礦井群沖擊地壓發(fā)生機理與控制技術(shù)探討

齊慶新，李一哲，趙善坤，潘鵬志，魏向志

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013; 3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013; 4.煤炭科學(xué)研究總院 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京 100013; 5.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071; 6.河南大有能源股份有限公司，河南 義馬 472300)

工作面礦壓顯現(xiàn)不僅與采場覆巖結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而且當(dāng)相鄰礦井的煤層同時開采時，同樣將受到相鄰工作面開采擾動的影響。尤其是在大型斷層或巨厚礫巖層頂板條件下，如果一個礦井的開采引起斷層活化或巨厚礫巖層垮斷，必將對相鄰礦井的開采產(chǎn)生影響。在這樣的大型地質(zhì)體控制下，開采導(dǎo)致的礦井間應(yīng)力擾動范圍更大，擾動程度更加劇烈，誘發(fā)相鄰礦井工作面煤巖動力災(zāi)害的危險性就更高[1]。

高位巨厚堅硬巖層是一種特殊的巖層賦存形式，其廣泛分布于我國的多個礦區(qū)[2-7]。對厚硬巖層下覆巖結(jié)構(gòu)運移規(guī)律和破壞方式、煤巖體應(yīng)力分布以及對沖擊地壓的影響研究方面，竇林名等[8]研究了不同工作面相對位置下OX-F-T覆巖結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律;姜福興[9]研究了“O”型、“S”型、“C”型和“θ”型空間結(jié)構(gòu)下的礦壓規(guī)律;魏全德等[10-11]認(rèn)為“不對稱工字型”和“不等距雙孔橋”空間結(jié)構(gòu)造成應(yīng)力異常集中;蔣金泉等[12-14]通過相似模擬試驗得到上覆巨厚巖漿巖破斷前下部巖層由月牙形向一字型演化，下方形成中部梯形壓實區(qū)和兩側(cè)平行四邊形破裂區(qū)。

在大型地質(zhì)控制的礦井群開采條件下，當(dāng)?shù)V區(qū)內(nèi)不同礦井多個工作面同時回采時，上覆巨厚巖層對工作面礦壓起著宏觀控制作用，開采擾動將導(dǎo)致礦區(qū)開采區(qū)域煤體應(yīng)力呈動態(tài)變化。尤其是在完整且堅硬巨厚巖層作用下，當(dāng)采場局部高彈性能突然釋放，將導(dǎo)致區(qū)域應(yīng)力重新分布，巨厚巖層的傳遞應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和特厚煤層膨脹應(yīng)力耦合作用[15-16]增加了煤巖體靜載荷的積聚，為沖擊地壓的發(fā)生提供了力源條件。

對于巨厚礫巖層垮斷誘發(fā)的沖擊地壓災(zāi)害，部分學(xué)者提出了以控制上覆巖層結(jié)構(gòu)和消除煤體應(yīng)力為主的防沖措施，包括囊袋離層加固[17]、開采上保護層[18]、煤層深孔爆破、大直徑鉆孔卸壓等方法[19-20]和多尺度分源防控技術(shù)[21]，可以在一定程度上降低沖擊發(fā)生的可能。

目前，對大型地質(zhì)體控制下多工作面開采擾動規(guī)律的研究多集中在同一礦井內(nèi)的采區(qū)(盤區(qū))尺度上，而對礦區(qū)尺度下礦井間覆巖結(jié)構(gòu)體時空力學(xué)響應(yīng)行為和開采擾動機制的研究不多。筆者以義馬礦區(qū)躍進煤礦23070工作面和常村煤礦21220工作面開采為例，基于現(xiàn)場微震監(jiān)測和動力顯現(xiàn)實測，在理論分析的基礎(chǔ)上，提出了井間“非對稱T形”覆巖空間結(jié)構(gòu)和應(yīng)力轉(zhuǎn)移誘沖機制，針對應(yīng)力傳遞的巨厚礫巖因素，提出井間弱鏈增耗防沖技術(shù)，以期為礦井群開采條件下相鄰礦井工作面沖擊地壓發(fā)生機理及控制技術(shù)的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 工程背景

