工作面超前动力显现机制及防治措施

摘 要：为解决工作面超前大范围动力显现问题，本文研究了工作面微震、应力分布特征和工作面大、小周期来压规律，揭示了工作面超前动力显现的机制，并提出了防治措施，研究结果表明：高位坚硬顶板岩层协同垮落、破断联动是导致工作面超前动力显现的原因，因此降低工作面推采速度并采取煤层注水措施，有效减少了工作面煤体应力，降低了矿压显现强度，工作面无动力显现事件发生，证明了防治措施的有效性，对工作面安全生产提供了重要保障。

关键词：超前动力显现；应力预警；推采速度；煤层注水

中图分类号：TD 32" " " " " " " " 文献标志码：A

工作面开采后形成采掘空间结构演化，进而导致工作面出现超前动力显现。对冲击地压矿井来说，矿井动力显现是冲击地压发生的前兆。因此，正确分析矿井动力显现机制并采取措施消除冲击危险是重中之重。众多学者对矿井动力显现和防治措施进行了研究[1-3]。冯锐敏等[4]研究了支承压力集中程度、变化规律，有效控制了工作面动压现象。昝军才等[5]研究了裂隙在顶板、煤柱帮和实体煤帮内的发育程度及分布规律，分析了动力显现区域巷道围岩的稳定性。曹安业等[6]探究了临近断层处孤岛工作面开采时断层煤柱的受力状态与动力显现的发生机理，并利用震动波CT技术对工作面冲击危险性进行动态预警。上述学者对矿井动力显现机制、监测预警、防治措施进行了研究，取得了丰硕成果，指导了许多矿井的安全生产[7-11]。因此，本文在前述研究的基础上，结合不同开采阶段矿井动力显现特征，对某矿超前300m动力显现现象进行研究，并制定针对性防治措施，保证工作面正常开采。

1 工程概况

某矿工作面长度280m，走向长度1200m，煤层厚度6.0m，煤层层位稳定，为近水平煤层，平均埋深约600m。根据冲击倾向性鉴定结果，该煤层和底板为弱冲击倾向性，煤层顶板具有强冲击倾向性，强冲击性顶板更容易积聚弹性能，与其他条件顶板相比，其受力破断、垮落对工作面的扰动也更大。当工作面推采约400m时，矿压显现明显且超前动力显现严重（领先工作面300～350m，如图1所示），严重影响了矿井的安全生产，问题主要包括工作面推采过程中出现顶板大能量微震事件，巷道顶板和帮部锚杆、索支护失效，巷道底鼓严重，工作面煤体应力预警严重。

2 工作面超前动力显现机制分析

2.1 大能量震源分析

提取并分析工作面推采期间微震数据（如图2所示），从图中可以看出，工作面顶板垮落高度为70m，工作面底板破坏深度为45m。如图2（a）所示，工作面应力集中水平高，导致底板破坏深度大，底鼓现象明显。工作面上覆顶板存在砂岩层形成厚硬砂岩组，工作面上方70～100m坚硬顶板协同垮落，导致工作面矿压显现现象明显，微震能量较大。

图2（b）、图2（c）为工作面在X、Y方向微震能量的分布截图，从图中可以看出，工作面中部震点分布均匀且大多为小能量微震事件，大能量事件集中在开采工作面沿空侧，工作面受采空区侧向支承压力影响大，且与超前支承压力叠加影响，导致开采扰动大。受较高集中应力影响，工作面底板破坏深度大，底鼓现象严重。工作面顶板垮落高度没有达到理论水平，工作面上方70～100m存在协同垮落坚硬岩层，是大能量事件的主要来源。

整理工作面到见方阶段微震事件（表1），发现工作面微震能量增加，且随着推采产生跃迁现象，推采过见方阶段后，微震事件没有跨量级事件发生。因此，高位顶板是造成大能量事件的主要来源。

2.2 工作面应力监测数据分析

整理工作面应力数据分析，工作面超前应力呈明显的大小周期来压（如图3所示），该矿煤体应力预警值为12MPa，大周期来压超过2倍的预警值，且随着工作面开采，小周期来压也逐渐超过预警值。综上煤体超前应力分布及规律，导致工作面出现小周期来压的原因是低位岩层的周期破断，出现大周期来压的原因是高位协同垮落坚硬岩层周期破断，小周期来压强度变大的原因是工作面垮落带和弯曲下沉带的高度增加。

