大同雙系開采強礦壓顯現機理及控制技術探討

趙 軍

（大同煤礦集團有限責任公司同大科技研究院，山西大同 037003）

0 引言

巖層控制是煤炭地下安全高效開采的核心，隨著開采深度的增加和煤層賦存條件的越來越復雜，頂板控制技術的難度也越來越大，特別是堅硬頂板條件下的頂板控制問題一直是困擾世界采礦界多年的難題之一。大同礦區是公認的國內外最為典型的堅硬頂板礦區，其賦存的煤層為侏羅系和石炭二疊系雙系煤層，煤層頂底板巖層多為整體性強的厚砂巖、礫巖，層理節理均不發育，分層厚度大，性質堅硬，f≥8；開采后頂板難以冒落，而冒落時常會造成工作面的沖擊性破壞，壓力顯現劇烈，甚至形成颶風災害對工作面造成沖擊；而在進行煤層群開采時，受上層開采煤柱影響，集中壓力大，頂板維護難度更大。

針對堅硬覆巖條件下頂板結構及工作面強礦壓的顯現機理，國內外眾多學者做了大量的研究。堅硬頂板造成的回采工作面動力災害現象，在上世紀八十年代以來的礦壓教科書及許多礦壓研究的專著都有表述，和沖擊地壓一樣基本用一章的篇幅來進行說明；但由于其造成的災害影響不如沖擊地壓大，人們對其重視程度較低，研究此類問題的專家學者越來越少，使得研究的深度和廣度遠遠不能和沖擊地壓問題相提并論，解決堅硬頂板問題的手段也較少。隨著人民生活水平的提高和國家對煤礦安全生產的重視程度越來越高，頂板強礦壓問題越來越受到各方面的重視。多年來，大同煤礦集團聯合國內外研究機構和高等院校針對大同雙系特厚煤層堅硬覆巖開采中的巖層破斷機理、致災特征及控制技術等進行了有效的研究探索，取得了較好的成效，形成了以預控為主的堅硬頂板控制技術體系，可為其他礦區的堅硬頂板控制技術作為參考和依據。

1 堅硬頂板“強礦壓顯現”的特征及與沖擊地壓的區別

堅硬頂板條件下的采場發生的礦壓顯現比一般的礦壓顯現表現的突然和劇烈，并伴有動力現象的出現，過去的學者曾將其稱為“堅硬頂板大面積來壓”和“和非典型沖擊地壓”等等，和煤礦沖擊地壓、煤和瓦斯突出等并稱為礦山三大動力現象，和沖擊地壓現象很類似，但又有其本質差別。根據我們多年來的經驗和研究結果，我們感覺將其稱為“強礦壓顯現”更為確切。在這里按其發生的原因及性質將其初步定義為：“礦山井巷和采場周圍煤巖體，由于受上覆巖層或頂板結構的突然破斷失穩使巖體結構的位能突然釋放而產生的以突然、急劇、猛烈的破壞為特征的動力現象”。發生時一般以部分巖體結構緩慢破壞為先導，巖層整體破斷正是局部破裂不斷發展的結果。破斷的同時，已破壞巖體的位能突然轉化為動能而顯現彈性能的釋放，變形能的釋放又產生以突然、急劇、猛烈的破壞為特征的動力現象。發生的現象為：頂板劇烈響動，迅速下沉，底板隆起，煤壁嚴重偏幫，巷道堵塞，煤柱被壓碎，支架損壞等等。如圖1所示。

堅硬頂板強礦壓與沖擊地壓的區別：一是動力來源不同，沖擊地壓是巖體內部的彈性變形能的突然釋放而引起的動力災害，強礦壓是上覆巖層或頂板結構的突然破斷失穩使巖體結構的位能突然釋放造成的；二是顯現特點不同，沖擊地壓發生時頂板一般不垮落，而強礦壓的發生必須在上覆頂板巖層垮落的基礎上。

圖1 工作面和巷道的強礦壓顯現現象

堅硬頂板強礦壓顯現的特點：

（1）強礦壓發生前或發生時經常伴有劇烈的響動，在工作面附近能聽到咚咚的聲響（井下工人俗稱“悶咚”）；

（2）起支撐作用的頂板巖層以剪切形式破壞，使原有的巖層結構突然失穩，并瞬時垮落到已冒落巖石上，對周圍煤壁、支護體等造成沖擊性壓力；

（3）埋深淺的礦區常常造成地面塌陷，地表塌陷范圍多呈圓形、橢圓形或大體沿回采區域邊界發展，小于開采面積，在塌陷區的周邊多出現縱橫交錯的張口裂縫，裂縫最大寬度可達0.5 m以上。