我國礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，相當(dāng)一部分礦區(qū)煤系地層附近存在不同形式的大型地質(zhì)體，包括大型斷層與褶皺、巨厚堅硬巖層、直立巖柱等，典型大型地質(zhì)體控制下的礦井群開采條件有向斜構(gòu)造的山西朔州礦區(qū)、B2-B3直立巖柱的新疆烏東礦區(qū)、巨厚火成巖的安徽淮北礦區(qū)、F16斷層的河南義馬礦區(qū)等。大型地質(zhì)體的存在，將造成煤炭開采過程中形成高應(yīng)力環(huán)境，容易導(dǎo)致沖擊地壓等煤巖動力災(zāi)害的發(fā)生。

義馬礦區(qū)是我國典型的沖擊地壓多發(fā)區(qū)域，該礦區(qū)構(gòu)造分布及開采狀況如圖1所示，該礦區(qū)自西向東分布5座礦井:楊村煤礦、耿村煤礦、千秋煤礦、躍進煤礦和常村煤礦。其南部存在走向近東西的F16大型逆沖斷層，同時礦區(qū)南部煤層頂板賦存發(fā)育至地表或接近地表的厚度超400 m的巨厚礫巖。F16斷層和上覆巨厚礫巖層的基本特征為:

(1)F16斷層:位于義馬礦區(qū)南部的井田邊界處一上陡下緩的逆沖斷層，屬壓剪性斷裂。該斷層走向近東西，落差較大(50～450 m)，斷裂面呈弧形上翹，淺部傾角較大而深部逐漸平緩，煤層及其頂板向上折返或倒轉(zhuǎn)。其活化運動使工作面處于高水平應(yīng)力環(huán)境，增加了工作面和巷道發(fā)生沖擊地壓的幾率。

圖1 義馬礦區(qū)構(gòu)造分布及開采狀況Fig.1 Distribution of geological structure and mining situation in Yima mining area

(2)巨厚礫巖:義馬礦區(qū)大部分區(qū)域煤層頂板賦存巨厚礫巖，礫巖在全煤田發(fā)育，厚度由北向南、自淺到深、從東部和西部邊界區(qū)域向煤田中南部區(qū)域逐漸增大，特別是在躍進井田南部靠近F16斷層區(qū)域厚度最大，達(dá)700余m。巨厚礫巖強度高且完整性好，隨工作面開采發(fā)生彎曲下沉，其整體運動行為導(dǎo)致工作面垂直應(yīng)力動態(tài)變化，當(dāng)?shù)V區(qū)某一工作面發(fā)生頂板斷裂或沖擊地壓時，在巨厚礫巖層的作用下，將造成礦井群區(qū)域應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致其他礦井工作面應(yīng)力升高而誘發(fā)沖擊地壓。

2 應(yīng)力轉(zhuǎn)移誘沖效應(yīng)

已有研究表明，義馬礦區(qū)厚煤層重復(fù)采動和大范圍高強度開采引起的覆巖破壞有可能波及上覆巨厚礫巖。在非充分采動條件下，井間相鄰工作面煤體應(yīng)力發(fā)生動態(tài)變化，井間煤柱附近煤系地層結(jié)構(gòu)體處于非穩(wěn)定高能動態(tài)平衡狀態(tài)，中間煤柱和兩側(cè)工作面煤體對上覆巖層起支撐作用。當(dāng)一側(cè)工作面煤體失穩(wěn)破壞或發(fā)生沖擊地壓而導(dǎo)致其對上覆頂板承載降低，通過巨厚礫巖梁作用造成煤柱兩側(cè)工作面壓力重新分布，從而導(dǎo)致應(yīng)力轉(zhuǎn)移至中間煤柱和另一側(cè)工作面，而誘發(fā)另一側(cè)工作面沖擊，稱為應(yīng)力轉(zhuǎn)移誘沖效應(yīng)。

由義馬礦區(qū)當(dāng)前開拓布局及回采設(shè)計可知，在礦區(qū)東西走向上，礦區(qū)相鄰礦井間、礦井相鄰采區(qū)間和采區(qū)兩翼間均留設(shè)不同寬度的井間煤柱、采區(qū)間煤柱及上下山煤柱，不同類型的煤柱寬度分別為140～200，50～100和150～300 m。隨著礦區(qū)煤炭資源的開發(fā)，當(dāng)前開采狀態(tài)下存在大量的“采空區(qū)—煤柱—采空區(qū)”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)因素促進了應(yīng)力轉(zhuǎn)移的發(fā)生。結(jié)合義馬礦區(qū)實際開采情況，躍進煤礦與常村煤礦存在井間近距離相鄰工作面(23070工作面和21220工作面)同時回采，且這兩個工作面回采期間均發(fā)生多次劇烈的沖擊顯現(xiàn)，故對此開展針對性的研究。

