厚煤層一次采全高低位厚硬巖層垮落致沖機理與防治

張俊文，董續凱，柴海濤，宋治祥，范文兵，王 黔，呂玉磊，鄭 波，白俊杰，劉志高，賈樂樂

(1.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.中煤西北能源公司 烏審旗蒙大礦業，內蒙古 鄂爾多斯 017000；4. 國家衛生健康委職業安全衛生研究中心，北京 102308)

工作面厚硬頂板垮斷時礦壓顯現明顯，容易誘發煤壁前方應力集中區域兩側回采巷道沖擊地壓災害。工作面煤層及上方頂板具有傳遞應力波的性質，頂板懸露面積越大，破斷尺度越大，產生和傳遞的應力波幅值越大，尤其是厚硬頂板在破斷和失穩垮落的過程中對已達到臨界破壞載荷的煤體施加強烈動載更容易誘發沖擊地壓災害。因此，無論是厚硬頂板破斷、失穩產生的震動以應力波的形式對煤巖體施加動載，還是頂板失穩引起工作面前方煤壁靜載應力增高，都是誘發沖擊地壓的重要因素。為此，許多學者對厚硬頂板型沖擊地壓進行了研究，證明厚硬頂板突然垮落、失穩是誘發沖擊地壓的重要因素。牟宗龍等證實了具有一定厚度和強度且距離煤層較近的基本頂巖層運動產生的沖擊載荷使煤體沖擊礦壓危險性明顯升高結論。王恩元等研究了堅硬頂板斷裂引發的遠場震動效應，進而揭示了頂板擾動型沖擊地壓動力學機理；楊敬軒等通過分析厚硬頂板的破斷沖擊效應，得到了堅硬頂板破斷沖擊載荷產生的較大波動對采場礦壓沖擊影響劇烈的結論。王濤等分析了受夾持煤體的沖擊失穩過程并得出了堅硬長懸板是誘發煤柱沖擊失穩能量來源的結論。姜福興等探討了高位厚硬巖層離層形成條件和離層對周邊區域應力分布的影響規律，認為厚硬巖層頻繁發生沖擊地壓的原因是由于上部載荷傳遞到離層區周邊的緣故。楊培舉等得出了巨厚覆巖處于彎曲下沉帶給工作面帶來沖擊礦壓隱患，處于斷裂帶給工作面帶來沖擊礦壓和大面積來壓雙重隱患的結論。徐剛等得到了堅硬頂板工作面具有來壓強增阻、來壓步距大、有時存在動載沖擊等特征。吳振華等認為頂板與巖柱共同作用提供了沖擊地壓的高靜應力條件，頂板和巖柱的破壞是沖擊地壓發生的動力條件。楊俊哲等揭示了堅硬巖層回轉破斷促使動靜疊加載荷高于災害閾值引發的礦壓動力災害機理,證明了頂板弱化治理強礦壓動力災害的有效性。

上述學者對高位堅硬覆巖垮落及失穩的影響進行了大量研究，并在高位厚硬巖層破斷型沖擊地壓防治方面取得了豐碩成果。然而，本文研究的某礦31103回采工作面盡管提前對高位巖層(距離煤層超過200 m)采取了分段壓裂措施，但在工作面回采過程中，仍發生了大量的沖擊地壓事件。通過微震監測發現，該礦的低位厚硬巖層垮落是該礦致沖的主要原因。尤其是厚煤層一次采全高后，頂板在采空區具有更大的運動空間，低位厚硬巖層斷裂失穩產生的動載將是誘發臨界應力狀態煤體沖擊災害的重要因素。因此，對于低位厚硬巖層的開采工作面，縮短其厚硬巖層垮落步距，控制垮落期間的礦壓顯現顯得尤為重要。大量學者對控制頂板垮落做了深入研究，深孔爆破、定向水力壓裂、鉆孔切頂等技術在巖層垮落控制中亦取得了豐碩的成果。然而，上述頂板處理措施都存在一定的局限性。其中，水力壓裂技術由于無法控制壓裂縫隙的走向導致其適用范圍有限；爆破預裂技術對生產環境、安全具有一定的影響；鉆孔切頂施工強度大且耗時長。因此，為消除采掘活動后煤巖體本身性質變化的影響，筆者以某礦31103工作面開采頂板垮落控制為工程背景，根據兩側回采巷道的地質條件及開采環境特征，選擇淺孔壓裂工藝(煤巖體完整的運輸巷)與爆破工藝(煤巖體破碎的回風巷)協同控制低位厚硬關鍵巖層的垮落，保證工作面的順利開采，研究結論可豐富沖擊地壓的發生類型及防治技術，并為類似工作面安全生產提供借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工作面概況