（4）強礦壓發生時一般會產生壓縮氣體，發生大量瓦斯或有害氣體涌出，嚴重時會有空氣沖擊（暴風），可摧毀棚子、密閉、風橋和設備等巷道支護和通風設施，甚至造成人員傷亡，甚至造成礦井停產或臨時封閉。

（5）頂板來壓猛度大，支架載荷的典型曲線是：平時基本無增阻，來壓時出現明顯的瞬時增阻，頂板活動造成的沖擊載荷，使安全閥來不及動作或泄壓速度慢而發生嚴重損壞。

2 堅硬頂板覆巖條件下特厚煤層綜放開采的強礦壓顯現機理研究

2.1 大同礦區開采煤層賦存的基本情況

大同礦區開采侏羅系和石炭系雙系煤層，目前礦區對侏羅系煤層的開采幾近完畢，以塔山、同忻為代表的千萬噸級礦井已轉入深部石炭系煤層的開采。侏羅系煤層的埋深一般不超過300 m，屬淺埋深煤層，為近距離煤層群賦存，多為近水平中厚煤層為主，單層最大厚度7.81 m。石炭系主采3-5#煤層位于已開采侏羅系煤層采空區覆巖結構下方200 m 左右，現開采區域煤層平均厚度平均為15 m 左右，為近水平特厚煤層，采用綜采放頂煤開采方法；雙系層間廣泛分布著細粒砂巖、粉砂巖、中粒砂巖、礫巖以及砂質泥巖等成分，其中砂質巖性巖層約占90%～95%，頂板巖層堅硬完整，雙系煤層之間的柱狀如圖2所示。

圖2 煤層柱狀圖

2.2 二維與三維相似材料模擬研究

為預先掌握特厚煤層綜放開采時的堅硬頂板運移規律，分析強礦壓顯現產生的機理，開采前我們針對塔山和同忻礦的多個工作面實際煤層賦存條件進行了二維和三維的相似材料模擬研究，實驗室模擬現場圖片見圖3、圖4。

圖3 二維實驗模型全景圖

圖4 三維實驗模型全景圖

模擬的研究結果分析：通過實驗，得到直接頂厚度約為50 m 左右，下位直接頂厚度為30 m 左右，上位直接頂厚度為20 m 左右；老頂厚度為93 m，下位老頂厚度為30 m，上位老頂厚度為63 m。實驗所得下位老頂周期斷裂步距15 m～20 m，上位老頂的平均周期斷裂步距為40 m～50 m。當工作面推進至距離切眼31 m時，工作面下位直接頂粉砂巖和粗砂巖層初次垮落，隨工作面推進，當工作面推進至距離切眼65 m 時，下部老頂巖層初垮，其后每15 m～20 m，下部老頂巖層又一次周期運動過程；當工作面推進至距離切眼205 m時，工作面上部老頂巖層初垮，其后每40 m～50 m 上部老頂垮落一次。直接頂巖層的垮落角度約為58°左右，老頂巖層垮落角度約為60°左右；正常推進時，工作面支架處于工作面正常狀態。當工作面下位老頂第一次周期運動時支架壓力為27 142.73 kN/架；當工作面推進到上位老頂運動時，強迫下位老頂和直接頂結構斷裂，支架壓力為38 543.95 kN/架，明顯有動壓現象發生。

2.3 基于微地震監測技術的礦壓規律研究

采用高精度的微震的監測手段對塔山煤礦和同忻礦綜放工作面開采過程中的覆巖破裂演化規律進行監測分析[1]，監測時在井下巷道中布置若干鉆孔，每個鉆孔與水平面的夾角都不同。布置在鉆孔的傳感器與井下巷道內的監控設備相連，然后通過光纜與地面的監控設備和計算機相連。通過采集到的微震事件信息分析不同時間、不同地點、不同巖層高度的巖層損傷情況，最終總結出采場周邊巖層的巖層運動情況。

塔山礦8103 工作面監測結果如圖5 所示，微震事件顯現規律再現了巖層運動破裂的整個過程，揭示了巖層運動的范圍和圍巖應力分布規律。監測結果表明微震事件密集分布區域主要集中在煤層以上50 m 直接頂范圍之內，正常破裂高度約100 m，最大破裂高度至上位老頂達200 m以上。

