论文部分内容阅读
摘 要：本文从工程角度分析了工作面开采，冲击地压危险和采高、推进度之间关系，阐述了冲击地压煤层合理采高、合理推进度的必要性。
关键词：冲击地压；采高；推进度；关系
长期以来，具有冲击危险的煤层工作面如何确定采高和推进度一直困扰着煤矿现场安全管理和技术人员，那么工作面采高和推进度和冲击地压又有什么内在联系呢。
我们从工程角度和实例加以分析说明：
1 冲击地压与工作面采高的关系
1.1 采高与冒落带高度的关系
冒落带与采高的关系如下：
式中Kp为碎胀系数一般取1.1～1.3，以峻德三水平北17层为例，顶板基本为砂岩厚层顶板，破断后块体性较好， Kp取小值，采高3.5m，垮落带高度约为35m左右。由上式垮落带高度与采高成线性关系，若将采高调整为4.5m，则垮落带高度增大为45m左右，进入垮落带的岩层厚度及层数增加。
1.2 采高与超前支撑压力的关系
工作面超前支撑压力与采高的关系如下：
图1 工作面前方垂直应力分布与煤厚（采高）的关系
工作面超前支撑压力峰值距工作面煤壁的距离与采高成线性关系，采高越大，峰值应力距煤壁越远，且峰值应力大小有所减小，但当采高达到3m时，峰值应力较小幅度不大。峰值应力距煤壁越远，对于由工作面采动诱发的冲击地压防治有利，这对于煤厚小于2m的较薄煤层效果较为明显，对于厚煤层效果不突出。
以峻德煤矿三水平北17层三四区一段综采工作面为例，从工作面柱状图来看，距煤层上方10m处存在一层厚度20～40m不等的粉砂岩顶板，当局部厚度较厚不能充分垮落时，将导致采空区大面积悬顶，此时后部采空区产生的作用于阶段煤柱的侧向支撑压力以及作用于工作面前方煤体的超前支撑压力将增大，此种情形增大的超前支撑压力可能超过由于增加采高而降低的那部分支撑压力，从而使超前支撑压力较采高3.5m时更大。从这个角度来说，增加采高并不能体现其降低冲击危险的优越性。
1.3峻德矿北17层三四区一段综采工作面冲击地压类型及诱因
从已发生的几次冲击地压显现来看，冲击地压主要影响因素为坚硬厚层顶板、宽度变化的阶段弹性煤柱。坚硬顶板在上段采空区形成悬顶与阶段煤柱作用导致阶段煤柱高应力集中，同时较宽的阶段煤柱存在弹性核区，在受到本工作面超前支撑压力综合作用下，应力集中程度更大。在初次来压、周期来压等顶底板突然卸载产生的强矿震作用下最终导致工作面超前20m附近发生冲击。
1.4 采高变化与矿井产量的关系
在每天相同进尺下，增大采高可增加工作面单产，可提高矿井生产效益。但增加采高同时增大了对围岩的扰动，对于冲击危险工作面，当冲击危险上升时，为了降低危险又必须减少进尺，进而降低参量，一增一减，并不一定能提高矿井生产效率。如果不减少进尺又将增大冲击危险，一旦冲击发生，又必将影响生产效率。
对于峻德矿三水平北17层，煤层较厚，综一面回采的是顶分层，其下分层工作面为放顶煤工作面。放顶煤工作面对煤厚及煤厚变化具有较好的适应性，因此可将本工作面增加采高那部分煤量留在下分层放采。
2 冲击地压与工作面推进度的关系
2.1工作面推进速度与工作面冲击危险状态分析
按照采场顶板控制的原理，快速推进可以减少垮落带高度，从而小幅度降低支架承受的静载荷，但快速推进却存在以下问题：
1）使顶板岩层破断、垮落不充分，增加悬顶长度，从而增加了工作面煤壁超前支承压力，且顶板积聚能量与悬顶长度的5次方成正比，因此，顶板积聚弹性能增加。
2）工作面回采过程中释放能量主要来源于上覆岩层下沉释放的重力势能，在推进长度一定的情况下，上覆岩层释放能量一定，因此，增加推进速度就缩短了顶板岩层积聚大量弹性能释放所需要的时间，使得能量快速剧烈释放，形成强烈的动载荷（强矿震），会造成支架损坏和煤壁片帮。因此，快速推进将造成高静载荷强动载的相互叠加，对防冲不利。
3）综采面推进速度增加，围岩的加载速度随之增加，水平应力和垂直应力均增大，应力峰值位置距工作面煤壁距离减小，煤体的强度、脆性增加但韧度降低，煤层塑性卸压区范围减小，发生冲击地压的概率增大。