3 井間應(yīng)力轉(zhuǎn)移誘沖效應(yīng)現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 相鄰礦井工作面條件

躍進煤礦23070工作面開采2-1煤，開采深度為698～795 m;煤層厚度平均9.3 m，平均傾角12°;工作面傾斜長210 m，可采長度960 m，為孤島工作面，東與常村煤礦21220工作面相鄰。常村煤礦21220工作面同樣開采2-1煤，開采深度為710～815 m，平均煤厚11.86 m，平均傾角11.5°;工作面傾斜長265 m，可采長度689 m，北側(cè)為采空區(qū)，南側(cè)為實體煤。相鄰工作面間留設(shè)寬度為140 m的井田邊界煤柱，兩工作面開切眼寬度均為7.5 m，回采方式均為后退式回采，工作面布置和2-1煤層開采情況如圖2所示。

圖2 工作面布置平面Fig.2 Layout plan of working face

3.2 “非對稱T形”覆巖空間結(jié)構(gòu)

為弄清頂板覆巖結(jié)構(gòu)，在千秋煤礦由地表至21121工作面的采空區(qū)實施了地表鉆孔，實測獲得了頂板“三帶”的發(fā)育情況(圖3)。由23070工作面和21121工作面煤層及頂板巖層分布可知(表1)，兩工作面埋深差別不大，且兩工作面上方均存在30 m左右泥巖、200 m左右的砂巖、礫巖互層和超過400 m的巨厚礫巖，由此可以推測23070工作面垮落帶與斷裂帶發(fā)育情況與21121工作面近似。根據(jù)鉆孔探測結(jié)果，判斷23070工作面和21220工作面回采過程中將形成如圖3所示的覆巖空間結(jié)構(gòu)，未破碎的煤巖體剖面(圖2中的A-A’剖面)類似于“T形”，井間兩側(cè)工作面推采遠(yuǎn)離井間煤柱時，巨厚礫巖為“T”的上橫，井間煤巖柱為“T”的豎。由于兩工作面回采進度不同，從而使兩工作面覆巖呈 “非對稱T形”結(jié)構(gòu)。

表123070和21121工作面煤層及頂板巖層情況
Table1Lithologyofroofandcoalseamof23070and21121workingface

巖石名稱厚度/m23070工作面21121工作面巖石特征巨厚礫巖509.43401.55雜色,以石英巖為主,可見度狀結(jié)構(gòu),泥沙質(zhì)填隙,基底式膠結(jié)砂巖礫巖互層195.15217.60以礫巖為主,砂巖薄層,砂巖雜色,以石英巖為主,泥質(zhì)膠結(jié),板狀交錯層理泥巖32.9829.51深灰色,具水平層理,局部夾棕色菱鐵礦條帶,極易冒落2-1煤9.3023.40黑色,瀝青光澤,半亮型煤為主,局部夾鏡煤條帶,具夾矸

圖3 “非對稱T形”覆巖空間結(jié)構(gòu)Fig.3 Asymmetric T-shaped structure of overlying strata

3.3 井間應(yīng)力轉(zhuǎn)移監(jiān)測方法

為獲取23070工作面和21220工作面回采過程中“T形”覆巖結(jié)構(gòu)時空力學(xué)響應(yīng)行為，采取了以下監(jiān)測手段:① 現(xiàn)場記錄人員對工作面及巷道動力顯現(xiàn)進行現(xiàn)場記錄;② 23070和21220工作面分別使用波蘭ARAMIS M/E和SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)對工作面煤巖體微震活動進行實時連續(xù)監(jiān)測。

3.4 井間相鄰工作面礦壓顯現(xiàn)