31103工作面為某礦礦井31盤區南翼的第3個工作面，工作面長度300 m，平均埋深560 m，區段煤柱25 m，為近水平煤層。其北部為已經回采完畢的31101，31102工作面，容易誘發巷道嚴重變形，炸幫等動力現象。工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面概況

工作面煤層平均厚度為5.6 m，煤層為厚煤層，層位穩定，結構簡單，根據31103工作面施工獲取的取芯孔柱狀(表1)，工作面煤層上部存在多層厚硬巖層，包括4.5 m厚的粉砂巖、8.3 m厚的粉砂巖、7.4 m厚的砂質泥巖和5.2 m厚的細粒砂巖。工作面的開采方式為一次采全高。

表1 工作面裂隙帶頂板綜合柱狀

1.2 已發生沖擊事件案例

31103工作面受厚硬頂板垮斷、臨采空區等因素影響，發生過2起沖擊事件，工作面基本情況如圖2所示。

圖2 工作面回風巷沖擊事件示意

2019-08-01，工作面回風巷超前40 m發生1起沖擊事件，附近現場有明顯震感，底板積水飛揚，巷道內垛架至煤柱區域(0.8～1.3 m)頂板出現破碎，局部形成網包，同時單元支架中有2臺單元支架損壞，無法升降。

2019-08-11，工作面回風巷超前60 m發生一起沖擊事件，造成回風巷超前60 m范圍幫處0.25～0.55 m(頂板以下2 m)崩落，工作面垛架與單元支架銜接處向外8臺單元架損壞(無法正常升降)，同時第6臺垛式支架向外5 m范圍副幫垮落，自幫部1.4 m位置以上2 m范圍垮落，垮落深度0.8～1.2 m。

對微震事件識別分析發現，微震事件主要分布工作面沿空側的煤層及20 m范圍內的細砂巖和粉砂巖中(圖3)，主要為8.3 m的粉砂巖、3.2 m的細粒砂巖、4.5 m的粉砂巖。沖擊事件發生時微震事件單日能量及頻次均大幅度上升。因此，需要針對煤層上方低位厚硬巖層，尤其是臨空側頂板進行預處理措施。

圖3 微震事件分布

2 厚煤層一次采全高低位厚硬巖層垮落致沖機理

2.1 頂板巖層力學性質

3-1號煤層上方存在3種巖性的頂板，分別為砂質泥巖、粉砂巖和細粒砂巖，根據3-1煤層及頂底板巖層物理力學參數測試報告，3-1煤層頂板巖層具有強沖擊傾向性，其不同巖性巖層力學參數見表2。

表2 工作面裂隙帶覆巖力學性質

2.2 工作面頂板支托層及隨動層分析

煤層上方100 m范圍內的巖層是影響沖擊地壓發生的主要巖層，其中單軸抗壓強度超過60 MPa、厚度超過10 m的巖層起決定性作用；同時也存在著組合砂巖層同步垮落誘發的沖擊地壓災害。煤層上方垮落帶范圍內厚層堅硬巖層容易產生大面積懸頂，在垮落時容易釋放大量能量誘發沖擊地壓災害。

