鮑店煤礦保護層開采沖擊誘因與防治體系

朱懷志，張 峰，倪海明

（1.金達煤炭有限責任公司，山東 滕州 277500；2.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；3.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590）

煤礦災害種類繁多，沖擊地壓就是其中一種，沖擊地壓是采掘過程中富含彈性勢能的煤巖體被瞬間拋出的動力學現象，往往對礦井的正常生產造成干擾[1-3]。由于沖擊地壓的復雜性，對其發生機理、發生規律尚未形成統一判斷標準，其預防與治理在煤礦生產中尚屬難以克服的問題[4-5]。

國內外學者針對沖擊地壓的發生機理進行了大量研究，形成了多種沖擊地壓誘發理論[6-13]，主要包含強度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、剛度理論、失穩理論、三準則理論。同時在沖擊地壓防治措施方面也取得了諸多成果[14-21]，主要采用經驗類比法、局部探測法、系統檢測法來對沖擊地壓進行預測，并通過采用合理的開拓設計及開采方式、開采保護層、煤層高壓注水以及深孔爆破卸壓、大直徑鉆孔卸壓等解危措施來治理沖擊地壓。綜上所述，國內外學者對沖擊地壓的研究主要分為誘發機制和防治措施2 個方面，但對于深部分層開采條件下的沖擊地壓的研究還鮮有涉及。以鮑店煤礦103下06工作面的開采為工程背景，首先分析了自然因素和技術因素對沖擊地壓的影響。然后對103上06 工作面和103下06 工作面的開采進行模擬。進而通過分析實驗和模擬的結果判定其沖擊誘因，并進一步獲取沖擊地壓發生的可能性。最后根據實際情況提出保護層開采條件下的沖擊地壓防治措施。

1 103下06工作面沖擊影響因素

1.1 工作面概況

103下06 工作面處于礦井東南部，地面平均標高+42.06 m，整個采煤工作面處于十采區，平均標高-450 m。該工作面所處的兗州向斜走向為90°～110°、傾向為 0°～20°，南高北低、西高東低。該工作面在向斜的偏南方位，東鄰設計切眼①，西鄰停采線，南鄰 103下07 工作面，北鄰 103下05 工作面，上方是 103上06、103上07 工作面。煤層為黑煤，整體為半亮煤，少量為暗煤，煤層厚度 3.01～4.34 m，平均3.33 m，煤層傾角 2°～24°，平均 10°。3上煤與 3下煤層間距為 9.34～11.14 m。

1.2 沖擊地壓影響因素

1.2.1 地質因素

1）開采深度。103下06 工作面埋深 467～537 m，平均502 m，采掘期間Wt（沖擊地壓發生概率）不超過 0.1，最大地應力 σmax＜40 MPa。因此，開采深度對該工作面沖擊地壓的影響很小。

2）煤巖的物理力學性質及特征。3下煤層沖擊傾向性鑒定結果見表1。3下煤層的各項指標均符合沖擊傾向性的標準。根據鑒定結果可以認定3下煤層具有強沖擊傾向性。

3）巖層的沖擊傾向性。頂底板沖擊傾向性分類、名稱及分類指數見表2。從物理學力學測試資料得知，頂板屬于無沖擊傾向的I 類。底板巖層的彎曲能量指數為101.22 kJ，可以認為該煤的底板巖層有弱沖擊傾向性，屬II 類。

4）煤層厚度及其變化。3下煤層厚度穩定，在3.01～4.34 m 之間，平均 3.33 m，煤厚變化對該工作面沖擊地壓危險的影響不大。

表1 3 下煤層沖擊傾向性鑒定結果Table 1 Bursting liability of No.3 lower coal seam

表2 頂底板沖擊傾向性分類、名稱及分類指數Table 2 The classification, name and index of bursting liability on roof & floor

5）頂板巖層的結構特征。發生沖擊地壓的巖層中，大部分厚度參數值Lst大于50。頂板厚度特征參數理論值Lst見表3。根據103下06 工作面綜合柱狀圖及工作面頂板巖性特征，得出頂板厚度特征參數理論值為：Lst=Σ（hi·ri）/Σhi= 30.56 ＜50。因此，103下06 工作面的頂板結構特征對其沖擊地壓災害的影響不大。

表3 頂板厚度特征參數理論值LstTable 3 Theoretical values of roof thickness characteristic parameters Lst