2015年2月至2016年8月期間，23070工作面處于回采后期，于8月底回采完畢，而該期間21220工作面完成開切眼貫通(2015年2月至2015年6月)并回采285.5 m(2015年11月至2016年8月)，兩工作面及井間煤柱逐步形成“非對稱T形”結(jié)構(gòu)，稱該時期為應(yīng)力轉(zhuǎn)移時期。該時期兩工作面誘沖頻次、沖擊時間先后特征和工作面動力現(xiàn)象見表2。由表2可知，21220掘進開切眼期間(2015年2月至2015年6月)，兩工作面發(fā)生18次誘沖事件，沖擊顯現(xiàn)強度較弱，多為煤炮、煤塵及震感現(xiàn)象。當(dāng)21220工作面進入回采階段初期(2015年11月至2016年3月)，兩工作面發(fā)生5次誘沖事件，沖擊顯現(xiàn)劇烈，液壓抬棚和單體支柱出現(xiàn)不同程度的滑移甚至傾倒現(xiàn)象。隨著21220工作面繼續(xù)回采，井間煤柱兩側(cè)采空區(qū)范圍逐步擴大，工作面開采擾動效應(yīng)減弱，導(dǎo)致該時期兩工作面沖擊顯現(xiàn)強度降低，液壓抬棚發(fā)生輕微滑移，現(xiàn)場無明顯破壞。

表2應(yīng)力轉(zhuǎn)移誘沖效應(yīng)礦壓顯現(xiàn)
Table2Stratabehaviorsofbumpinducedbystresstransfer

日期誘沖次數(shù)時間特征23070工作面和21220工作面沖擊顯現(xiàn)2015年2月至2015年6月1821220早于23070兩工作面及上下巷均出現(xiàn)煤炮和煤塵現(xiàn)象,現(xiàn)場有震感但兩工作面均無明顯破壞2015年11月至2016年3月521220早于23070兩工作面下巷出現(xiàn)煤炮、嚴(yán)重底臌(2～58 cm)、液壓抬棚滑移(5～70 cm)及單體支柱傾倒現(xiàn)象,兩工作面下巷動力顯現(xiàn)較劇烈2016年4月至2016年8月221220早于23070兩工作面下巷出現(xiàn)煤炮、底臌和液壓抬棚輕微滑移現(xiàn)象(5～10 cm),兩工作面均無明顯破壞

從兩工作面沖擊顯現(xiàn)時間先后特征來看，均是21220工作面率先發(fā)生沖擊顯現(xiàn)，在巨厚礫巖作用下，使相鄰礦井工作面應(yīng)力重新分布，應(yīng)力轉(zhuǎn)移至23070工作面，誘發(fā)23070工作面沖擊顯現(xiàn)。

3.5 井間相鄰工作面微震特征

圖4 兩礦井對同一微震活動的監(jiān)測過程Fig.4 Monitoring process of the same microseismic event in two mines

圖5為應(yīng)力轉(zhuǎn)移引發(fā)微震事件空間分布，經(jīng)統(tǒng)計，應(yīng)力轉(zhuǎn)移時期共110組引發(fā)微震事件，其中21220開切眼掘進期間、工作面回采初期及后期正常回采期間引發(fā)微震事件分別為87組、10組和13組，其中包含表2中兩工作面均發(fā)生沖擊顯現(xiàn)的微震事件(圖5(a))和均無沖擊顯現(xiàn)的微震事件(圖5(b))。通過進一步分析可以看出，23070工作面沖擊顯現(xiàn)的強度受21220工作面初始沖擊強度影響較大，一側(cè)工作面沖擊顯現(xiàn)越劇烈，煤體破壞越嚴(yán)重，其對上覆巖體承載就越低，在巨厚礫巖作用下，應(yīng)力轉(zhuǎn)移至另一側(cè)工作面，導(dǎo)致另一側(cè)工作面應(yīng)力就越高，沖擊顯現(xiàn)的強度就越劇烈。

圖5 應(yīng)力轉(zhuǎn)移引發(fā)微震事件分布Fig.5 Distribution of microseismic events induced by stress transfer

由圖5可知，21220工作面沖擊顯現(xiàn)多發(fā)生在采場及下巷，而應(yīng)力轉(zhuǎn)移引發(fā)的微震事件多分布于井間煤柱附近、23070工作面及其上下巷。就工作面沖擊顯現(xiàn)微震能量來看，井間煤柱附近微震事件能量較高，而23070工作面附近微震能量較低，這是由于21220工作面沖擊導(dǎo)致應(yīng)力重新分布過程中，井間煤柱距離21220工作面較近，承擔(dān)較高的支撐作用導(dǎo)致應(yīng)力較高。同時，21220 工作面沖擊動載與高應(yīng)力靜載作用導(dǎo)致井間煤柱附近微震能量較高。