采動覆巖中的任一巖層所受載荷除其自重外，一般還受上覆鄰近巖層的相互作用產生的載荷。工作面上方頂板某幾層臨近巖層產生同步變形形成組合梁，其中下層對所有同步變形巖層起控制作用的厚硬巖層稱為支托層，其他巖層稱為隨動層，如圖4所示。

圖4 組合梁同步變形示意

為分析方便，假設巖層所受載荷均勻分布，計算每層巖層的自重以及上層對下層巖層的載荷：

(1)

式中，()為第層巖層對第1層巖層的載荷；為彈性模量；為巖層的厚度；為巖層容重。

(1)第1支托層確定。第1層巖層本身載荷=26.62 kPa；考慮第2層對第1層的作用()，則

()=31.12 kPa

考慮第3層對第1層的作用()，則

()=2.46 kPa，()<()

因此第1層砂質泥巖作為1，2層的支托層，第2層細粒砂巖為隨動層。但是支托層較薄，在開采過程中容易隨采隨冒，不容易積累能量。

(2)第2支托層確定。第3層本身載荷=110.79 kPa；考慮第4層對第3層的作用()，則

()=114.1 kPa

考慮第5層對第3層的作用()，則

()=49.3 kPa，()<()

因此第3層粉砂巖作為3,4層的支托層，第4層為隨動層。總厚度較厚(7.8 m)，在開采過程中不容易隨采隨冒，也不容易引起大的動力現象。

(3)第3支托層確定。第5層本身載荷=204.4 kPa；考慮第6層對第5層的作用()，則

()=252.9 kPa

考慮第7層對第5層的作用()，則

()=240.8 kPa，()<()

因此，第5層粉砂巖作為5,6層的支托層，第6層為隨動層。總厚度較厚(11.3 m)，總厚度大于10 m，在開采過程中不容易隨采隨冒，容易引起大的動力現象。

(4)第4支托層確定。第7層本身載荷=179.1 kPa；考慮第8層對第7層的作用()，則

()=196.7 kPa

考慮第9層對第7層的作用()，則

()=211 kPa

考慮第10層對第7層的作用()，則

()=240.5 kPa

考慮第11層對第7層的作用()，則

()=156.5 kPa，()<()

因此，第7層砂質泥巖作為7～10層的支托層，8～10層為隨動層。總厚度(16 m)較厚，在開采過程中，隨著支托層的斷裂、垮落，隨動層也發生同步變形，厚度為16 m的組合梁大面積懸頂垮落容易造成大能量動力現象。

對工作面低位頂板巖層分析得到：工作面低位巖層共有4層支托層。其中，3，4支托層屬于厚硬巖層且隨動層較厚，這2層支托層及控制的隨動層的總厚度均超過10 m，如圖5所示。

圖5 工作面支托層分布示意

2.3 頂板垮落充填程度計算

垮落帶巖層厚度是垮落碎脹后能充滿采空區自由空間的巖層總厚度。在緩斜、傾斜煤層綜采開采中，理論垮落帶巖層厚度(高度)按下式確定：

(2)

式中，為采煤有效高度；∑為直接頂垮落高度；為垮落帶巖層平均碎脹系數。

常見巖石碎脹系數見表3，工作面頂板巖層碎脹系數及充填程度見表4。

表3 常見巖石碎脹系數

表4 31103工作面頂板巖層碎脹系數及充填程度

根據表4的理論計算結果，第1，2，3層支托層及隨動層垮落后充滿采空區(累計碎脹高度>累計高度)。因此，第4支托層及隨動層不參與破斷運動。但厚硬關鍵層垮落后容易形成有序的排列巖塊，不規則垮落巖塊則進一步被壓實，都會造成碎脹系數減小，垮落巖塊充填采空區不充分。因此，在充分計算累計碎脹高度的同時也應考慮殘余碎脹系數對采空區充填的影響，在垮落巖石被壓實后，容易造成第4支托層及隨動層的垮落。