6）頂板活動。103下06 工作面直接頂為厚 2.19 m 的粉砂巖，其垮落后導致采空區基本頂懸露。懸露的部分的應力會轉移到工作面的煤體上。而隨工作面的不斷往前推進，會出現周期性的礦壓顯現。同時，3下煤層工作面開采會引起3上煤層采空區上覆巖層的再運動，容易引起工作面沖擊地壓。

7）地質構造。103下06 工作面位于兗州向斜的南翼（靠近向斜的軸部），受褶曲影響，開挖運輸巷東段、設計開切眼①和開切眼②的過程中可能會導致局部應力集中現象。同時，當工作面推進到至褶曲周圍時，有可能發生沖擊地壓。

1.2.2 開采技術因素

除了自然因素外，還存在多種沖擊地壓影響因素，比如開采條件、生產技術條件等。煤巖體應力集中之時，往往發生沖擊地壓，而應力集中往往又與采區內的采煤面的布置方式、頂底板的治理措施、煤柱的留設等有關。

1）工作面布局。103下06 工作面形狀不規則（圖1）。設計開切眼②位于工作面擴面階段，局部應力集中程度較高。

圖1 103 下 06 工作面Fig.1 Location of lower 103-06 face

2）停采線位置。當停采線參差不齊或者外錯相鄰工作面停采線時，其附近應力集中程度很高，導致沖擊危險程度升高。103下06 工作面停采線與103下05、103下04 對齊，且位于 103上06、103上07工作面停采線內側，有效降低了停采線處應力集中程度。

3）頂板管理方法。103下06 工作面直接頂為厚2.19 m 的粉砂巖，基本頂由致密堅硬、厚7.08 m 的粉細砂巖互層構成。在工作面推進過程中往往有懸頂形成，當懸頂不能及時垮落時，會引發沖擊地壓，必要時需采取深孔爆破技術處理頂板進行強制放頂。同時，由于103下06 工作面處于3上煤層采空區下方，為被保護層卸壓開采，對工作面礦壓起控制作用的覆巖在一定厚度內受保護層卸壓影響，減弱了頂板沖擊傾向。

4）區段煤柱。煤體中應力集中的程度受煤柱寬度的制約，一般是正相關關系。103下06 工作面與103下05 工作面2 個采空區之間的屈服煤柱寬3 m，煤柱中的垂直應力較小，發生沖擊地壓的可能性較小。因此，103下06 工作面回采期間運輸巷側煤柱總體的沖擊危險性較小。

5）開采方法。在掘進和回采過程中，煤巖體支撐應力的分布取決于開采方法的選擇、回采巷道的布置以及控頂方式。由于103下06 工作面煤層厚度平均為3.33 m，適合采用綜合機械化一次性采全高采煤法。采用該方法采煤時推進速度快，同時工作面較長，頂板暴露面積較大，導致應力變大，發生沖擊地壓的可能性增加。而103下06 工作面覆巖在一定厚度內受保護層卸壓影響較容易垮落，減弱了頂板沖擊危險。在回采過程中應加強頂板活動的監測，提高工作面支架初撐力和超前支護強度，合理控制工作面推進速度。

2 動靜載荷疊加誘沖機理

為了進一步檢驗動靜荷載疊加誘沖原理，利用PFC 對現場情況進行了模擬，并與現場實測結果進行對比分析。

2.1 數值模型

為便于研究在工作面開挖過程中的上覆巖層形變破壞規律，在數值模擬中忽略節理裂隙、各向異性及工作面支護作用的影響。按照地質柱狀圖厚度比進行建模，模型長1 600 mm，高1 600 mm，顆粒層間共布置11 層，粒徑比為1.56，其中最小粒徑為0.3 mm，傾角與煤層傾角保持一致為11°，顆粒流數值模擬模型如圖2。數值型的力學參數見表4。

圖2 顆粒流數值模擬模型Fig.2 Numerical model by PFC

表4 巖石細觀力學性質參數Table 4 Mesoscopic mechanical parameters of each rock steatum

2.2 103下06工作面靜載分析

以層間距為變量，模擬3下煤層與3上煤層的開采過程，研究開采結束后不同層間距條件下靜載對保護煤層底板巖體與被保護煤層頂板巖體的變形破壞情況。不同層間距下的被保護煤層塑變規律如圖3。

