下解放層開采覆巖結(jié)構(gòu)分析及防沖研究

易恩兵

(1. 瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2. 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

沖擊地壓是深部開采條件下具有強(qiáng)破壞力的煤巖動力失穩(wěn)現(xiàn)象，是礦山壓力急劇顯現(xiàn)的一種特殊形式。在深部開采過程中，與工作面覆巖運(yùn)動密切相關(guān)的礦壓動力現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，煤體受力超過其最大承載能力發(fā)生突然失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓。煤體上方厚硬頂板破斷對直接頂產(chǎn)生的動載可促使煤體內(nèi)應(yīng)力積聚增加而產(chǎn)生猛烈的破壞。因此，深入研究工作面覆巖結(jié)構(gòu)的特征及煤體承壓受力分析，對工程實(shí)踐過程中沖擊地壓的防治具有重要的理論價值和實(shí)用意義。具備開采保護(hù)層條件的沖擊地壓煤層，應(yīng)當(dāng)開采保護(hù)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(hù)4號煤層、預(yù)防沖擊地壓災(zāi)害為工程背景，緊密融合采礦、巖石力學(xué)等多個領(lǐng)域的方法與成果，采用理論分析、工程實(shí)踐等研究手段，對保護(hù)區(qū)域內(nèi)覆巖空間結(jié)構(gòu)受力特征進(jìn)行分析，對覆巖結(jié)構(gòu)誘發(fā)沖擊地壓的規(guī)律進(jìn)行深入研究，結(jié)合微震監(jiān)測確定1410工作面巷道合理位置，達(dá)到保護(hù)層開采緩解沖擊危險災(zāi)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(biāo)高-910～-1000 m，走向長2300 m。4號煤層具有強(qiáng)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(shù)為5.2，具有強(qiáng)沖擊危險性。華豐礦開采下保護(hù)層6號煤層對4號煤層進(jìn)行保護(hù)，經(jīng)考察，6號煤層開采對4號煤層上下傾向保護(hù)角為85°和69°，沿走向保護(hù)角為56°。實(shí)踐表明，開采保護(hù)層對沖擊地壓的防治效果顯著。華豐礦深部存在強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力場，-750 m水平最大水平應(yīng)力為32～44 MPa，為垂直應(yīng)力的1.7～2.0倍，是4號煤層單軸抗壓強(qiáng)度的1.5～2.0倍。1409工作面在回采過程中，工作面上平巷發(fā)生多次嚴(yán)重沖擊地壓事故，對礦井安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

2 工作面礦壓理論分析與實(shí)測

2.1 工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)分析

覆巖空間結(jié)構(gòu)由破裂區(qū)內(nèi)部的宏觀鉸接結(jié)構(gòu)和破裂區(qū)邊緣的微觀斷裂結(jié)構(gòu)組成。破裂區(qū)邊緣微觀斷裂結(jié)構(gòu)靠近工作面在多層空間結(jié)構(gòu)下部，破裂區(qū)內(nèi)部宏觀鉸接結(jié)構(gòu)在多層空間結(jié)構(gòu)上部。根據(jù)關(guān)鍵層理論，空間結(jié)構(gòu)中巖層是以成組的巖梁組成，每組堅(jiān)硬厚巖層對上覆巖層的變形和運(yùn)動起著控制作用，上部軟巖隨硬厚巖層的運(yùn)動而運(yùn)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(qū)的矸石上。對于傾斜煤層，上覆巖層可分為空間結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩部分。傾向覆巖空間內(nèi)是由成組鉸接巖梁組成的結(jié)構(gòu)，傾向覆巖空間結(jié)構(gòu)外為緩沉結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的高度是指對深部工作面礦壓有明顯影響的巖層運(yùn)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(yùn)動而產(chǎn)生的應(yīng)力變化與巖層運(yùn)動的劇烈程度相關(guān)，產(chǎn)生劇烈運(yùn)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(chǎn)生斷裂離層高度約為90 m，在此高度范圍內(nèi)的巖層對工作面附近應(yīng)力狀態(tài)影響較大，而超出此范圍的巖層運(yùn)動較緩和，對工作面附近應(yīng)力狀態(tài)的影響小。