2.4 頂板垮落步距分析驗算

根據以上參數計算驗證頂板垮落步距：由于頂板抗壓強度遠大于抗拉強度，頂板最常見的破壞形式是頂板拉應力超過抗拉極限產生的拉伸破壞。此時，頂板模型由固支梁變為簡支梁。因此，采用簡支梁模型計算頂板垮落步距，即

(3)

式中，為單軸抗壓強度；為第層巖層所受上覆載荷。

由式(3)計算可得：第1支托層為12 m，第2支托層為28 m，第3支托層為32 m，第4支托層為31 m。

隨著工作面的推進，直接頂初次垮落后形成懸臂梁結構，進而形成支架-巖梁結構支承基本頂，易造成基本頂來壓步距′超過實際垮落步距，如圖6所示。因此，計算結果較符合工作面頂板實際垮落情況：工作面直接頂垮落步距9.8 m(第1支托層)，基本頂垮落步距37 m(第2支托層)。

圖6 頂板垮落步距示意

2.5 采空區側向支承壓力分布研究

31103工作面臨側為31102，31101工作面采空區，通過地表沉降量及工作面來壓分析，31103工作面開采過程中未達到充分采動，建立采空區側向支承壓力計算模型，如圖7所示，其中，為第層支托層的厚度；2為臨側采空區寬度；為第層關鍵層厚度中心位置在采空區的懸露長度；為采深；為第層支托層厚度中心到煤層底板的距離。

圖7 采空區側向支承壓力計算模型

采空區側向懸頂部分傳遞到煤柱一側的應力為其自重應力的一半，傳遞到煤柱一側的應力增量呈等腰梯形分布，則第個支托巖層傳遞到煤柱一側煤體的應力增量Δ為

(4)

式中，max為第層支托層在煤柱一側產生的最大支承壓力；為巖層移動角；為距離該采空區邊界的距離。

根據31103工作面實際地質和開采情況，取=560 m，2=600 m，=84°。將采空區破裂范圍以上的巖層作為一組關鍵層，其厚度、高度及跨度分別為= 260 m，=430 m，=627.4 m，將采空區側向支承壓力在煤柱一側產生的應力增量與自重應力疊加得到煤柱一側應力分布，如式(5)和圖8所示。其中，為動靜疊加應力；[]為煤體單軸抗壓強度。

圖8 煤柱一側靜載疊加支承壓力曲線

(5)

從圖8可以看出，采空區側向支承壓力峰值位置距采空區邊緣約為45 m，支承壓力峰值約為55 MPa。采空區側向支承壓力影響范圍約為90 m。由式(5)和圖8可知，31103工作面回風巷應力集中程度大于2[]。因此，在采空區側向支承壓力影響下的回風巷周圍煤巖體應力已達到發生沖擊地壓的應力水平。

2.6 低位厚硬巖層垮落沖擊機理

通過第2.2和2.3小節計算結果可知，工作面頂板第1，2支托層及隨動層垮落未完全充填采空區，第3，4支托層控制的隨動層較厚，均超過10 m。第3，4支托層與隨動層的突然垮落容易對已達到沖擊條件的煤巖體施加強烈動載，造成工作面發生沖擊地壓災害，如圖9所示。

圖9 低位厚硬巖層垮落致沖示意

一般而言，采場每推進一個低位厚硬巖層破斷距離，采場及工作面就會產生一次較大的動壓，并且表征低位巖層破斷垮落特征最直觀的現象是工作面來壓時的支架阻力的變化。因此，在本文中采用類比來壓前后的支架阻力變化表征沖擊擾動特征。根據工作面正常推采期間支架阻力與來壓期間工作阻力的對比關系，取動載系數為1.26。將其代入式(5)求得回風巷動靜載疊加應力，如式(6)和圖10所示。受動載影響，31103工作面回風巷應力集中程度瞬時大于3[]，此時，低位厚硬巖層垮落對煤體施加動載將誘發臨界應力煤體沖擊地壓。