圖5 工作面覆巖垂直斷裂特征

2.4 基于地面鉆孔高精度數字全景成像實測技術的現場礦壓規律研究

為著更直觀、更切近實際的掌握頂板運動規律，我們利用現場1：1實體模型采用全景式數字成像技術進行全過程不間斷觀測研究[2]；在距切巷270 m 和500 m處布置了兩個鉆孔，分別位于工作面的中部和1/3處。避開了盤區煤柱和區段的影響，全方位的觀測了頂板的變化情況。工作面推進到距鉆孔30 m時，工作面每兩天觀測一次。從工作面推進至鉆孔前后30m，每天觀測一次。過鉆孔30 m到距離鉆孔100 m這一區段范圍內，工作面每兩天觀測一次，后到工作面結束，工作面每周觀測一次。通過數字全景成像技術直觀的觀察了塔山礦綜放工作面采面開采過程中頂板變化全過程，分析和掌握了特厚煤層頂板巖層運移規律，為頂板控制研究提供基礎數據，對進一步研究巖層運移規律提供理論基礎與技術支持。觀測的3D 變化和典型截圖結果如圖6、圖7所示。

圖6 鉆孔典型3D變化圖

圖7 1號鉆孔典型截圖

經過對塔山地面鉆孔長達4 個多月的觀測，通過分析整理，隨工作面推進鉆孔塌落高度見圖8所示。

圖8 鉆孔塌落高度曲線

從鉆孔塌落高度曲線情況來看，顯然塌孔高度和工作面與鉆孔相對位置呈正相關關系，即隨著工作面的推進，塌孔高度呈臺階跳躍型升高。可見，巖層在這里確實出現了“破壞拱”，而整個曲線的平臺段是離層發生——發展的階段，頂板巖層發生冒落、裂隙、彎曲都是先產生離層，然后在進一步發展為冒落、裂隙、彎曲帶。第一平臺在工作面推過鉆孔8 m 左右，高度大約50 m 左右，分析推斷此處為直接頂與老頂的分界處，是中砂巖和粉砂巖的分界處。第二平臺在工作面推過鉆孔10 m～20 m左右，高度大約在70 m左右，分析推斷此處為老頂第一巖梁，是粗砂巖和粉砂巖的分界處，為下部老頂；第三平臺在推過鉆孔25 m～50 m 處，高度已上升到150 m左右，此處為老頂第二巖梁內，是細砂巖和粉砂巖的分界處，應為上部老頂巖層。當工作面推過鉆孔70m 后處，垮裂帶高度已經到達200 m以上，此處為上二疊系上石盒子組內中部不穩定巖層和下部穩定巖層的分界處是粗砂巖和粉砂巖的分界處。隨著工作面推進，上部破裂巖層高度已到達250 m 甚至300 m 以上，接近上部侏羅系巖層。而在形成平臺的過程中，也就是頂板發生離層導致突然冒落的過程中，會在井下工作面附近的區域產生沖擊性的壓力并發出咚咚的巨響。隨工作面開采的越來越遠，后方的影響也會逐步減少。

2.5 綜放工作面支架阻力實測研究

在塔山礦和同忻礦已開采的二十多個工作面全部進行了液壓支架支架工作阻力在線監控系統結合并結合每架上雙針壓力表等其他手段的礦壓觀測研究，經統計分析，工作面初次來壓步距為45 m～80 m之間，周期來壓步距在15 m～30 m 之間；工作面普遍存在大小來壓現象，一般在2～3次小的周期來壓后，將有一次大的周期來壓，老頂分次垮落的跡象明顯；多數工作面在將近見方時壓力顯現明顯加劇，在已有采空區形成大對方時，也有壓力顯現增加的現象。其來壓特點如下：

⑴從工作面長度上來看，呈現分幾段來壓的特點，工作面頭、中、尾不同時來壓，分析認為這是由于工作面的加長和地質構造的原因，頂板不可能是完整的板狀結構，中間會存在很多的弱面或節理裂隙，斷裂時分段斷裂。

⑵工作面來壓時基本上是中部先來壓，然后向兩邊擴展；如果頭尾不平行推進，則靠超前一側的中部先來壓，后向兩邊擴展。

⑶由于工作面較長，又呈現分段來壓的特點，造成每次來壓到結束時間較長。

⑷平時情況下，前柱壓力大于后柱壓力，每次來壓時，后柱壓力高于前柱。分析其原因是由于頂煤厚度高，平時情況下支架后部上方的頂煤已松動，頂板傳遞到后柱壓力明顯小于前柱；而來壓時折斷后的巖梁倒轉壓到支架的后方，因此支架后立柱比支架的前立柱在來壓時承受的壓力大，由于頂煤的作用，來壓時，放頂煤工作面的煤壁片幫比一次采全高工作面程度小。