2.3 工作面超前动力显现机制分析

工作面初采阶段，在大煤柱的支撑下，能够保证工作面处于单工作面的“O”形到“X”形覆岩演化阶段，顶板结构内部呈现“X”形垮落，外部呈现“O”形断裂，大煤柱能够支承单工作面的集中应力和顶板动载，如图4所示。当工作面推采至一定阶段，随着大煤柱的疲劳损伤，形成了双工作面“S”形顶板联动，临空侧顶板垮落和实体煤侧顶板断裂均呈现“S”形结构，此时的大煤柱已经无法单独承担双工作面顶板联动的高水平静载应力和较强的动载扰动，如图5所示。此时，由于双工作面高位顶板联动，会造成工作面大煤柱超前区域应力集中，并发生超前大范围的动力显现。因此，工作面超前动力显现的原因是高位顶板的联动演化。

3 工作面超前动力显现防治措施及效果

3.1 控制推采速度

在不同回采速度条件下，巷道围岩应力特征、顶板活动剧烈程度、来压步距大小以及超前应力的分布均有所改变。降低工作面推采速度，可以有效缩短顶板破断距离，从而削弱动力显现强度。

统计工作面推采速度与微震能量事件的对应关系如图6所示。随着推采速度增加，微震总能量呈现先增后减趋势，当推采速度达到5刀/d时，微震总能量呈现小幅度上升趋势，当推采速度达到7刀/d时，呈现大幅度跃迁现象，当推采速度8刀/d时，微震能量达到最大。微震频次、大能量事件频次总体呈现先增后减的趋势，当5刀/d时，总频次和大能量频次为最小值，当7刀/d时出现跃迁现象，当推采速度9刀/d时达到最大。综上所述，推采速度对微震能量、频次有巨大影响，由图6可知，推采速度5刀/d、7刀/d为能量和频次的剧烈变化区间，因此，推采速度≤5刀/d可以有效减少顶板破断对煤层开采的扰动。

3.2 煤体注水

注水湿润煤体，可使煤的力学性质发生明显变化，从而使应力分布发生变化，即应力向煤体深部转移，应力集中系数变小。在工作面推采过程中，分别出现一次煤体深空、浅孔应力预警，在应力预警区域采取煤体注水卸压措施降低煤体冲击危险性。在煤体应力集中位置施工75mm直径注水孔，采用双端封堵工艺，并进行注水施工。通过20h的超前煤层注水，工作面煤体浅孔应力由12.7MPa降至3.7MPa。经过0.5h的超前煤层注水，工作面深孔煤体应力由25MPa降至5MPa，期间伴有较大声响，说明煤层注水使煤体应力有效释放。浅孔、深孔注水卸压过程中的应力变化趋势如图7、图8所示。

3.3 效果验证

降低推采速度可以有效降低坚硬顶板破断释能等级，煤体水力压裂能有效释放煤体释放能量、转移煤体应力。根据监测结果和现场实际情况，将工作面推采速度降至5刀/d以下，并采取煤层注水卸压措施后，工作面无煤体应力预警，且工作面后续推采过程中无动力显现事件发生，有效降低了工作面矿压显现强度，在工作面后续开采过程中，微震事件能量保持在104J级以下，无大能量动力事件发生，证明了防治措施的有效性，保障了工作面的安全，工作面卸压措施效果验证图如图9所示。

4 结语

本文通过研究，得出以下结论。1）通过分析工作面动力显现震源分布特征，工作面上方存在70～100m坚硬岩层协同垮落是大能量事件的主要来源。2）工作面存在大、小周期来压现象，工作面小周期来压的原因是低位岩层的周期破断，大周期来压的原因是高位协同垮落坚硬岩层周期破断，小周期来压强度变大的原因是工作面垮落带和弯曲下沉带的高度增加。3）工作面超前大范围动力显现的原因是工作面高位坚硬顶板岩层协同垮落、破断联动，并据此提出了控制推采速度降低动力显现强度和煤层注水降低应力预警措施，在后续工作面推采过程中，验证了卸压措施的有效性，保障了工作面安全生产。

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通信作者：郑波（1993-），内蒙古乌审旗人，助理工程师，研究方向为冲击地压灾害治理技术。

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