4 應(yīng)力轉(zhuǎn)移誘沖效應(yīng)理論分析

4.1 “非對稱T形”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

通過前面的分析和圖3可以看出，井間相鄰工作面同時開采形成了“非對稱T形”結(jié)構(gòu)，而這個非對稱結(jié)構(gòu)中的巨厚礫巖層呈現(xiàn)分層特性。對于這個覆巖空間結(jié)構(gòu)，對井間相鄰工作面起直接控制作用的巖層為巨厚礫巖層中低位的116 m礫巖層。當(dāng)21220工作面開切眼貫通后，“非對稱T形”結(jié)構(gòu)形成，此時兩工作面距離為774 m，該長度遠(yuǎn)大于該礫巖層厚度，因此可將該礫巖層視為梁式模型進行求解。

當(dāng)井間煤柱兩側(cè)為采空區(qū)時，低位礫巖層由井間未破斷巖層及兩側(cè)工作面上方砂礫互層支撐。為便于計算與分析，將礫巖層設(shè)為兩邊固支、中間鉸支的狀態(tài)，其受力狀態(tài)如圖6(b)所示。由于覆巖破裂按照一定角度向上發(fā)展，為正確求解低位礫巖層的懸空尺寸，需考慮覆巖破裂角α的影響，則低位礫巖層懸空長度a和b與采空區(qū)長度a0和b0的關(guān)系為

a=a0-2∑Hcotα，b=b0-2∑Hcotα(1)

式中，∑H為低位礫巖與煤層之間的間距，m;α為上覆巖層的斷裂角，(°)。

根據(jù)23070和21220工作面現(xiàn)場實測，∑H=228.13 m，α=80°，由式(1)可得

a=a0-80，b=b0-80(2)

圖6 “非對稱T形”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型及邊界條件Fig.6 Mechanical model and boundary condition of the warpingstructure

4.2 兩種載荷下礫巖層巖梁力學(xué)分析

根據(jù)材料力學(xué)可知，兩端固支梁在上部均布荷載和中部集中力作用下，礫巖層巖梁任意截面的剪力方程分別為

(3)

式中，l為兩工作面之間的水平距離，m;F為井間煤巖柱對低位礫巖的支撐力，N。

兩種荷載條件下礫巖層巖梁C處的撓度分別為

(5)

其中，EI為低位礫巖梁的彎曲剛度，N·m2。由材料力學(xué)疊加原理可知，在上部均布荷載和中部集中應(yīng)力作用下，某一橫截面上的剪力等于僅受上部均布載荷和僅受中部集中應(yīng)力條件下該橫截面剪力的疊加，即

F(x)=F1(x)+F2(x)(7)

故23070工作面和21220工作面煤巖體對低位礫巖層巖梁支反力FA和FB以及礫巖梁在井間煤柱處(C點)的撓度分別為

(8)

將井間煤柱及其上覆巖柱視為剛性體，可得礫巖層巖梁C處的撓度為0，即ωC=0，得到井間煤巖柱對上覆礫巖層支撐力為

(11)

將式(11)代入式(8),(9)，最終可得兩端固支中間鉸支礫巖層巖梁A處與B處所受支反力為

(12)

4.3 井間應(yīng)力轉(zhuǎn)移誘發(fā)沖擊機制分析

4.3.1 23070工作面垂直應(yīng)力增量

若23070工作面或巷道發(fā)生沖擊，工作面或巷道煤體強度弱化，沖擊區(qū)域上覆巖體對上方礫巖層的支撐作用減弱，故FB降低。現(xiàn)考慮極限情況，當(dāng)FB=0時，即B端為懸臂狀態(tài)，此時“非對稱T形”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型及邊界條件如圖7所示。

圖7 “非對稱T形”右側(cè)懸臂力學(xué)模型及邊界條件Fig.7 Mechanical model and boundary conditions of right cantilever with “asymmetric T-Shape”

(14)

對于簡化的井間剛形體煤巖柱，由ωC=0，得到井間煤巖柱對上覆礫巖層支撐力為

(16)

將式(16)代入式(14)，最終可得左端固支右端自由礫巖層巖梁A處所受支反力為

(17)

21220工作面發(fā)生沖擊前后，23070工作面煤體垂直應(yīng)力增量為

(18)

根據(jù)23070和21220工作面實際回采情況，21220開切眼貫通時，23070已回采619 m，且兩工作面日推進度較為接近，因此a0和b0有

a0=b0+619(19)