2.2 覆巖結(jié)構(gòu)走向支承壓力分析

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

圖1 動態(tài)支承壓力與距煤壁距離的關(guān)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(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)，工作面超前支承壓力由工作面上方多層空間結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)巖層運(yùn)移產(chǎn)生，上覆巖層自重應(yīng)力較小；在工作面前方超出多層空間結(jié)構(gòu)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(chǎn)生，而空間結(jié)構(gòu)的作用則逐漸減弱，支承壓力的峰值在空間結(jié)構(gòu)的邊緣附近。覆巖多層空間結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上方的巖層只發(fā)生沉降但不離層。

2.3 覆巖結(jié)構(gòu)傾向支承壓力分析

沿1410工作面傾向煤壁前方的動態(tài)支承壓力分布情況如圖2所示。

圖2 覆巖結(jié)構(gòu)在煤壁傾斜方向產(chǎn)生的應(yīng)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(diǎn)在距煤壁10～15 m左右，此范圍內(nèi)的傾向支承壓力主要由煤層上方多層空間結(jié)構(gòu)范圍巖層的運(yùn)移產(chǎn)生，上覆巖層自重應(yīng)力占比例較??；在煤壁前方超出多層空間結(jié)構(gòu)的影響范圍后，傾向支承壓力主要由上覆巖層自重作用產(chǎn)生，而空間結(jié)構(gòu)的作用則逐漸減弱，支承壓力的峰值在空間結(jié)構(gòu)的邊緣附近，在此范圍內(nèi)采掘活動容易誘發(fā)沖擊地壓。

2.4 微震監(jiān)測覆巖應(yīng)力分析

1410工作面微震監(jiān)測煤層頂?shù)装咫S工作面回采動態(tài)破裂情況表明，巖層破裂點(diǎn)集中在煤層上方35 m、工作面前方約70～80 m以內(nèi)，屬于4號煤層上方第一組巖梁的范圍。巖層破裂后高應(yīng)力場向未破裂巖層轉(zhuǎn)移，破裂點(diǎn)主要集中在應(yīng)力梯度變化較大區(qū)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(yīng)力場關(guān)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(chǎn)生運(yùn)動，煤壁前方支承壓力分析需考慮底板內(nèi)厚硬巖層的影響。1410工作面上平巷掘進(jìn)期間圍巖破裂的微震監(jiān)測結(jié)果顯示，破裂點(diǎn)集中在上平巷附近及煤壁內(nèi)約10 m范圍內(nèi)，為巖層在傾向支承壓力作用下產(chǎn)生的破裂區(qū)。1410工作面上平巷高應(yīng)力區(qū)域在巖層破裂區(qū)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(yīng)力場的關(guān)系

3 解放層開采沖擊地壓防治

3.1 4號煤層沖擊地壓發(fā)生原因分析

華豐礦1410工作面平均采深1230 m，覆巖自重應(yīng)力遠(yuǎn)超過煤體抗壓強(qiáng)度。深部煤巖水平構(gòu)造應(yīng)力較高，最大水平應(yīng)力達(dá)到33～42 MPa。高應(yīng)力作用易使煤巖體產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生破壞，導(dǎo)致4號煤層工作面沖擊地壓事故的發(fā)生。同時4號煤層具有強(qiáng)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(qiáng)，回采后不易冒落，隨著采空區(qū)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(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變并增加了未開采區(qū)域的應(yīng)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(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊載荷，加劇煤體的應(yīng)力集中程度，誘發(fā)沖擊危險。同時下部煤巖體受煤柱應(yīng)力集中、開采集中、回采速度、放炮割煤誘發(fā)等外部因素影響，極易發(fā)生沖擊。

3.2 確定1410綜采面平巷位置

根據(jù)數(shù)值計算、礦壓理論和經(jīng)驗(yàn)的綜合研究與評價，在開采解放層后，將4號煤層運(yùn)輸巷布置在與6號煤層回風(fēng)巷外幫連線與水平工作面夾角68°～75°的結(jié)構(gòu)性永久卸壓區(qū)內(nèi)；4號煤層回風(fēng)巷布置在1號煤層工作面采空區(qū)內(nèi)，距離1號煤層工作面回風(fēng)巷下山方向40 m和運(yùn)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(jiān)測沖擊危險分析

