郭屯矿2303 工作面冲击地压防控技术研究

张 泉，郑义宁

（兖矿能源集团股份有限公司 东滩煤矿，山东 济宁 272000）

0 引 言

冲击地压是采掘工作面煤岩体积聚的弹性变形能突然释放，产生强烈震动，造成煤岩体剧烈破坏的动力灾害[1-2]。随着我国煤矿开采深度和强度的不断增大，煤矿面临的冲击地压威胁日益严重[3-4]。影响煤矿冲击地压的因素众多，发生机理不一，造成冲击地压具有复杂性和不确定性，因此有必要对矿井冲击地压危险性进行监测和预防。

目前诸多专家学者对冲击地压进行了大量的研究，朱斯陶等[5]通过理论分析和现场实测对整体失稳型冲击地压进行了分类，并给出了防控措施；吴学松等[6]提出了运用建立、完善煤矿矿井冲击地压防控体系的方法，实现零冲击目标管理，构建了八管控要点的冲击地压防控体系；曹安业等[7]针对煤矿应用背景构建了反演矩阵，统计分析了矿震破裂机制与震源参量的响应规律。

本文以郭屯矿2303 工作面为背景，通过分析郭屯煤矿2303 工作面冲击地压主控因素，提出了针对性的防控措施，并进行了现场应用。研究成果对于同类型条件下的冲击地压防控具有重要意义。

1 概 况

郭屯煤矿2303 工作面为二采区第三个工作面，工作面宽约260 m，回采推进长度约840 m；地面标高+41.6—+45.4 m，工作面标高-670—-770 m，最大埋深815 m；煤层厚度5.0～7.9 m，平均厚度6.3 m，煤层倾角0～18°；工作面受埋深大、顶板坚硬、地质构造复杂（断层、褶曲等）、高地应力等因素影响，整体评价为中等冲击危险，工作面布置如图1 所示。

图1 2303 工作面布置示意Fig.1 Layout of No.2303 Face

截至2022 年11 月10 日中班，工作面已推采513.4 m，剩余326.6 m。2022.11.1～ 2022.11.10 日累计推进23.38 m，2022.11.4～ 2022.11.10 日累计推进17.45 m，一周内平均推采速度为2.49 m/d。工作面轨道顺槽处于中等冲击危险区；胶带顺槽处于弱冲击危险区。工作面受自重应力、采动应力、采空区侧向支承应力、周期来压及工作面双“见方”等因素叠加影响，存在冲击风险。

2 2303 工作面冲击地压主控因素分析

根据2303 工作面具体开采条件，深入分析工作面采深、顶板岩层结构、地质构造、煤岩体力学特性等不同影响因素对冲击危险的影响程度。

2.1 采深因素

根据冲击地压发生的应力准则，当煤体中的垂直应力为煤体单轴抗压强度的1.5 倍，煤体就具备了发生冲击地压的应力条件，对应的埋深为临界冲击深度，具体见式（1）。

式中：Hn为埋深，m；kn为应力集中系数；γ 为岩层平均容重。

根据郭屯煤矿2303 工作面具体条件，带入相关数据，可得工作面发生冲击危险的临界采深为538 m，而2303 工作面实际开采深度标高为-670—-770 m。因此，已具备冲击地压发生的深度条件。

2.2 顶板岩层结构因素

郭屯煤矿2303 工作面上覆第四系与新近系以松散层为主，厚度在500～ 650 m，其下为石盒子组岩层，厚度在120～ 200 m，以泥岩、粉砂岩为主，岩性较为松软。当深厚表土工作面推采距离较短时，由于基岩的承载作用，厚表土层能够独立向工作面前方传递应力；当关键层发生断裂回转下沉时，厚表土层无法继续独立向煤壁前方更远处传递载荷。加之，松散层自身性质无法形成稳定承载结构，此时采场上覆岩层载荷压力作用点分布在底部断裂的基岩上，其上覆岩层形成的倒梯形结构内介质重量将以均载荷的形式作用于断裂基岩上部，导致煤体前方超前支承压力剧烈提升，此时容易诱发冲击地压，如图2 所示。

由式（9）同理可得到香港股市的代理变量恒生指数的日收益率，并将“深港通”开通前的深证成指日收益率及香港恒生指数日收益率分别定义为QRSZ、QRHS，“深港通”开通后的深成指数及香港恒生指数的日收益率分别定义为HRSZ、HRHS，统计分析软件为WINRATS8.0和EVIEWS8.0。

图2 厚表土应力传递示意Fig.2 Stress transmission of thick topsoil

2.3 地质构造因素

在褶曲、断层以及相变等较为明显的地质构造附近，其构造残余应力一般较大，从而增大了冲击地压发生的风险。2303 工作面地处华北板块与鲁西隆起，主要受控于以单斜构造为主导的断裂带。其中，近EW 向断裂构造规模较大，以断面平直、延伸远的凸起和凹陷为主体；此外，区域内还大量发育NE～NNE 和EW 向褶皱，使得整体构造应力场更为复杂。根据郭屯煤矿二采区的地应力研究结果，其最大主应力大小为35.02～35.04 MPa，平均值为35.03 MPa，约为自重应力的1.78～1.83 倍，因此，发生冲击地压的可能性较大。

