下解放層開采覆巖結構分析及防沖研究

易恩兵

(1. 瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區，400037；2. 中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區，400037)

沖擊地壓是深部開采條件下具有強破壞力的煤巖動力失穩現象，是礦山壓力急劇顯現的一種特殊形式。在深部開采過程中，與工作面覆巖運動密切相關的礦壓動力現象不斷出現，煤體受力超過其最大承載能力發生突然失穩誘發沖擊地壓。煤體上方厚硬頂板破斷對直接頂產生的動載可促使煤體內應力積聚增加而產生猛烈的破壞。因此，深入研究工作面覆巖結構的特征及煤體承壓受力分析，對工程實踐過程中沖擊地壓的防治具有重要的理論價值和實用意義。具備開采保護層條件的沖擊地壓煤層，應當開采保護層。本文以華豐煤礦深部煤層群6號煤層在開采過程中保護4號煤層、預防沖擊地壓災害為工程背景，緊密融合采礦、巖石力學等多個領域的方法與成果，采用理論分析、工程實踐等研究手段，對保護區域內覆巖空間結構受力特征進行分析，對覆巖結構誘發沖擊地壓的規律進行深入研究，結合微震監測確定1410工作面巷道合理位置，達到保護層開采緩解沖擊危險災害、減少傷亡事故的目的。

1 工程概況

華豐礦1410工作面4號煤層厚6.3 m，傾角31°，工作面平均標高-910～-1000 m，走向長2300 m。4號煤層具有強沖擊傾向性，頂板具有弱沖擊傾向性，相鄰的1409工作面4號煤層沖擊傾向性危險指數為5.2，具有強沖擊危險性。華豐礦開采下保護層6號煤層對4號煤層進行保護，經考察，6號煤層開采對4號煤層上下傾向保護角為85°和69°，沿走向保護角為56°。實踐表明，開采保護層對沖擊地壓的防治效果顯著。華豐礦深部存在強構造應力場，-750 m水平最大水平應力為32～44 MPa，為垂直應力的1.7～2.0倍，是4號煤層單軸抗壓強度的1.5～2.0倍。1409工作面在回采過程中，工作面上平巷發生多次嚴重沖擊地壓事故，對礦井安全生產造成嚴重影響。

2 工作面礦壓理論分析與實測

2.1 工作面覆巖空間結構分析

覆巖空間結構由破裂區內部的宏觀鉸接結構和破裂區邊緣的微觀斷裂結構組成。破裂區邊緣微觀斷裂結構靠近工作面在多層空間結構下部，破裂區內部宏觀鉸接結構在多層空間結構上部。根據關鍵層理論，空間結構中巖層是以成組的巖梁組成，每組堅硬厚巖層對上覆巖層的變形和運動起著控制作用，上部軟巖隨硬厚巖層的運動而運動，每組巖梁前端支承在煤壁前方的巖層上，后端支承在采空區的矸石上。對于傾斜煤層，上覆巖層可分為空間結構內外兩部分。傾向覆巖空間內是由成組鉸接巖梁組成的結構，傾向覆巖空間結構外為緩沉結構，各組巖梁與巖層共同在煤壁前方形成支承壓力。

覆巖多層空間結構的高度是指對深部工作面礦壓有明顯影響的巖層運動高度，該高度超出了6～8倍的采高。工作面周圍由于巖層運動而產生的應力變化與巖層運動的劇烈程度相關，產生劇烈運動的巖層高度范圍約在工作面上方100 m左右。在充分采動階段，工作面上方產生斷裂離層高度約為90 m，在此高度范圍內的巖層對工作面附近應力狀態影響較大，而超出此范圍的巖層運動較緩和，對工作面附近應力狀態的影響小。

2.2 覆巖結構走向支承壓力分析

頂板各巖梁應力增量疊加可得到覆巖空間結構在工作面前方產生的應力增量總和，與煤層上方巖層自重應力疊加，可得1410工作面煤壁前方的動態支承壓力分布如圖1所示。

圖1 動態支承壓力與距煤壁距離的關系圖

由圖1可知，1410工作面超前支承壓力峰值距工作面的距離約為90 m，支承壓力峰值約為39.8 MPa。在多層空間結構的范圍內，工作面超前支承壓力由工作面上方多層空間結構范圍內巖層運移產生，上覆巖層自重應力較小；在工作面前方超出多層空間結構的范圍后，工作面超前支承壓力主要由上覆巖層的自重作用產生，而空間結構的作用則逐漸減弱，支承壓力的峰值在空間結構的邊緣附近。覆巖多層空間結構由下部的斷裂鉸接巖梁和上部的離層、緩沉的巖梁組成，空間結構上方的巖層只發生沉降但不離層。