2.2工作面目前的冲击危险状态分析和合理推进度确定
矿震时序图可看出，工作面复采以来的矿震发生在时间上有一定的周期性，7月中旬到8月中旬，8月中旬到9月中旬为两个矿震的活跃期，活跃期内矿震能量或频次均处在较高的水平，活跃期结束能量和频次均有所下降。在9月中旬到10月中旬，矿震能量虽较前两个时期少些，但矿震频次仍处在一个较高的水平，回采过程中仍有一定的冲击危险性。到10月下旬，矿震的能量和频次均有所上升，能量为105 J的矿震在较短的时间间隔内出现2次，频次也维持在较高水平。为此兴安矿科学调整推进度，由原日产3刀2.4m降至日产2刀1.6m，安全采过风道中期回风石门和多巷交叉冲击危险区域，目前工作面推进度严格控制在日产3刀2.4m推进度，矿震能量和频次趋势区域平稳。
3结语
冲击地压的发生诱因多样，工作面采高和推进度不是冲击地压的主要诱因，但具有冲击地压危险的煤层开采合理确定工作面采高和推进度对冲击地压防治还是十分必要的。一般3.5m以下的煤层宜一次采全高综采工艺回采，对于特厚煤层先采首分层的工作面分层采高一般为宜超过3.5m或是直接采取底分层综采放顶煤工艺（顶煤缓冲、吸能效果要优于顶分层开采）。具有冲击危险的工作面应合理确定工作面的推进度，一般依据采场的几何尺寸、矿压显现及冲击地压危险监测情况具体而定，在現有监测手段条件下，微震能量和频次趋势平稳，应力在线监测没有达到预警级别的匀速推进是合理的，当监测趋势异常、达到预警级别应合理降低工作面推进速度。目前峻德矿综采一队三水平北17层三四区一段一分层工作面确定日推进度2m/日，兴安矿综采一队四水平北11层中部区二段综放工作面确定日推进度2.4m/日，各种监测趋势平稳，无破坏性的冲击显现。
作者简介：
吕孝先，男，1974年出生，2014年毕业于黑龙江科技学院地下采煤专业，大学本科学历，助理工程师职称，现工作于龙煤鹤岗矿业公司生产部采煤科。
关键词：冲击地压；采高；推进度；关系
长期以来，具有冲击危险的煤层工作面如何确定采高和推进度一直困扰着煤矿现场安全管理和技术人员，那么工作面采高和推进度和冲击地压又有什么内在联系呢。
我们从工程角度和实例加以分析说明：
1 冲击地压与工作面采高的关系
1.1 采高与冒落带高度的关系
冒落带与采高的关系如下：
式中Kp为碎胀系数一般取1.1～1.3，以峻德三水平北17层为例，顶板基本为砂岩厚层顶板，破断后块体性较好， Kp取小值，采高3.5m，垮落带高度约为35m左右。由上式垮落带高度与采高成线性关系，若将采高调整为4.5m，则垮落带高度增大为45m左右，进入垮落带的岩层厚度及层数增加。
1.2 采高与超前支撑压力的关系
工作面超前支撑压力与采高的关系如下：
图1 工作面前方垂直应力分布与煤厚（采高）的关系
工作面超前支撑压力峰值距工作面煤壁的距离与采高成线性关系，采高越大，峰值应力距煤壁越远，且峰值应力大小有所减小，但当采高达到3m时，峰值应力较小幅度不大。峰值应力距煤壁越远，对于由工作面采动诱发的冲击地压防治有利，这对于煤厚小于2m的较薄煤层效果较为明显，对于厚煤层效果不突出。
以峻德煤矿三水平北17层三四区一段综采工作面为例，从工作面柱状图来看，距煤层上方10m处存在一层厚度20～40m不等的粉砂岩顶板，当局部厚度较厚不能充分垮落时，将导致采空区大面积悬顶，此时后部采空区产生的作用于阶段煤柱的侧向支撑压力以及作用于工作面前方煤体的超前支撑压力将增大，此种情形增大的超前支撑压力可能超过由于增加采高而降低的那部分支撑压力，从而使超前支撑压力较采高3.5m时更大。从这个角度来说，增加采高并不能体现其降低冲击危险的优越性。
1.3峻德矿北17层三四区一段综采工作面冲击地压类型及诱因