將式(2)代入式(19)得

a=b+619(20)

將式(20)代入式(18)可得

(21)

對式(21)的二次函數(shù)分析可知:

(2)21220工作面低位礫巖懸空長度b=61.9 m時，即b0=141.9 m，23070工作面煤體垂直應(yīng)力增量最大，21220工作面在該推進度前后一段范圍內(nèi)，23070工作面沖擊危險性顯著上升。結(jié)合表2，21220工作面回采初期(2015年11月至2016年3月)推進長度為140.5 m，該時期23070工作面沖擊顯現(xiàn)較為劇烈，隨21220工作面回采(2016年4月至2016年8月)，23070工作面應(yīng)力增量逐漸減小，沖擊顯現(xiàn)強度與頻度有所下降。

4.3.2 21220工作面垂直應(yīng)力增量

當(dāng)23070工作面發(fā)生沖擊，極端情況假定“非對稱T形結(jié)構(gòu)”(圖6(b))A端懸臂而B端固支，礫巖層巖梁B處所受的支反力為

(22)

23070工作面發(fā)生沖擊前后，21220工作面煤體垂直應(yīng)力增量為

(23)

上述理論分析表明，23070工作面在21220工作面不同推進距離下發(fā)生沖擊的強度及誘沖順序與現(xiàn)場實際較為吻合。

5 應(yīng)力轉(zhuǎn)移誘沖效應(yīng)數(shù)值模擬

為進一步弄清23070工作面和21220工作面回采期間井間煤柱、兩工作面及其頂?shù)装鍛?yīng)力變化情況，使用FLAC3D模擬了兩工作面回采過程工作面沖擊前后垂直應(yīng)力的變化，模擬結(jié)果如圖8所示。圖8(a)～(b)表示兩工作面的開采狀態(tài)分別為:23070工作面累計回采619 m，21220工作面開切眼貫通;23070工作面累計回采669 m，21220工作面回采50 m。這兩種狀態(tài)與實際開采基本一致。在圖8(b)推進度下，若工作面前方50 m范圍內(nèi)煤體發(fā)生沖擊，則該范圍內(nèi)煤體強度整體降低，考慮極限情況，沖擊煤體完全破壞并失去承載能力，可近似認(rèn)為工作面前方50 m范圍內(nèi)的煤體被采出。表征21220和23070工作面前方50 m煤體發(fā)生沖擊的模擬結(jié)果如圖8(c)和(d)所示。

圖8 兩工作面回采過程沖擊前后垂直應(yīng)力變化Fig.8 Changing of vertical stress before and after coal bump in mining process of two working faces

由圖8(a)和(b)可知，21220工作面開切眼貫通后，當(dāng)兩工作面同時回采50 m時，21220工作面煤體垂直應(yīng)力由50 MPa上升至80 MPa，垂直應(yīng)力的升高增大了21220工作面沖擊危險性。對比分析圖8(b)和(c)可知，若21220工作面前方50 m范圍內(nèi)煤體發(fā)生沖擊，應(yīng)力轉(zhuǎn)移至23070工作面處，導(dǎo)致煤體垂直應(yīng)力有較小程度升高(142 MPa升至145 MPa)，有可能誘發(fā)23070工作面沖擊。對于圖8(b)和(d)，當(dāng)23070工作面發(fā)生沖擊，21220工作面煤體垂直應(yīng)力由80 MPa降低至60 MPa，降低了該工作面發(fā)生沖擊的可能性。上述分析表明，21220工作面沖擊能夠造成23070工作面垂直應(yīng)力升高，進而有可能誘發(fā)23070工作面沖擊，反之則不成立，該現(xiàn)象與現(xiàn)場實際較為吻合。

6 礦井群井間沖擊地壓控制技術(shù)

目前我國煤礦沖擊地壓防治措施主要包括:優(yōu)化開拓布置、保護層開采、煤層預(yù)注水、無煤柱開采等區(qū)域防范方法以及煤層高壓注水(爆破)卸載、大孔徑鉆孔卸壓、堅硬頂板超前預(yù)裂(水壓致裂和爆破致裂)、斷底爆破、底板切槽等局部解危方法。眾多方法均是通過改變煤巖體自身結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，消除煤巖體積聚的應(yīng)力和彈性能。

