急傾斜特厚煤層水平分段開采沖擊機(jī)理及防治

王正義，竇林名，何 江，曹晉榮

（1.常州工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，江蘇 常州 213032；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

近年來，沖擊地壓呈現(xiàn)快速增強(qiáng)的趨勢，已成為煤礦地下開采的重大災(zāi)害之一[1]。我國急傾斜煤層開采的礦井遍布全國20多個礦區(qū)，占國內(nèi)煤炭總儲量的15%～20%[2]。針對煤厚20 m以上的急傾斜特厚煤層，一般采用水平分段綜放采煤法。隨著開采深度和強(qiáng)度的逐年增大，部分礦區(qū)的急傾斜特厚煤層開采中發(fā)生了多起沖擊地壓災(zāi)害[3-6]，嚴(yán)重制約煤礦安全生產(chǎn)。諸多學(xué)者針對急傾斜特厚煤層水平分段開采沖擊地壓機(jī)制和防治技術(shù)開展了大量研究。在沖擊地壓機(jī)理方面，鞠文君等[7]通過現(xiàn)場原位測量及力學(xué)推導(dǎo)分析了多分層同采影響下急傾斜特厚煤層巷道沖擊地壓成因。王寧波等[8]通過綜合分析急傾斜煤層水平分段開采煤巖體結(jié)構(gòu)及巷道圍巖破裂形態(tài)，指出急傾斜特厚煤層巷道圍巖存在分區(qū)破裂特征。來興平等[9]通過理論分析和現(xiàn)場原位監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，急傾斜煤層淺轉(zhuǎn)深綜放開采中動力災(zāi)害實質(zhì)為水平分段多階段開采重復(fù)擾動下覆層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)誘發(fā)的循環(huán)性動力沖擊。在沖擊地壓防治方面，來興平等[10]構(gòu)建了急傾斜煤層巷道沖擊“先注水后爆破”的解危技術(shù)體系，并通過微震監(jiān)測驗證了防治效果。杜濤濤等[11]基于微震監(jiān)測分析了急傾斜煤層上采下掘的致災(zāi)機(jī)制，提出了及時停止下分段掘進(jìn)的防沖對策。張基偉、王金安[12]提出了大傾角特厚煤層懸頂結(jié)構(gòu)彈性能定向釋放防沖方法，可有效防控回采巷道沖擊災(zāi)害。綜上，現(xiàn)有的急傾斜特厚煤層開采沖擊地壓的主要研究對象是巷道沖擊災(zāi)害，針對急傾斜特厚煤層工作面沖擊的研究報道較少，尚未全面揭示急傾斜特厚煤層水平分段開采沖擊發(fā)生機(jī)理，也缺乏針對性的防治措施。為此，以窯街三礦五采區(qū)為工程背景，提出了急傾斜特厚煤層水平分段開采的動靜載疊加誘沖機(jī)理以及針對性的防治對策，并通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證防治效果。

1 急傾斜特厚煤層賦存及開采特征

1.1 采區(qū)概況

窯街三礦五采區(qū)屬于急傾斜特厚煤層賦存，采用走向長壁水平分段綜放采煤法。五采區(qū)煤層傾角45°～62°，煤層平均厚度為54.8 m，設(shè)計分段垂高為11.2 m，其中采高2.8 m，放煤8.4 m，采放比1∶3。運輸巷沿頂板布置，回風(fēng)巷沿底板布置，均設(shè)在煤層中。首采分段工作面標(biāo)高為1 664 m，5521-20工作面為五采區(qū)第20個分段工，底界標(biāo)高為1 400～1 403 m，采深480～510 m。5521-20工作面走向長1 020 m，傾斜寬36～80 m。五采區(qū)鉆孔綜合柱狀圖如圖1，5521-20工作面剖面圖如2。

圖1 五采區(qū)鉆孔綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive stratigraphic column of No.5 mining district

1.2 沖擊地壓顯現(xiàn)特征

2016年3月24日01：50，窯街三礦五采區(qū)發(fā)生一起里氏2.4級震動，導(dǎo)致5521-20工作面發(fā)生沖擊地壓事故，工作面靠近頂板區(qū)域大量支架立柱折斷，38副綜采支架被不同程度的壓垮，底板隆起1.3～1.5 m，并產(chǎn)生平行裂縫，窯街三礦“3.24”事故現(xiàn)場破壞情況如圖3。