由圖3（a）可以看出，隨煤層間距由小變大，其底板被破壞的深度呈現明顯的階段性。當層間距小于20 m 時，保護煤層底板巖體與被保護煤層頂板巖體的破壞相互貫通，層間巖體受上層煤體開采擾動的影響而完全破壞，層間距越小，被破壞的程度越高。由圖3（b）可以看出，被保護煤層頂底板在保護煤層開采擾動影響下，處于層間巖體完全破壞階段的被保護煤體頂板巖層與保護煤層底板在層間巖體厚度不超過20 m 時，頂板的塑變區將直接貫通至頂部。

3上煤與 3下煤間距為 9.34～11.14 m。3上與 3下煤層開采完成后上覆巖層破壞示意圖如圖4。103下06工作面在解放開采的過程中，層間巖體受3上煤體開采擾動的影響而完全破壞，被破壞的程度較高。

103下06 工作面上方為已回采完畢的103上06和103上07 工作面，根據上述巖性分析和數值模擬結果可知，被解放的3下煤體單元的應力水平不僅低于其原巖應力水平，而且低于保護煤層的原巖應力水平，具有很好的解放效果。

由于103下06 工作面經過保護層卸壓開采，自重應力場和構造應力場相對減弱，靜載荷在103下06 工作面回采期間對沖擊危險的影響不大。

2.3 103下06工作面采動分析

2.3.1 垮落規律

為研究煤層開挖過程中3下煤層上覆巖層的運移及破壞規律，特模擬了3上與3下煤層的全部開采過程。工作面推進步距為5 m，且每次推進25 m，3上煤層垮落帶、3上煤層上覆巖層、3上煤層采空區上賦巖層隨之發生變化，不斷地產生裂隙、破斷、垮落，上覆巖層垮落和再運動情況如圖5。

1）3上采空區巖層的再運動?？迓浜蟮目迓鋷г?下煤層開采時基本不會再運動，可排除其對后期3下煤層的擾動影響；3下煤層與 3上煤層間距 10.24 m，其中有2.19 m 的垮落帶和 7.08 m 的基本頂，模擬過程中隨著3下煤層開采的推進，由于受到之前開采的擾動、本次開采的擾動以及垮落帶自身的重力作用，使得層間巖體被破壞程度較高，103下06 工作面上覆巖層存儲的大量彈性能由于受到巖層運動影響而瞬間釋放。3下煤層開采結束后，3上煤層上部自下而上2層厚度分別為17.21 m 和 11.45 m 的中砂巖和粉砂巖受到周期來壓的影響層與層之間出現離層，裂隙逐漸發育，這2 層砂巖并未實現垮落；根據巖梁斷裂與基本頂周期斷裂釋放的彈性能的對應關系可知，巖梁斷裂尺度越大，其釋放的彈性勢能也越大，進而形成的動載擾動作用將越強；自上而下的覆巖運動的運動幅度越大，其斷裂的尺度也將越大。工作面繼續向前推進，隨時都面臨垮落的危險。

2）高位覆巖運動。103下06 工作面上方存在厚200 m 左右的“巨厚紅層”（巨厚粉細砂巖），回采過程中可能引發高位覆巖運動；綜合數值模擬過程中高位覆巖的運動情況，加之相鄰103下03、103下04、103下05 工作面回采期間的礦震活動，尚未發現較高位置大能量礦震活動。

2.3.2 裂隙產生規律

3上工作面開采后，上覆巖層巖石受到的拉應力或者壓應力超過其自身強度時，就會在巖石內部的弱結構面開始產生細微的斷裂裂紋，按照產生的時間進行對裂紋的數目進行統計。巖層垮落實驗中聲發射事件數的監測結果如圖6。

圖6 聲發射事件數的動態變化Fig.6 Dynamic change of rock acoustic emission

盡管不同工作面實驗結果不完全一致，但實驗結果顯示出共同的特征：

1）開挖3上煤層時，巖層受到采動影響，煤層上覆巖層受到開采擾動及垮落的影響，出現聲發射事件，且隨著時間的推進，巖層逐漸趨于穩定。

2）在開挖 3下煤層時，3上煤層和 3下煤層中間的巖層在采動的影響下發生垮落，由于層間距平均為10.24 m 加上之前垮落的 3上煤層垮落帶，3上煤層上覆巖層受擾動影響較大，產生較為明顯的聲發射現象。

3）在開采結束后一次來壓時，關鍵層受影響不大，沒有斷裂，擾動影響主要停留在3上煤層上覆巖層的最下面2 層，此階段出現少量的聲發射事件。

4）在開采結束后二次來壓，產生的裂隙數量有所增多，3上煤層上覆巖開始產生離層，聲發射事件明顯增多。

5）隨著后期覆巖運動逐漸減少，聲發射事件明顯減少，并逐漸穩定。

綜上分析，工作面頂板及3上采空區覆巖再運動是103下06 工作面采動動載主要動力源，而震源能量大小、工作面之間距離及煤巖介質的物理化學性質都對下方采掘空間的擾動程度產生影響。