為防止礦井群開采相鄰礦井兩個工作面回采期間覆巖活動異常和F16斷層活化導(dǎo)致的煤體高應(yīng)力集中，在23070工作面和21220工作面的超前工作面300 m范圍內(nèi)實施大直徑鉆孔卸壓，在工作面及上下巷實施卸壓爆破和煤層注水等措施。這些措施雖一定程度上消除了煤體應(yīng)力與能量積聚，但兩工作面同時回采過程中仍發(fā)生多次較劇烈的沖擊顯現(xiàn)，為防止巨厚礫巖作用導(dǎo)致應(yīng)力轉(zhuǎn)移誘發(fā)井間工作面沖擊，可采取基于弱化井間“T形”覆巖結(jié)構(gòu)的“弱鏈增耗”防沖技術(shù)和工作面協(xié)調(diào)開采防沖技術(shù)，如圖9所示。

圖9 礦井群井間沖擊地壓控制技術(shù)示意Fig.9 Sketch map of coal bump controlling with chain-weakening and consumption-increasing technique between two adjacent coal mines

(1)“弱鏈增耗”防沖技術(shù)。

井間“弱鏈增耗”防沖技術(shù)是對低位巨厚礫巖實施高能爆破或水壓致裂，一方面削弱23070和21220工作面之間低位礫巖連續(xù)性，弱化礦井間高應(yīng)力傳遞的結(jié)構(gòu)鏈，避免因21220工作面沖擊導(dǎo)致應(yīng)力轉(zhuǎn)移而誘發(fā)23070工作面及上下巷壓力升高;另一方面，爆破區(qū)域巖體碎裂程度增高，形成的墊層能夠緩和破碎區(qū)域上方巨厚礫巖移動產(chǎn)生的動載作用，增加能量傳遞過程中的損耗，破壞或弱化沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力和能量傳遞條件，從而達(dá)到防治井間工作面沖擊地壓的目的。

(2)協(xié)調(diào)開采防沖技術(shù)。

井間相鄰工作面協(xié)調(diào)開采防沖技術(shù)是對兩工作面回采設(shè)計進行優(yōu)化，即率先回采井間一側(cè)工作面，當(dāng)其充分采動后，在井間另一側(cè)布置工作面并正常回采。滯后的回采工作面發(fā)生沖擊后，雖仍可能造成另一側(cè)工作面終采線處煤體應(yīng)力升高而誘發(fā)沖擊，但由于該側(cè)工作面作業(yè)人員、采煤及支護設(shè)備已安全撤出，沖擊造成的影響較小。該技術(shù)通過避免井間相鄰兩工作面同時布置，從而移除沖擊地壓災(zāi)害作用對象，達(dá)到降低沖擊地壓災(zāi)害損失的目的。

7 結(jié) 論

(1)在大型地質(zhì)體控制的礦井群開采條件下，相鄰礦井工作面會因一側(cè)工作面的回采而導(dǎo)致另一側(cè)工作面的應(yīng)力增加，發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移甚至誘發(fā)沖擊地壓。

(2)義馬礦區(qū)F16大型逆沖斷層活化運動和巨厚礫巖的整體控制作用為沖擊地壓孕災(zāi)提供了力源條件，巨厚礫巖控制下相鄰礦井間可能發(fā)生誘發(fā)沖擊現(xiàn)象，滯后回采的21220工作面煤體沖擊失穩(wěn)導(dǎo)致井間煤柱兩側(cè)工作面應(yīng)力重新分布，應(yīng)力轉(zhuǎn)移至井間煤柱和23070工作面，誘發(fā)23070工作面沖擊地壓。

(3)井間開采擾動導(dǎo)致應(yīng)力轉(zhuǎn)移并誘發(fā)沖擊地壓與滯后回采工作面的初始沖擊強度及推進長度具有密切關(guān)系，21220工作面回采期間沖擊顯現(xiàn)越劇烈或推進長度越短，誘發(fā)23070工作面沖擊顯現(xiàn)就越劇烈。

(4)提出以弱化礦井間高應(yīng)力傳遞結(jié)構(gòu)鏈為核心的井間“弱鏈增耗”防沖技術(shù)和避免井間相鄰工作面同時布置的協(xié)調(diào)開采防沖技術(shù)，破壞或弱化沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力和能量傳遞條件，從而有效防止沖擊地壓的發(fā)生。