圖2 5521-20工作面剖面圖Fig.2 Profile of LW5521-20

圖3 窯街三礦“3.24”事故現(xiàn)場破壞情況Fig.3 Filed destructions of“3.24”accident in Yaojie No.3 coal mine

2016年6月29日，5521-20工作面從運輸巷距離工作面47.2 m處，至P22#點前17 m（總長44 m）發(fā)生設(shè)備列車顛翻，巷道兩幫最大移近量80 cm，頂?shù)装遄畲笠平?0 cm，個別支架壓力示數(shù)超過40 MPa。此外，5521-20工作面在回采期間，還經(jīng)常出現(xiàn)“板炮”、“煤炮”和液壓支架工作阻力超限等情況，嚴(yán)重制約了礦井的安全生產(chǎn)。

2 急傾斜特厚煤層開采沖擊地壓機(jī)理

2.1 靜載力源分析

急傾斜煤巖系統(tǒng)總靜載σs可表示為：

式中：σs1、σs2分別為急傾斜煤巖原巖應(yīng)力和采動應(yīng)力，Pa。

2.1.1 原巖應(yīng)力場

統(tǒng)計表明[13]，采深與沖擊地壓發(fā)生概率成正相關(guān)關(guān)系，沖擊臨近發(fā)生深度一般為400 m。窯街三礦未開采區(qū)域煤二層埋深多為480～800 m，屬于深井開采，達(dá)到發(fā)生沖擊的深度，且隨著開采不斷加深，沖擊地壓危險逐步增大。

此外，窯街三礦全礦井地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，斷層、褶曲構(gòu)造發(fā)育，共存在3條褶曲和68條斷層。對于五采區(qū)而言，5521工作面附近的F607斷層（落差50～150 m）處于尖滅區(qū)，該處構(gòu)造應(yīng)力集中；5521工作面還受到切眼附近的F15斷層（落差150 m）切割的影響等。當(dāng)工作面采掘活動進(jìn)入地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域時，尤其是在落差較大的斷層區(qū)域和褶曲軸部區(qū)域時，沖擊危險性較高。

2.1.2 傾向采動應(yīng)力

急傾斜煤層水平分段開采過程中，由于煤層傾角較大，導(dǎo)致覆巖關(guān)鍵層易形成超長懸頂結(jié)構(gòu)，使得頂板巷（運輸巷）圍巖和工作面上端頭處于高應(yīng)力集中狀態(tài)[14-15]；頂板巷相對上部采空區(qū)屬于外錯布置，外錯距離為10～15 m，使得頂板巷圍巖應(yīng)力集中程度加劇。分段工作面依次下行開采的采掘擾動導(dǎo)致兩側(cè)頂?shù)装寰邢蛑胁坎煽諈^(qū)回轉(zhuǎn)的趨勢，進(jìn)而形成1組方向相反的剪切作用力，使得處于頂?shù)装鍔A持狀態(tài)下的底煤易發(fā)生動力型的剪切滑移失穩(wěn)，急傾斜特厚煤層水平分段開采采動應(yīng)力集中如圖4。

圖4 急傾斜特厚煤層水平分段開采采動應(yīng)力集中Fig.4 Stress concentration in horizontal section mining of a steeply inclined,extra-thick coal seam

基于窯街三礦五采區(qū)地質(zhì)和開采條件，采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬手段，獲得的水平分段開采條件下沿急傾斜煤層傾向最大剪應(yīng)力和塑性區(qū)分布結(jié)果如圖5。

圖5 窯街三礦五采區(qū)開采過程FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 FLAC3D numerical simulation results of mining process in No.5 mining district of Yaojie No.3 coalmine

由圖5可知，分段工作面頂板側(cè)煤體處于剪切應(yīng)力集中區(qū)，而底板側(cè)煤體則基本處于塑性區(qū)；工作面煤體被頂?shù)装鍔A持在中間，受采動影響，工作面應(yīng)力重新分布后頂?shù)装鍌?cè)的應(yīng)力分布不均衡，頂板側(cè)所受的應(yīng)力集中程度較高。工作面由上至下分層回采，豎向應(yīng)力得到釋放，但仍受到較大的水平應(yīng)力，因此靜載條件中采動支承應(yīng)力影響最大，導(dǎo)致底煤處于高應(yīng)力集中狀態(tài)，成為誘發(fā)沖擊的靜載力源。