圖10 煤柱一側動、靜載疊加支承壓力曲線

(6)

綜上分析可知，31103工作面同時具有高地壓、強擾動、復合型厚煤層等特征。3-1煤31103工作面發生沖擊地壓的機制為：31101，31102工作面采空區側向支承壓力形成的高應力靜載是主要沖擊力源，31103回采工作面厚硬支托層與其隨動層同時垮落造成的擾動動載是主要誘發力源，兩者疊加影響導致沖擊地壓事故。

3 厚煤層一次采全高低位厚硬巖層垮落致沖防治措施

3.1 低位厚硬巖層垮落致沖防治措施

由前述支托層、隨動層厚度計算結果可知，工作面低位巖層存在厚度超過10 m的組合梁，且支托層較為堅硬。之后，再根據本工作面的微震事件辨識與分析，微震事件主要分布在煤層及20 m范圍內的低位頂板巖層中。綜上，對煤壁前方造成動載影響的是低位厚硬組合巖層垮斷形成的擾動。因此，需要對低位厚硬巖層實施斷頂措施，切斷應力和能量的傳遞路徑。

由于爆破沖擊的能量遠超于巖層所能承受極限，爆破的大部分沖擊能作用在近距離巖體中，使得炮孔周圍巖體劇烈粉碎；水力壓裂技術本質安全，安全環保，不產生有害物質(例如炮煙、CO)。然而，若壓裂區域附近巖體損傷嚴重，存在眾多導水裂隙或斷層，將會造成壓裂液體流失、壓力消散，進而導致壓裂失效。

31103工作面運輸巷是實體煤掘進巷道，其圍巖完整，采用水力壓裂技術預裂頂板可保證巷道的安全穩定。31103工作面回風巷受31102工作面開采影響，導致巷道圍巖損傷嚴重、裂隙發育顯著，采用爆破技術能夠使回風巷上覆懸頂的巖層及時垮落，削弱寬煤柱高應力集中程度。如圖11所示，基于對現場施工難易程度、厚硬巖層的層位和高度、爆破孔的破碎有效范圍等考慮，在回風巷向煤柱一側施工高、低位爆破孔，爆破孔角度分別為60°和35°，長度為40 m；在回風巷向工作面一側施工一個高位爆破孔，角度為50°，長度為46 m；在運輸巷一側向工作面施工水力壓裂措施，角度60°，長度40 m，分2段壓裂，分別壓裂2層厚硬支托巖層；水力壓裂孔與爆破孔沿工作面走向間距10 m一組，超前工作面不少于90 m，一直到工作面回采結束。從巷道向煤柱一側高、低位爆破能夠使采空區側向懸臂梁及時垮落，縮小側向懸頂長度，同時能夠使更高位巖層及時垮落，縮減煤柱側高應力集中靜載。另外，從巷道向煤壁側施工的水力壓裂和爆破措施能夠將低位厚硬支托層預裂，縮短其垮落步距，保證工作面頂板能夠及時垮落，縮減厚硬支托層及隨動層同時運動造成強烈的動載擾動。

圖11 水力壓裂與爆破施工示意

由于采空區一側側向懸頂面積是產生集中應力的根本原因，工作面寬煤柱是集中應力峰值分布在巷道圍巖附近的直接原因。因此，在相鄰31104工作面采取小煤柱護巷的布置方式，并在工作面沿空側向采空區實施高位爆破鉆孔，從源頭上杜絕巷道圍巖高應力集中，如圖12所示。

