影响，该工作面采掘至中部向斜及北部煤厚骤变区附近时，冲击危险性增加。

2）401101 工作面回采过程中周期来压具有显著的大、小周期的特点。大周期来压步距约为60 m，持续约3～5 d，影响范围平均18 m，来压时动载系数1.2～1.3，使得该区域工作面回采过程中动载荷作用更加剧烈。

3）实践表明，沿空侧留设窄煤柱护巷有利于冲击地压的防治。若留设宽煤柱，沿空巷道受上区段采空区顶板活动及其稳定后形成的侧向支承压力影响显著。401102 工作面回风巷和泄水巷掘进至401101 工作面超前支承压力影响范围和工作面后方一段距离时，必然要受到采空区顶板活动强烈的影响，冲击危险性将显著升高。

4）工作面采掘速度和均匀度对冲击地压影响显著，为降低冲击地压发生危险，应适当控制采掘速度，并保证采掘速度的均匀性。