2.2 動載力源分析

采掘擾動下急傾斜煤巖體所積聚的彈性能通常以震動波的形式向周圍傳播而形成礦震[16-17]，礦震擾動施加給煤巖體的峰值動載荷σd可表示為[18]：

式中：σdP、σdS分別為P波、S波產(chǎn)生的動載，Pa；ρ為煤巖體密度，kg/m3；vP、vS分別為P波、S波傳播速度，m/s；（vPP）P、（vPP）S分別為P波、S波引起的質(zhì)點峰值震動速度，m/s。

急傾斜特厚煤層水平分段開采過程中覆巖運移幅度大、動態(tài)性強(qiáng)，易形成沖擊載荷[19]，其上部采空區(qū)是一個隨采動不斷擴(kuò)大和移動的動態(tài)陷落漏斗。為研究急傾斜分段開采過程中的動載來源，基于窯街三礦五采區(qū)的地質(zhì)條件，構(gòu)建了UDEC離散元數(shù)值模擬模型，開采至第10、第15、第39、第45分段的覆巖破斷及運移情況如圖6。

圖6 急傾斜煤層水平分段開采覆巖結(jié)構(gòu)破斷及失穩(wěn)過程Fig.6 Failure and instability process of overburden structures in horizontal section mining of a steeply inclined,extra-thick coal seam

由圖6（a）和圖6（b）可知，急傾斜煤層在分段開采過程中，上位覆巖所形成的較大懸頂結(jié)構(gòu)會率先發(fā)生傾倒；由圖6（c）和圖6（d）可知，隨著采深的增加，下位覆巖在破斷、回轉(zhuǎn)、搭接的過程中在采空區(qū)內(nèi)形成了拱結(jié)構(gòu)，一旦失穩(wěn)將給工作面帶來沖擊危險。綜上，急傾斜特厚煤層開采覆巖具有上位傾倒、下位成拱、失穩(wěn)沖擊采場的運動模式。

急傾斜煤層覆巖結(jié)構(gòu)破斷及失穩(wěn)誘發(fā)動載模式如圖7。當(dāng)急傾斜煤層破斷覆巖相互搭接滿足拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定條件時，分段工作面液壓支架僅承擔(dān)工作面頂煤和直接頂?shù)淖灾剌d荷；然而，隨著采掘空間的擴(kuò)大，一方面覆巖未破斷巖塊由于懸露長度達(dá)到破斷條件而發(fā)生回轉(zhuǎn)破壞，另一方面采空區(qū)下位拱結(jié)構(gòu)由于缺少下部有力支撐而出現(xiàn)跌落失穩(wěn)，無論是哪一種破壞形式，均會給分段工作面施加動力擾動。因此，覆巖結(jié)構(gòu)破斷及失穩(wěn)是急傾斜特厚煤層水平分段開采過程中動載的主要來源。

圖7 覆巖結(jié)構(gòu)破斷及失穩(wěn)誘發(fā)動載模式Fig.7 Dynamic loads induced by failure and instability of overburden structures

2.3 動靜載疊加誘沖機(jī)理

急傾斜特厚煤層水平分段開采動靜載疊加誘沖機(jī)理如圖8。

圖8 急傾斜特厚煤層水平分段開采動靜載疊加誘沖機(jī)理Fig.8 Mechanism model of rockbursts in horizontal section mining of a steeply inclined,extra-thick coal seam caused by the superposition of static and dynamic loads

由于急斜特厚煤層地質(zhì)及開采條件的特殊性，采掘工作使得工作面煤體受到頂?shù)装鍔A持的影響，導(dǎo)致工作面頂板側(cè)煤體處于高應(yīng)力集中區(qū)，而底板側(cè)煤體處于塑性擴(kuò)容區(qū)；在水平分段開采擾動下急傾斜煤層覆巖破斷及失穩(wěn)誘發(fā)礦震動載。當(dāng)夾持煤體高靜載荷σs與動載荷σd疊加超過煤巖體極限強(qiáng)度時，將引起急傾斜煤巖體沿塑性剪切破壞邊界發(fā)生動力失穩(wěn)，引起大規(guī)模的沖擊動力災(zāi)害，綜上，急傾斜特厚煤層水平分段開采沖擊地壓發(fā)生符合動靜載疊加誘沖機(jī)理[20]，即：