根據采礦和礦壓理論，結合前述二維三維相似材料模擬實驗、數字全景成像技術和微地震監測技術和工作面現場的礦壓觀測實測研究，我們得到了如圖9所示的大同礦區雙系特厚煤層綜放開采的大空間覆巖結構模型[3-5]。

圖9 特厚煤層綜放開采上覆巖層結構模型

該模型由兩部分組成，其上部侏羅系煤層開采后遺留的煤柱形成的類似“工”字型結構，下部是工作面基本頂范圍內形成“懸臂梁+砌體梁”的結構。即石炭系特厚煤層開采的采場礦壓不僅僅受低位巖層的破斷影響，更受到高位空間范圍內巖層運動的影響，同時與煤層開采厚度有關。在沒有上方侏羅系煤柱的情況下，工作面礦壓顯現受“懸臂梁”和“砌體梁”周期性復合破斷的影響，“懸臂梁”結構的破斷塊體及其控制的上覆載荷完全由工作面支架承擔，支架靜載荷較大，當上位“砌體梁”結構發生失穩破斷時，上方的破斷塊體將下部“懸臂梁”結構折斷，并在巨大載荷的作用下發生迅速回轉作用于工作面支架，支架所承受載荷由單一“懸臂梁”結構變成“懸臂梁+砌體梁”結構，來壓強度增大，工作面強礦壓顯現劇烈。工作面小周期來壓步距受懸臂梁破斷影響，大周期來壓步距受上位砌體梁結構破斷影響。而在侏羅系遺留的煤柱下方開采時，煤柱對于石炭系煤層開采有較大影響，經研究當上覆煤柱寬度在30 m～120 m 之間時，影響較大，其中煤柱寬度在80 m時影響最大。

3 協同弱化改性的堅硬頂板預控技術

大空間堅硬覆巖結構對采場的強礦壓作用對工作面的安全高效生產帶來了嚴重的危害，提出合理的基于協同弱化改性的堅硬頂板預控技術體系顯得尤為重要。在預知工作面強礦壓顯現機理的基礎上，針對不同的來壓影響因素，必須采取合理的預控技術措施，通過改變巖層特性和結構來改變大空間堅硬覆巖結構的特性、空間分布、破斷特性以及應力場分布，減小頂板破斷時積聚能量的釋放強度，以達到降低工作面強礦壓顯現強度的目的，實現安全高效預控。根據堅硬頂板預控技術體系，研發了頂板防治的關鍵技術：井下近場基本頂預裂、地面遠場壓裂弱化改性、解放層泄壓開采等。

3.1 區域性的預控技術

首先要從開采環境入手，進行區域性的預控技術，使開采時的頂板巖層難以形成大空間的覆巖結構或減小覆巖結構的空間范圍，以減少對工作面生產的影響。區域性的預控技術主要在有條件的區域進行解放層開采，使上部的大空間覆巖結構事前破壞或減弱，以減小對工作面的影響。

解放層開采技術一般常在預防沖擊地壓或煤與瓦斯突出時采用，而預防工作面頂板強礦壓還尚未見在其他礦區采用過的公開報道。為解決石炭系3～5#特厚綜放開采大結構頂板強礦壓控制技術難題，首先開采3-5#煤層上方的薄及劣質煤層(山4#煤層)，即所謂的解放層。由于山4#煤層厚度小，開采時的影響范圍小，形成的覆巖結構空間小，相對比較而言開采時的來壓強度不大。而等山4#煤層開采后，上方的巖層經過不斷移動，使得地層應力發生重新分布，在采空區上方形成自然冒落拱，壓力則傳遞給采空區以外的巖層承受；尤其是在解放層開采后，煤層上方的侏羅系遺留煤柱的集中應力就會自動消失，采動影響范圍內，地層應力(包括地質構造應力)降低，3-5#煤層及頂板層將會卸壓，在垂直煤層層面方向呈現膨脹變形，而在煤層和巖層內，不僅產生出新裂縫，而且原有裂縫也有擴大，這就使得煤層及巖層應力狀態大大降低，從而達到了特厚煤層綜放開采大結構頂板控制難題。