圖12 小煤柱護巷與爆破施工示意

3.2 沖擊地壓防治措施效果檢驗

經過水力壓裂與爆破協同控制工作面及臨側采空區厚硬支托巖層，工作面在來壓期間的微震事件基本控制在10J級以下，總體呈現為微震頻次降低、單次能量減小、總能量減小的特征，如圖13(a)，(b)所示。與此同時，根據支架阻力顯示結果可知，采取措施前，來壓期間工作面及兩側回采巷道支架工作面阻力都達到了40 MPa，來壓面積大；采取措施后，來壓期間工作面中部支架阻力超過40 MPa，但兩側回采巷道區域支架阻力基本穩定在20～30 MPa，如圖13(c)所示。這些實測數據說明了卸壓措施合理，保證了兩側回采巷道的穩定性；此外，根據工作面頂板垮落現場觀測情況，工作面直接頂垮落較為及時，且頂板垮落期間無颶風、壓架情況發生。

圖13 31103工作面采取措施前、后效果對比

將采取小煤柱護巷和高位爆破卸壓的31104工作面與未采取卸壓措施的31103工作面監測數據對比分析發現，隨著工作面的推采距離增加，31104工作面微震能量和頻次的增幅明顯低于31103工作面，如圖14(a)所示。與此同時，31104工作面的平均能量和頻次也基本小于31103工作面。當31104工作面微震平均能量較大時，頻次也相應增加，這說明工作面總能量通過多次小能量微震事件釋放，并不會形成大能量動力事件，如圖14(b)所示。

圖14 相鄰工作面微震事件能量及頻次對比

將采取小煤柱護巷和高位爆破的31104工作面與采取高、低位爆破工藝的31103工作面對比分析發現，31104工作面微震事件的能量和頻次都有明顯降低。此外，相比于卸壓后的31103工作面而言，31104工作面的單次事件平均微震能量下降了587.37 J，如圖15所示。

圖15 相鄰工作面單次微震事件平均能量對比

通過現場觀測，自開采31104工作面以來，回風巷沒有出現大的動力現象和預警信息，采用小煤柱護巷更有利于防治低位巖層垮落誘發的沖擊地壓事故。因此，自31104工作面開始，該礦同等條件下的接續工作面全部采取小煤柱護巷技術。

綜上可得，厚硬支托層及隨動層垮落未造成工作面兩側巷道及超前大范圍的應力突增現象。因此，工作面采取2種卸壓措施后實現了工作面沖擊地壓災害的有效控制，基本消除了工作面回采巷道沖擊災害，保證了工作面的安全生產。

4 結 論

(1)對工作面上方頂板進行了支托層與隨動層分析，并通過對頂板巖層垮落充填程度計算，得出工作面上方第1、2支托層與隨動層的垮落不足以完全充填采空區，進而造成更上部厚硬支托巖層的垮落，垮落步距的計算結果符合實際生產情況。

(2)對臨側采空區側向支承壓力分布進行了研究，分析了低位厚硬巖層垮落沖擊機理：臨側工作面采空區側向支承壓力形成的高應力靜載是主要沖擊力源，回采工作面厚硬支托層與其隨動層同時垮落造成的擾動動載是主要誘發力源，兩者疊加作用導致沖擊地壓事故。

(3)根據低位厚硬巖層垮落沖擊機理，在本工作面制定了針對性的防治措施：在31103工作面回風巷一側采用高、低位爆破技術，在運輸巷一側則采用水力壓裂技術，進而使低位厚硬支托層達到預裂效果，從而縮短其垮落步距，保證了工作面頂板能夠及時垮落，緩解了厚硬支托層及隨動層同時運動造成強烈的動載擾動作用，此舉基本消除了工作面兩巷的沖擊災害事故。

(4)采空區一側側向懸頂面積是產生集中應力的根本原因，工作面寬煤柱是集中應力峰值分布在巷道圍巖附近的直接原因。因此，在下一臨側工作面采取小煤柱護巷的布置方式，并在工作面沿空側向采空區實施高位爆破鉆孔，從源頭上杜絕巷道圍巖高應力集中，消除了工作面兩巷的沖擊災害事故，保證了工作面的安全生產。