从已发生的几次冲击地压显现来看，冲击地压主要影响因素为坚硬厚层顶板、宽度变化的阶段弹性煤柱。坚硬顶板在上段采空区形成悬顶与阶段煤柱作用导致阶段煤柱高应力集中，同时较宽的阶段煤柱存在弹性核区，在受到本工作面超前支撑压力综合作用下，应力集中程度更大。在初次来压、周期来压等顶底板突然卸载产生的强矿震作用下最终导致工作面超前20m附近发生冲击。
1.4 采高变化与矿井产量的关系
在每天相同进尺下，增大采高可增加工作面单产，可提高矿井生产效益。但增加采高同时增大了对围岩的扰动，对于冲击危险工作面，当冲击危险上升时，为了降低危险又必须减少进尺，进而降低参量，一增一减，并不一定能提高矿井生产效率。如果不减少进尺又将增大冲击危险，一旦冲击发生，又必将影响生产效率。
对于峻德矿三水平北17层，煤层较厚，综一面回采的是顶分层，其下分层工作面为放顶煤工作面。放顶煤工作面对煤厚及煤厚变化具有较好的适应性，因此可将本工作面增加采高那部分煤量留在下分层放采。
2 冲击地压与工作面推进度的关系
2.1工作面推进速度与工作面冲击危险状态分析
按照采场顶板控制的原理，快速推进可以减少垮落带高度，从而小幅度降低支架承受的静载荷，但快速推进却存在以下问题：
1）使顶板岩层破断、垮落不充分，增加悬顶长度，从而增加了工作面煤壁超前支承压力，且顶板积聚能量与悬顶长度的5次方成正比，因此，顶板积聚弹性能增加。
2）工作面回采过程中释放能量主要来源于上覆岩层下沉释放的重力势能，在推进长度一定的情况下，上覆岩层释放能量一定，因此，增加推进速度就缩短了顶板岩层积聚大量弹性能释放所需要的时间，使得能量快速剧烈释放，形成强烈的动载荷（强矿震），会造成支架损坏和煤壁片帮。因此，快速推进将造成高静载荷强动载的相互叠加，对防冲不利。
3）综采面推进速度增加，围岩的加载速度随之增加，水平应力和垂直应力均增大，应力峰值位置距工作面煤壁距离减小，煤体的强度、脆性增加但韧度降低，煤层塑性卸压区范围减小，发生冲击地压的概率增大。
2.2工作面目前的冲击危险状态分析和合理推进度确定
矿震时序图可看出，工作面复采以来的矿震发生在时间上有一定的周期性，7月中旬到8月中旬，8月中旬到9月中旬为两个矿震的活跃期，活跃期内矿震能量或频次均处在较高的水平，活跃期结束能量和频次均有所下降。在9月中旬到10月中旬，矿震能量虽较前两个时期少些，但矿震频次仍处在一个较高的水平，回采过程中仍有一定的冲击危险性。到10月下旬，矿震的能量和频次均有所上升，能量为105 J的矿震在较短的时间间隔内出现2次，频次也维持在较高水平。为此兴安矿科学调整推进度，由原日产3刀2.4m降至日产2刀1.6m，安全采过风道中期回风石门和多巷交叉冲击危险区域，目前工作面推进度严格控制在日产3刀2.4m推进度，矿震能量和频次趋势区域平稳。
3结语
冲击地压的发生诱因多样，工作面采高和推进度不是冲击地压的主要诱因，但具有冲击地压危险的煤层开采合理确定工作面采高和推进度对冲击地压防治还是十分必要的。一般3.5m以下的煤层宜一次采全高综采工艺回采，对于特厚煤层先采首分层的工作面分层采高一般为宜超过3.5m或是直接采取底分层综采放顶煤工艺（顶煤缓冲、吸能效果要优于顶分层开采）。具有冲击危险的工作面应合理确定工作面的推进度，一般依据采场的几何尺寸、矿压显现及冲击地压危险监测情况具体而定，在現有监测手段条件下，微震能量和频次趋势平稳，应力在线监测没有达到预警级别的匀速推进是合理的，当监测趋势异常、达到预警级别应合理降低工作面推进速度。目前峻德矿综采一队三水平北17层三四区一段一分层工作面确定日推进度2m/日，兴安矿综采一队四水平北11层中部区二段综放工作面确定日推进度2.4m/日，各种监测趋势平稳，无破坏性的冲击显现。
作者简介：
吕孝先，男，1974年出生，2014年毕业于黑龙江科技学院地下采煤专业，大学本科学历，助理工程师职称，现工作于龙煤鹤岗矿业公司生产部采煤科。