2.4 煤岩体的力学特性

生产实践和试验研究表明，当煤岩体的强度较小时，引发冲击地压所需应力条件就越高。2303工作面的煤体强度在9.87～28.3 MPa，总体强度较低；加之，部分厚煤层有软弱夹矸结构，积聚弹性能的属性相对较弱，因此，该因素影响下发生冲击地压的可能性较小。

综上所述，对2303 工作面而言，其冲击灾害的主控因素排序为开采深度因素＞顶板岩层结构因素＞地质构造因素＞煤岩体力学性质因素。

3 2303 工作面冲击地压防控技术

3.1 2303 工作面冲击地压防控原则

针对郭屯煤矿2303 工作面的冲击地压具体影响因素，提出如下防控原则。

（1）加强工作面超前支护强度管理，确保单元支架初撑力不小于16 MPa，支护长度不低于120 m；并且严格落实工作面限员管理。

（2）合理控制推进速度，中等冲击危险区每天不超过3.2 m/d；加强监测数据分析，发现异常及时采取有针对性的措施。

（3）定期排查超前应力集中区卸压孔塌孔情况，发现连续3 个出现严重塌孔现象，及时进行套孔或二次卸压，提供低应力开采环境。

3.2 2303 工作面冲击地压具体防控措施

为应对2303 工作面的冲击危险，根据上述防控原则，结合具体开采条件提出如下防控措施。防控支护方案如图3 所示。

图3 2303 工作面冲击地压防控支护方案调整Fig 3 Support scheme adjustment of rock burst prevention of No.2303 Face

（2）针对工作面回采期间的巷道变形情况，对2303 工作面顺槽提出调整方案。巷道断面由矩形变更为梯形，上底净宽5.0 m，下底净宽5.4 m，净高3.8 m 不变，变更后断面为19.76 m2，底板与帮部夹角87°；帮部锚索梁改为竖向布置，锚索间排距1 600 mm×1 800 mm；巷道两帮肩窝处锚杆变更为φ21.8 mm×3 200 mm 锚索；帮部W 钢带由WD275 mm×2.75 mm 变更为WD275 mm×4.75 mm。

4 现场监测及分析

4.1 工作面开采期间微震监测

2303 工作面在开采期间应用ARAMIS M/E 微震监测系统进行微震监测，应用本文所提出的防控措施及调整方案后，2022.11.4～2022.11.10 共监测微震事件20 次，总能量3.7×104J，单次微震事件最大能量9.6×103J，震源位于2301 采空区，事件主要分布在面后30 m 至面前100 m 内，部分事件定位在相邻采空区内；微震事件离散度较高，原沿空侧聚集性不再明显，如图4 所示。在保证工作面正常生产，整体保持均衡推采的情况下，调整方案后，事件总频次有所减少，能量下降趋势明显；第四周的微震次数、单个最大能量、总能量比前三周大幅度下降；仅三、四周对比，第四周监测微震事件20 次，比第三周减少20 次；第四周总能量3.7×104J，比第三周减少4.1×104J，如图5 所示。

图4 2022.11.4～2022.11.10 日微震事件分布Fig.4 Microseismic event distribution from 11.4 to 11.10

4.2 工作面开采期间应力监测

2022.1 1.4～2022.11.10 期间，轨道顺槽内6 个测点（图6a），应力监测最大值与增幅最大值为轨23 深测点，其他5 个测点数值基本保持不变；轨23 深测点在11.7 日开始增大，后续呈线形缓慢增长；轨道顺槽面前98 m，11.4～11.5 日期间单日增幅最大应力由10.48 MPa 上升至11.83 MPa，主要受回采扰动、超前支承应力叠加以及断顶后静载荷作用影响，24 h 内最大增幅1.35 MPa，未发生应力预警。胶运顺槽内6 个测点（图6b），监测组随工作面推采应力更平稳，略呈递增趋势，变化范围较小，符合正常应力传递和演变规律，说明应用调整后的防控方案效果较好。

图6 工作面应力监测结果Fig.6 Stress monitoring results of working face

5 结 论

（1）通过对2303 工作面具体条件进行分析，确定其冲击灾害的主控因素排序为开采深度因素＞顶板岩层结构因素＞地质构造因素＞煤岩体力学性质因素；针对2303 工作面的冲击地压防控方案将巷道断面形状调整为梯形，同时进一步加强工作面支护强度。

（2）2303 工作面2022.10.11～2022.11.10 的微震监测结果表明，调整巷道断面及支护方案后，微震事件总频次有所减少，能量下降趋势明显，微震单个最大能量、总能量大幅度下降。

（3）2022.11.4～2022.11.10 期间的应力监测结果表明两巷应力在推采过程中略呈递增趋势，但总体较为平稳，变化范围较小，符合正常应力传递和演变规律，说明调整后的防控方案效果较好。