關鍵層極限跨距預測礦井沖擊地壓發生時間的研究

李永超 于國強 李建軍

（1.山東省岱莊生建煤礦，山東 微山 277600；2.山東省滕東生建煤礦，山東 滕州 277522）

山東省滕東生建煤礦井田內表土層平均厚度為18.56m，3下煤平均采深達到922.54m，首采面平均寬度為130m，第二個工作面寬度為130m，兩個工作面的寬深比（工作面寬度與采深的比值）為0.28，采厚5.7m。通過地表移動觀測站監測得到，首采面回采完畢并基本穩沉后地面的最大下沉值為54mm。兩個工作面回采完畢并基本穩沉后，地面觀測到的地表最大下沉值為265mm。依據寬深比判斷，工作面開采屬極不充分采動，但開采后地表的下沉量之小，實屬不正常現象。通過分析發現，在煤層上覆巖層中存有巨厚礫巖及其他硬巖層。由于厚硬巖層的存在，當采空區面積大于關鍵層極限跨距時，極易發生厚硬巖層結構突變及煤柱失穩的情況，從而產生沖擊地壓等災害。為確保煤礦安全生產，借助關鍵層理論對上覆巖層進行了判斷，得出了關鍵層的位置及極限跨距，并依此預測了下一個工作面推進過程中厚硬巖層結構突變及煤柱失穩的大概時間，成功指導了煤礦沖擊地壓防治工作。

1 關鍵層位置判別

1.1 硬巖層位置的確定

根據礦區多個鉆孔柱狀圖以及硬巖層的判別條件[1-2]對礦區覆巖性質進行了分析，確定了8層硬巖層的位置（見表1）。

表1 礦區覆巖性質表

1.2 硬巖層極限跨距的計算

根據固支梁模型計算求得的滕東礦區硬巖層的破斷距見表2。

表2 硬巖層破斷距

1.3 關鍵層所處位置的確定

由于該礦區覆巖硬巖層層數較多，且巖層間性質極為相似，并且兩個已采工作面采空區的寬度已超出單一關鍵層的極限跨距，因此對礦區關鍵層的復合效應進行了分析研究，確定了復合關鍵層的位置與極限跨距。

根據復合關鍵層的判別理論以及復合關鍵層極限跨距的計算公式分析得到，采空區上部第1、2層硬巖層、第3、4層硬巖、第6、7層硬巖層及第7、8層硬巖的兩兩組合均滿足構成復合關鍵層的條件。計算得到復合關鍵層極限跨距見表3。

表3 復合關鍵層參數表

通過分析判斷侏羅系地層中的礫巖及第2層硬巖及其所夾軟弱夾層所構成的復合關鍵層是煤層上覆巖層中的主關鍵層，其極限破斷距為291.260m。105及107兩個工作面開采后地表下沉量較小，主要原因是采空區寬度（采空區寬度為260m）小于主關鍵層的極限跨距，主關鍵層呈懸臂梁存在，從而減小了地表的下沉。但當109工作面推進290m左右時，主關鍵層將會破斷。而主關鍵層的突然斷裂產生的動載荷將迅速傳遞到工作面采場圍巖，尤其在煤巖體應力處于極限平衡狀態下動壓極易誘發沖擊。

2 礦井面臨的沖擊地壓類型分析

2.1 靜載（高靜應力）自發型沖擊

煤巖體中賦存條件和開采因素影響，圍巖中存在高度應力集中區，當靜載荷大于誘發煤巖體沖擊破壞的最小載荷，就會形成自發型沖擊[3-4]。該類沖擊地壓的特點：需要時間積累，應力集中到臨界值或高應力蠕變中即可發生沖擊，相對來講可控、好治理。

2.2 動靜載疊加誘發型沖擊

煤巖體中靜載荷與強動壓（礦震）形成的動載疊加之和大于誘發煤巖體沖擊破壞的最小載荷，靜載+動載就會誘發強沖擊。其誘因：堅硬頂板斷裂或滑移。該類沖擊地壓的特點：突發強，災害大，難治理。根據109工作面地質及開采條件分析，在上覆關鍵層突然破斷時形成的沖擊屬于該類。因此需近似估算109工作面的動載和靜載大小，評估誘發型沖擊的可能性。依據相關理論公式估算得到靜載能量（忽略頂板運動加速度影響）為：

傳播到煤體的能量為：

此能量動載與靜載疊加足以誘發強沖擊。根據上述研究結果，礦方委托北京科技大學開展了《厚硬巖層結構突變與地表沉陷及沖擊災害治理關系研究》項目，開展了相應的防護工作。

3 地表移動變形觀測研究結果

隨著109工作面的開采，已進入厚硬巖層結構突變及煤柱失穩高度危險階段，巨厚礫巖的運動控制著地表沉陷特征，同時地表沉陷規律能夠驗證巨厚礫巖及上覆巖層在關鍵階段的斷裂特點。通過及時聯合分析井下和地表監測數據，可得到沖擊地壓危險性發展程度和地表巖移特征，從而全面指導煤礦完成沖擊地壓防治、后期工作面開采設計和地表沉陷控制要求。為此在109工作面上方布設了地表移動變形觀測站。該觀測站布設兩條觀測線，沿近似走向及傾向方向各布設了一條觀測線。

109工作面于2014年4月1日開始回采，至2015年11月28日觀測結束。由實測數據可知：109工作面回采引起的地表下沉基本穩沉后，測得的地表最大下沉值為0.897m。105、107、109三個工作面回采引起的地表下沉基本穩沉后，測得的地表最大下沉值為1.088m。而107工作面回采完畢并基本穩沉后，地面觀測到的點位最大下沉值為54mm。105、107工作面回采完畢并基本穩沉后，地面觀測到的地表最大下沉值為265mm。對比上述各下沉值不難看出，當109工作面采空區寬度超過關鍵層的極限跨距導致關鍵層破斷時，地表下沉量急劇加大。并且地表監測點的下沉速度有較大的變化。2015年1月18日以前監測點的最大下沉速度為1.63mm/d，但在2015年1月18日至2015年2月2日之間突然達到5.32mm/d（此時109工作面的推進進尺在290m左右），自此以后監測點的最大下沉速度減小到2mm/d以下。

綜上，理論上推算的上覆巖層中關鍵層的極限破斷距291.260m是正確的，因為2015年1月18日至2015年2月2日監測點最大下沉速度由1.63mm/d 突然增大到5.32mm/d，隨后又減小至2mm/d以下。井下的應力計監測結果也證實了上述結論。

4 結論

在大采深巨厚礫巖條件下開采時，利用關鍵層極限跨距可較為準確地預測含有關鍵層條件下礦井沖擊地壓發生的時間，并經生產實踐驗證是可行的。