式中：σbmin為發(fā)生沖擊災(zāi)害的臨界載荷，Pa。

3 急傾斜特厚煤層開采防沖對策

3.1 降低動靜載的控制措施

基于急傾斜煤層水平分段開采誘發(fā)沖擊的動靜載力源特征，建立了綜合采用頂板深孔預(yù)裂爆破控動載、巷幫與底煤爆破或大直徑鉆孔卸靜載的三位一體沖擊地壓防治技術(shù)體系，窯街三礦急傾斜煤層開采沖擊地壓防治技術(shù)流程如圖9。

圖9 窯街三礦急傾斜煤層開采沖擊地壓防治技術(shù)流程Fig.9 Flow chart of rockburst prevention in horizontal section mining of a steeply inclined,extra-thick coal seam of Yaojie No.3 coal mine

根據(jù)窯街三礦實際和局部區(qū)域沖擊地壓影響因素，研究形成了煤體加強(qiáng)卸壓（煤幫深孔爆破卸壓、大直徑鉆孔卸壓，巷道底板幫角爆破卸壓）的急傾斜分段開采沖擊地壓解危技術(shù)。急傾斜特厚煤層水平分段開采沖擊地壓防治措施如圖10～圖13。

1）煤體卸壓爆破。由于運輸巷煤體處于應(yīng)力集中區(qū)和潛在沖擊危險區(qū)，需對該巷實施煤體卸壓爆破，其布置如圖10。超前工作面10 m起每隔5 m施工1個爆破鉆孔（孔徑42 mm），垂直巷道走向且仰角為3°～5°，孔深15 m，一直向外施工至超前工作面150 m。

圖10 急傾斜特厚煤層水平分段開采防治沖擊地壓之煤體卸壓爆破技術(shù)Fig.10 Coal pressure relief blasting technology for preventing rock burst in horizontal section mining of steeply inclined and extra-thick coal seam

2）底煤卸壓爆破。對于具有潛在沖擊危險的運輸巷圍巖體，需對該巷內(nèi)幫向下幫角實施底煤卸壓爆破，布置如圖11。超前工作面10 m起每隔5 m施工1個底煤卸壓爆破鉆孔（孔徑42 mm），垂直巷道走向且俯角為45°，孔深8 m，一直向外施工至超前工作面150 m。

圖11 急傾斜特厚煤層水平分段開采防治沖擊地壓之底煤卸壓爆破技術(shù)Fig.11 Bottom coal pressure relief blasting technology for preventing rock burst in horizontal section mining of steeply inclined and extra-thick coal seam

3）頂板深孔預(yù)裂爆破。根據(jù)5521-20工作面沖擊顯現(xiàn)特征，工作面機(jī)頭至中部顯現(xiàn)強(qiáng)烈，因此需要對靠近頂板側(cè)的運輸巷實施頂板深孔預(yù)裂爆破。鉆孔深度以達(dá)到堅硬頂板及控制來壓步距的巖層中上為宜。鉆孔布置如圖12。超前工作面150 m起每隔20 m布置1個爆破鉆場并施工3個爆破鉆孔（孔徑75 mm），均垂直于巷道走向，距巷道底板1.2 m。T1～T3鉆孔的仰角依次為45°、30°、20°，孔深依次為40、45、45 m，裝藥長度依次為15、20、20 m。

圖12 急傾斜特厚煤層水平分段開采防治沖擊地壓之頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)Fig.12 Roof deep hole presplitting blasting technology for preventing rock burst in horizontal section mining of steeply inclined and extra-thick coal seam

圖13 急傾斜特厚煤層水平分段開采防治沖擊地壓之煤體大直徑鉆孔卸壓技術(shù)Fig.13 Large diameter borehole pressure relief technology for preventing rock burst in horizontal section mining of steeply inclined and extra-thick coal seam