2.3 覆巖結構傾向支承壓力分析

沿1410工作面傾向煤壁前方的動態支承壓力分布情況如圖2所示。

圖2 覆巖結構在煤壁傾斜方向產生的應力曲線

由圖2可知，1410工作面傾向支承壓力的峰值距煤壁15～18 m左右，峰值約為41.1 MPa，而傾向支承壓力的劇烈變化點在距煤壁10～15 m左右，此范圍內的傾向支承壓力主要由煤層上方多層空間結構范圍巖層的運移產生，上覆巖層自重應力占比例較?。辉诿罕谇胺匠龆鄬涌臻g結構的影響范圍后，傾向支承壓力主要由上覆巖層自重作用產生，而空間結構的作用則逐漸減弱，支承壓力的峰值在空間結構的邊緣附近，在此范圍內采掘活動容易誘發沖擊地壓。

2.4 微震監測覆巖應力分析

1410工作面微震監測煤層頂底板隨工作面回采動態破裂情況表明，巖層破裂點集中在煤層上方35 m、工作面前方約70～80 m以內，屬于4號煤層上方第一組巖梁的范圍。巖層破裂后高應力場向未破裂巖層轉移，破裂點主要集中在應力梯度變化較大區域，推斷支承壓力峰值在工作面前方80～90 m處。巖層破裂場和采動應力場關系如圖3所示。由圖3可知，4號煤層底板兩組厚硬巖層均產生運動，煤壁前方支承壓力分析需考慮底板內厚硬巖層的影響。1410工作面上平巷掘進期間圍巖破裂的微震監測結果顯示，破裂點集中在上平巷附近及煤壁內約10 m范圍內，為巖層在傾向支承壓力作用下產生的破裂區。1410工作面上平巷高應力區域在巖層破裂區的前方，由此推斷上平巷傾向支承壓力的峰值距煤壁的距離約為15 m。

圖3 微震分布、巖層破裂場和采動應力場的關系

3 解放層開采沖擊地壓防治

3.1 4號煤層沖擊地壓發生原因分析

華豐礦1410工作面平均采深1230 m，覆巖自重應力遠超過煤體抗壓強度。深部煤巖水平構造應力較高，最大水平應力達到33～42 MPa。高應力作用易使煤巖體產生應力集中而發生破壞，導致4號煤層工作面沖擊地壓事故的發生。同時4號煤層具有強沖擊傾向性，頂板具有弱沖擊傾向性。

4號煤層工作面上方基本頂為厚度約70 m的砂巖，上部為500～800 m厚的巨厚礫巖層，礫巖層整體性與完整性強，回采后不易冒落，隨著采空區面積的不斷加大，巨厚礫巖層將形成板狀的懸空巖梁，礫巖層初始應力狀態發生改變并增加了未開采區域的應力集中程度。巨厚礫巖層的突然斷裂跨落將對下部煤巖體產生強大的沖擊載荷，加劇煤體的應力集中程度，誘發沖擊危險。同時下部煤巖體受煤柱應力集中、開采集中、回采速度、放炮割煤誘發等外部因素影響，極易發生沖擊。

3.2 確定1410綜采面平巷位置

根據數值計算、礦壓理論和經驗的綜合研究與評價，在開采解放層后，將4號煤層運輸巷布置在與6號煤層回風巷外幫連線與水平工作面夾角68°～75°的結構性永久卸壓區內；4號煤層回風巷布置在1號煤層工作面采空區內，距離1號煤層工作面回風巷下山方向40 m和運輸巷上山方向20 m處。巷道布置可以有效避免沖擊地壓危險影響，如圖4所示。