3.2 工作面周邊的預控技術

主要是通過工程手段，改變工作面上方覆巖的特性，從而改變開采時上方的直接頂和基本頂的懸頂長度、厚度，改變大空間覆巖的結構特性，以減輕采場支架上的壓力。主要分為在井下工作面附近進行近場的控制技術和在地面打鉆孔對侏羅系煤層遺留煤柱或煤柱下方的堅硬巖層進行弱化處理兩種技術。

（1）井下近場巖層預裂技術為保證對基本頂的預裂效果，在井下工作面附近，通過向工作面（或相鄰采空區）頂板巖層打鉆，用特高壓水壓致裂技術[6,8]和爆破預裂頂板技術[7,8]，增加了頂板的裂隙，減小了巖層強度，降低了來壓步距和來壓強度。對臨近采空區頂板注水壓裂示意圖如圖10所示，爆破切頂示意圖如圖11所示。

圖10 工作面壓裂鉆孔布置剖面圖

圖11 爆破切頂示意圖

經壓裂和爆破處理后經過鉆孔窺視，表明巖層裂隙明顯增加，開采時巷道壓力和變形較前明顯減??；在對工作面頂板實施壓裂后，工作面周期來壓步距和強度都有所減小，效果明顯。

（2）地面遠場壓裂弱化改性技術

基于地面鉆孔的遠場堅硬覆巖控制技術是通過地面鉆井復合壓裂技術弱化上覆巖體的整體強度，主要通過水壓裂縫的產生和擴展，改造巖體的宏細觀結構，降低巖體的力學性能。通過弱化巖體的力學性能，降低頂板巖石的整體強度，使頂板及時垮落，減小頂板來壓強度，防止因頂板突然大面積折斷垮落而產生應力集中釋放現象。高位關鍵層的失穩破斷是強礦壓發生的主控因素，為降低高位關鍵層破斷時的能量釋放、壓力傳遞，減小高位巖層的活動范圍，采用地面水平孔分段壓裂及垂直孔分層壓裂技術實現了對堅硬頂板巖層物理力學性質的弱化，改變了高位關鍵層的破斷特性和強度，地面壓裂巖層示意圖如圖12所示。

圖12 地面水平和垂直協同壓裂技術

綜上對堅硬頂板預控技術及其體系的詳述可知，井下基本頂的預裂應用較為普遍，對強礦壓顯現的控制效果顯著，地面壓裂技術則根據具體高位關鍵層及上覆煤柱的存在有針對性的實施，從開采角度出發，卸壓開采是工作面強礦壓控制的有效技術途徑，但受控于泄壓可采煤層的存在，受開采條件制約。因此，因地制宜，通過多角度、全方位的協同作用，選擇合理的預控技術實現對大空間堅硬覆巖的強礦壓顯現的主動控制，達到工作面的安全高效生產。

4 主要結論

通過大同煤礦集團多年來對堅硬頂板特厚煤層條件下綜放工作面采場強礦壓顯現機理研究和對大空間覆巖結構的預控技術多年實踐，可得到如下主要結論：

（1）本文對堅硬頂板采場的強礦壓顯現的特點進行了分析，說明了強礦壓顯現是一種與沖擊地壓、煤與瓦斯突出相類似的礦井動力災害，與后兩種災害既有相同點即都是動力災害，又有本質上的區別即是由開采后的堅硬覆巖結構垮落或失穩造成的，對礦井安全生產危害極大，應該引起各方面的足夠重視，特別是我國東部地區，隨著礦井開采深度的增大，煤層上方堅硬頂板巖層的可能性增大，堅硬頂板強礦壓顯現的有效控制將對礦井的安全生產和經濟社會效益提高產生重大影響。

（2）堅硬覆巖采場強礦壓顯現機理為多因素共同作用的結果。和煤層頂板結構、礦區地質動力環境、開采順序、采煤方法等有直接關系，要根據不同的礦井開采條件采用多種研究方法進行深入的研究，才能找到最為關鍵的影響因素，最終找到治理堅硬頂板的方法。

（3）大同礦區多年來針對大空間堅硬覆巖采場的強礦壓顯現難題實施的基于協同弱化改性的堅硬頂板預控技術體系，即：區域性解壓（解放層泄壓開采）技術、針對堅硬巖層改性的井下近場預裂與地面鉆孔遠場弱化技術等都對堅硬覆巖采場強礦壓的控制起到了重要作用，降低了工作面來壓強度，保證工作面的安全高效生產，可供其他礦區有針對性的選擇與參考。