微震監(jiān)測能較好地反映巖層活動規(guī)律，老頂初次來壓期間，微震監(jiān)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(jiān)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(qiáng)。依據(jù)相關(guān)的覆巖空間結(jié)構(gòu)理論，工作面推進(jìn)到首次見方階段時，工作面沖擊危險程度增強(qiáng)。若區(qū)域內(nèi)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(yù)示工作面前方圍巖存在高能量積聚過程，該區(qū)域沖擊危險性極高。當(dāng)工作面回采向煤柱方向推進(jìn)過程中，工作面前方微震活動分布不隨工作面的推進(jìn)繼續(xù)向前發(fā)展，表明工作面與煤柱之間可能存在高應(yīng)力集中區(qū)，沖擊危險性逐漸增強(qiáng)，微震破裂點(diǎn)大部分集中在工作面超前70～80 m范圍，該范圍內(nèi)煤巖層得到充分?jǐn)嗔哑茐?。分析認(rèn)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(nèi)為沖擊危險區(qū)域，應(yīng)作為重點(diǎn)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(yīng)力集中影響，斷層活化程度不斷升高，微震監(jiān)測共發(fā)生39次微震事件，達(dá)到?jīng)_擊危險震級的高達(dá)7次。這說明工作面與斷層之間存在高應(yīng)力區(qū)，沖擊危險范圍距離斷層20～40 m的范圍內(nèi)，工作面過斷層的沖擊危險區(qū)段如圖5所示。

圖5 工作面過斷層的沖擊危險區(qū)段

3.4 監(jiān)測防治措施

1410工作面回采期間沖擊地壓監(jiān)測主要采取鉆屑量監(jiān)測、礦壓監(jiān)測和微震系統(tǒng)監(jiān)測。1410綜放工作面卸壓防治技術(shù)主要采取煤體卸壓爆破、頂板預(yù)裂爆破、煤層注水技術(shù)，特別是工作面前方20～40 m斷層構(gòu)造區(qū)域，要采取多種監(jiān)測防治措施。

(1)煤體卸壓爆破。利用鉆屑等方法監(jiān)測具有沖擊危險時，首先采用煤體卸壓爆破解危措施。在監(jiān)測預(yù)警區(qū)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(yù)裂爆破。若煤體卸壓爆破未能起到有效的解危效果，可進(jìn)一步采取頂板預(yù)裂爆破措施，以加強(qiáng)卸壓力度，達(dá)到卸壓解危的效果。頂板預(yù)裂爆破可以縮短基本頂?shù)臄嗔丫啵档凸ぷ髅鎰屿o載集中程度，實(shí)施范圍一般在超前工作面200 m以內(nèi)?；仫L(fēng)巷每隔10 m布置一組鉆孔，運(yùn)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(shù)布置圖

圖7 頂板預(yù)裂爆破鉆孔參數(shù)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。回風(fēng)巷注水孔深度為40 m，運(yùn)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(yàn)

通過微震監(jiān)測系統(tǒng)對采取防治措施后煤巖系統(tǒng)沖擊地壓危險程度進(jìn)行檢驗(yàn)。工作面正?；夭善陂g，微震事件隨著工作面的推進(jìn)不斷前移，范圍較廣，說明工作面前方頂板有規(guī)律斷裂，前方應(yīng)力有規(guī)律釋放。微震系統(tǒng)監(jiān)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(jié)果如圖9所示。由圖9可知，防治措施采取后，減弱煤體應(yīng)力集中程度，鉆屑量都小于考察的臨界指標(biāo)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(jié)論

(1)覆巖空間高度在煤層上方100 m左右，經(jīng)分析計算及微震監(jiān)測結(jié)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(fā)生沖擊地壓原因?yàn)椋捍蟛缮钤斐傻母叩貞?yīng)力分布；煤層上方覆巖結(jié)構(gòu)完整性強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度大；煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性；同時煤柱集中應(yīng)力、工作面采動應(yīng)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(fā)等因素也是4號煤層發(fā)生沖擊地壓的主要原因。

(3)確定6號煤層下保護(hù)層開采后4號煤層上下平巷布置位置：4號煤層運(yùn)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(qū)內(nèi)；4號煤層回風(fēng)巷布置在1號煤層回風(fēng)巷傾向下方40 m處。

(4)提出保護(hù)層開采預(yù)防沖擊地壓災(zāi)害的思路，從巷道優(yōu)化布置及運(yùn)用微震等預(yù)測預(yù)報手段監(jiān)測預(yù)警沖擊地壓災(zāi)害，通過煤體卸壓爆破、頂板預(yù)裂爆破及煤層注水等沖擊防治措施對沖擊危險區(qū)域提前預(yù)處理，防治措施效果顯著，保證1410工作面安全回采。