3 103下06工作面沖擊危險防治體系

3.1 沖擊危險監測預警體系

根據103下06 工作面的地質和開采條件，利用綜合指數法和多因素耦合分析方法，評估其發生沖擊地壓的可能性，把沖擊地壓高危部分和沖擊地壓重點監視部分進行劃分。在初期評價的基礎上，采用SOS 微震監測系統對103下06 工作面存在的沖擊地壓發生風險進行不同時段不同區域的監測。采用鉆屑法對有突出風險性的局部區域進行驗證，對其危險等級進行評定，若存在的風險很高，必須采取弱化減沖措施，以達到減弱、消除工作面沖擊地壓危險影響的目的。

對于103下06 工作面存在沖擊地壓的高危部分，結合初期綜合分析、區域預測與即時監測預警、重點監測，構建了可靠性高、簡單有效、易于操作的預測沖擊地壓危險性的技術體系，103下06 工作面沖擊地壓分區分級監測技術體系如圖7。

圖7 103 下06 工作面沖擊地壓分區分級監測技術體系Fig.7 The technology system of impact pressure subdivision grading monitoring

3.2 沖擊危險解危體系

103下06 工作面沖擊地壓危險防治體系如圖8。根據監測、分析、預警的結果，確定不同的危險等級，采用相應的處理方案。將大直徑鉆孔卸壓、煤體卸壓爆破等方法綜合使用，可以實現103下06 工作面沖擊危險區域的防范與主動解危，主要目的如下：①降低煤體強度及應力集中程度使，將煤體的應力高峰區向巖體深部轉移；②減小動態擾動對高應力煤體的影響，降低覆巖破斷等震源產生的能量；③通過綜合解危措施，減少沖擊地壓的危險性。搭配使用沖擊危險區域的防范解決措施是實際應用的重要一步，首先確定需要進行解危的范圍，然后根據實際地點條件，選擇合理的解危措施。

圖8 103 下06 工作面沖擊危險解危體系Fig.8 The system of risk mitigation

4 結 論

1）導致103下06 工作面沖擊地壓危害的主要因素有：①3下煤層的強沖擊傾向性；②覆巖的再運動（礦震動載）；③工作面布局；④兗州向斜等地質構造。工作面運輸巷掘進期間危險指數Wt=0.46，沖擊危險狀態等級為弱沖擊危險狀態；工作面回采期間沖擊危險指數Wt=0.43，沖擊危險狀態等級為弱沖擊危險狀態。

2）受 3上煤層開采卸壓影響，103下06 工作面基本頂運動對工作面的擾動相對減弱。本工作面的開采引起3上采空區上覆巖層的再運動，導致上覆巖層運動釋放的彈性能對本工作面造成更強烈的動載擾動，3下煤層為卸壓煤層，回采過程中可能引發高位覆巖運動，又綜合考慮相鄰工作面回采期間的礦震活動，尚未發現較高位置大能量礦震活動。

3）PFC 數值模擬表明，3下煤層開采結束后懸頂尺寸較大，受到周期來壓的影響，3上上部覆巖中較厚的中砂巖及其粉砂巖之間發生離層，并隨著開采活動裂隙逐漸發育。3上采空區巖層的再運動給之后進行的開采工作埋下了安全隱患，建議在開采過程中采取爆破切頂等措施降低沖擊地壓風險。

4）針對103下06 工作面沖擊危險的具體致災類型及實際情況，提出靜載與動載協同監測的監測預警措施?；夭善陂g靜載監測主要采用鉆屑的方法，動載應力場監測以微震監測為主。綜合運用以上多種監測手段是103下06 工作面沖擊地壓監測預警的有效措施。

5）結合103下06 工作面具體情況，針對性提出了工作面掘進、回采期間沖擊地壓危險卸壓解危方案：在巷道掘進及工作面回采期間，建議采用大直徑鉆孔卸壓，煤體卸壓爆破為主的逐級措施。103下06工作面掘進、回采過程中，應根據制定的監控預警與卸壓解危方案并配合效果檢驗與安全防護措施落實沖擊地壓防治工作，并根據實際開采情況及時調整實施工藝與參數，確保工作面沖擊地壓危險明顯降低。