4）大直徑鉆孔卸壓。五采區(qū)工作面切眼臨近F15大斷層，且煤質(zhì)從頂板側(cè)向底板側(cè)逐漸變軟，易形成應(yīng)力集中，故需在切眼內(nèi)幫一側(cè)布置煤體大直徑鉆孔。此外，大直徑鉆孔還適用于煤體較為松軟的巷道兩幫、運輸巷與頂板間距離大于10 m的區(qū)域。大直徑鉆孔布置如圖13。超前工作面200 m起，每隔2.8 m布置1個大直徑鉆孔（孔徑>100 mm），孔深15 m，距巷道底板1.2 m。

3.2 實施效果分析

自2016年7月起，通過制定和實施針對性沖擊地壓防治對策，窯街三礦五采區(qū)已安全回采受沖擊地壓影響的5521-20二系統(tǒng)工作面、5521-21工作面、5521-22工作面。在工作面（一系統(tǒng)）回采期間，比較不同工作面沿走向位置相同段內(nèi)的微震活動分布情況，可以得出工作面的沖擊地壓治理效果。由于微震系統(tǒng)安裝時5521-20工作面一系統(tǒng)已回采完畢，因此對比分析5521-21工作面一系統(tǒng)及5521-22工作面一系統(tǒng)回采時的微震活動分布情況，窯街三礦五采區(qū)微震頻次和總能量統(tǒng)計結(jié)果如圖14。

圖14 窯街三礦五采區(qū)微震頻次和總能量統(tǒng)計結(jié)果Fig.14 Statistical results of microseismic frequency and total microseismic energies in No.5 mining district of Yaojie No.3 coalmine

1）不同能級微震事件頻次分析。統(tǒng)計5521-21工作面一系統(tǒng)和5521-22工作面一系統(tǒng)回采過程中的不同能級微震活動的頻次變化，不同能級的頻次變化直方圖如圖14（a）。與5521-21工作面一系統(tǒng)相比，5521-22工作面一系統(tǒng)回采過程中，能級為102～103、103～104J的較小能量微震事件頻次有所增加，能級為104～105J的大能量微震事件頻次明顯降低，表明所采用的防治方案使采場圍巖的彈性能更多的以小能量微震事件的形式釋放，有效減少了大能量礦震發(fā)生的機(jī)率，從而降低了工作面沖擊地壓發(fā)生的可能性。

2）不同能級微震事件總能量分析。統(tǒng)計5521-21工作面一系統(tǒng)和5521-22工作面一系統(tǒng)回采過程中的不同能級微震活動的總能量變化，不同能級的總能量變化直方圖如圖14（b）。與5521-21工作面一系統(tǒng)相比，5521-22工作面一系統(tǒng)回采期間，能級為102～103、103～104J的較小能量微震事件釋放的總能量有所增加。能級為104～105J的大能量微震事件釋放的總能量明顯降低，由5521-21工作面一系統(tǒng)時的2.71×106J減少至5521-22工作面一系統(tǒng)時的1.36×106J，表明所采用的防治方案較好改善了采場周圍的應(yīng)力環(huán)境和堅硬厚頂板的破斷狀況，取得了顯著的防治效果。

4 結(jié)語

1）分析了急傾斜特厚煤層水平分段開采沖擊地壓動靜載力源。由采動應(yīng)力非對稱分布引起的夾持煤體高集中應(yīng)力是沖擊的靜載力源；急傾斜特厚煤層開采覆巖具有上位傾倒、下位成拱、失穩(wěn)沖擊采場的運動模式，覆巖破斷及失穩(wěn)所形成的強(qiáng)動載是沖擊的主要動載力源。

2）提出了急傾斜特厚煤層水平分段開采動靜載疊加誘沖機(jī)理。當(dāng)夾持煤體非對稱高集中靜載與覆巖破斷及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)所形成的強(qiáng)動載疊加超過煤巖體極限強(qiáng)度時，將導(dǎo)致急傾斜煤巖體沿塑性剪切破壞邊界發(fā)生動力失穩(wěn)，引起大規(guī)模的沖擊災(zāi)害。

3）建立了綜合采用頂板深孔預(yù)裂爆破控動載、巷幫與底煤爆破或大直徑鉆孔卸靜載的三位一體沖擊地壓防治技術(shù)體系，并成功應(yīng)用于窯街三礦五采區(qū)工作面。現(xiàn)場微震監(jiān)測結(jié)果表明所采用的防治方案改善了采場周圍的應(yīng)力環(huán)境，減小了堅硬厚頂板的破斷距，取得了顯著的防治效果。