圖4 4號煤層工作面上下平巷位置示意圖

3.3 微震監測沖擊危險分析

微震監測能較好地反映巖層活動規律，老頂初次來壓期間，微震監測日均震動頻次將逐漸增大，隨工作面覆巖活動劇烈程度增加，監測到的微震活動明顯增多，表明工作面來壓期間沖擊危險性較強。依據相關的覆巖空間結構理論，工作面推進到首次見方階段時，工作面沖擊危險程度增強。若區域內微震活動分布不隨工作面回采逐步向前推移，則在一定程度上預示工作面前方圍巖存在高能量積聚過程，該區域沖擊危險性極高。當工作面回采向煤柱方向推進過程中，工作面前方微震活動分布不隨工作面的推進繼續向前發展，表明工作面與煤柱之間可能存在高應力集中區，沖擊危險性逐漸增強，微震破裂點大部分集中在工作面超前70～80 m范圍，該范圍內煤巖層得到充分斷裂破壞。分析認為巖層破裂邊緣為超前支承壓力峰值位置，超前工作面約90 m。因此，工作面超前90 m范圍內為沖擊危險區域，應作為重點卸壓治理范圍。1410工作面開采期間，工作面前方存在一組6號煤層斷層，工作面推向斷層過程中，受工作面超前應力集中影響，斷層活化程度不斷升高，微震監測共發生39次微震事件，達到沖擊危險震級的高達7次。這說明工作面與斷層之間存在高應力區，沖擊危險范圍距離斷層20～40 m的范圍內，工作面過斷層的沖擊危險區段如圖5所示。

圖5 工作面過斷層的沖擊危險區段

3.4 監測防治措施

1410工作面回采期間沖擊地壓監測主要采取鉆屑量監測、礦壓監測和微震系統監測。1410綜放工作面卸壓防治技術主要采取煤體卸壓爆破、頂板預裂爆破、煤層注水技術，特別是工作面前方20～40 m斷層構造區域，要采取多種監測防治措施。

(1)煤體卸壓爆破。利用鉆屑等方法監測具有沖擊危險時，首先采用煤體卸壓爆破解危措施。在監測預警區域布置1～2組爆破孔，鉆孔間距10 m，孔深10～20 m，如圖6所示。

(2)頂板預裂爆破。若煤體卸壓爆破未能起到有效的解危效果，可進一步采取頂板預裂爆破措施，以加強卸壓力度，達到卸壓解危的效果。頂板預裂爆破可以縮短基本頂的斷裂距，降低工作面動靜載集中程度，實施范圍一般在超前工作面200 m以內?；仫L巷每隔10 m布置一組鉆孔，運輸巷每隔20 m布置一組鉆孔，孔深25 m，單排布置并與水平方向成75°夾角面向基本頂，如圖7所示。

圖6 煤體卸壓爆破鉆孔參數布置圖

圖7 頂板預裂爆破鉆孔參數布置圖

(3)煤層注水。在1410綜采面開采前，在上下平巷對工作面煤體超前注水?；仫L巷注水孔深度為40 m，運輸巷注水孔深度50～60 m，利用高壓清水泵注水，提前軟化煤體，降低煤層的沖擊傾向性。

3.5 卸壓效果檢驗

通過微震監測系統對采取防治措施后煤巖系統沖擊地壓危險程度進行檢驗。工作面正?；夭善陂g，微震事件隨著工作面的推進不斷前移，范圍較廣，說明工作面前方頂板有規律斷裂，前方應力有規律釋放。微震系統監測到的頂板斷裂震動事件分布圖如圖8所示。由圖8可知，采取防治措施后，高能量沖擊微震事件消失，僅存在大量的無沖擊危險破裂事件。

圖8 無沖擊危險情況下微震事件分布圖

鉆屑量檢測結果如圖9所示。由圖9可知，防治措施采取后，減弱煤體應力集中程度，鉆屑量都小于考察的臨界指標值。綜合以上分析表明，卸壓解危措施有效。

圖9 鉆屑量檢測曲線圖

4 結論

(1)覆巖空間高度在煤層上方100 m左右，經分析計算及微震監測結果表明，1410工作面超前支承壓力峰值距工作面煤壁90 m左右，支承壓力峰值約為39.8 MPa，傾向支承壓力的峰值距煤壁15～18 m左右，峰值約為41.1 MPa。

(2)4號煤層發生沖擊地壓原因為：大采深造成的高地應力分布；煤層上方覆巖結構完整性強、抗壓強度大；煤層具有強沖擊傾向性；同時煤柱集中應力、工作面采動應力和周期來壓、開采過度集中、工作面推采速度、放炮割煤誘發等因素也是4號煤層發生沖擊地壓的主要原因。

(3)確定6號煤層下保護層開采后4號煤層上下平巷布置位置：4號煤層運輸巷布置在6號煤層下平巷外幫連線與水平面夾角68°～75°的永久卸壓區內；4號煤層回風巷布置在1號煤層回風巷傾向下方40 m處。

(4)提出保護層開采預防沖擊地壓災害的思路，從巷道優化布置及運用微震等預測預報手段監測預警沖擊地壓災害，通過煤體卸壓爆破、頂板預裂爆破及煤層注水等沖擊防治措施對沖擊危險區域提前預處理，防治措施效果顯著，保證1410工作面安全回采。