淺埋深特厚煤層綜放工作面強礦壓顯現機制與防治技術研究

王玉國

（鄂爾多斯市國源礦業(yè)開發(fā)有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

隨著開采深度的增加，煤礦發(fā)生強礦壓顯現現象頻率越來越高，對巷道和工作面帶來了嚴重的危害，影響了煤礦的安全高效生產[1-3]。國內外眾多學者對強礦壓機理與防治進行了研究[4-6]。朱衛(wèi)兵[7]等針對臨空工作面特厚煤層開采強礦壓顯現問題，采用覆巖內部巖移無線監(jiān)測系統(tǒng)和相似模擬試驗，研究了特厚煤層采動過程覆巖移動規(guī)律。

本文針對龍王溝煤礦61617 工作面實際回采情況，結合理論分析和數值模擬對回采過程強礦壓發(fā)生機理進行研究，并提出相應的控制措施，為類似礦井提供了一定的借鑒意義。

1 工程概況

龍王溝煤礦位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市以東120 km 處，準格爾煤田中北部，現開采6#煤層。61617 工作面位于61 盤區(qū)西翼北部，巷道北至井田邊界保護煤柱，南至開拓大巷保護煤柱線，西為61619 工作面（尚未準備），東為61613 工作面（尚未準備），均為實體煤巖區(qū)。61617 工作面可采煤層厚度平均25 m，煤層結構復雜，含夾矸，頂板巖性以砂質泥巖、泥巖為主。

61617 工作面回采期間，強礦壓顯現具體為工作面來壓強度較大，震源煤炮頻繁，嚴重時地面有震感，工作面前方巷道變形較為嚴重。

2 強礦壓發(fā)生機理研究

2.1 工作面覆巖關鍵層劃分

煤系地層的賦存條件決定了分層特性的差異，導致各個分層在巖體活動中的作用不盡相同：較為堅硬的厚巖層在頂板活動中起著承載和骨架作用，較為軟弱的薄巖層在頂板活動中起著加載作用。因此，在采場覆巖活動中存在多個堅硬巖層時，對巖體活動全部或局部起控制作用的巖層稱之為關鍵層[8]。關鍵層的判別主要是根據巖體的剛度和強度。

剛度判別式：q1|n＞q1|1+n；強度判別式：l1+n＞ln。

式中：q1|n為第1 層巖層控制的n層巖層的自重載荷；q1|1+n為第1 層巖層控制的n+1 層巖層的自重載荷；l1+n為第n+1 層巖體撓度；ln為第n層巖體撓度。

根據龍王溝煤礦61617 工作面綜合地質柱狀圖，關鍵層判別結果如圖1。

圖1 綜合柱狀圖及關鍵層分布

由圖1 可知，61617 工作面上覆巖層中共有8層關鍵層，包括：低位三層亞關鍵層，厚度均為10 m 的粗砂巖，其周期性的破斷是影響工作面初次來壓及周期來壓步距及強度的主要因素；高位主關鍵層為厚度170 m 的砂巖組（巖性以粗砂巖為主），其控制地表的大范圍移動沉降；中間四層亞關鍵層，自下向上分別為15 m 的粗砂巖、20 m 的粗砂巖、20 m 的粗砂巖和30 m 的細砂巖。由于此層位關鍵層的厚度、強度和破斷步距均較大，關鍵層的單層或者同步破斷可能會引起采場強烈礦壓顯現。

2.2 基于“載荷三帶”的應力分析

2.2.1 “載荷三帶”理論估算

工程實踐表明，對于工作面強礦壓防治而言，需要研究的巖層范圍包括直接頂、基本頂乃至地表的整個上覆巖層。為了分析上覆巖層在采掘工程中對巷道本身及周邊施加的應力影響，將整個上覆巖層組劃分為“即時加載帶（ILZ）”、“延時加載帶（DLZ）”和“靜載帶（SLZ）”三帶，稱之為“載荷三帶”。“載荷三帶”的運動是引起沖擊的主要應力來源。

“載荷三帶”的厚度計算公式[9]如下：

即時加載帶（ILZ）厚度：MILZ=h/（KA-1）；延時加載帶（DLZ）厚度：MDLZ=L/2-MILZ；靜載帶（SLZ）厚度：MSLZ=H-MILZ-MDLZ

式中：h為煤層厚度；KA為碎漲系數；L為工作面寬度；H為采深。

根據61617 工作面實際條件，煤層厚度h=25 m，碎漲系數KA=1.238，工作面寬度L=340 m，采深H=463 m。將參數代入上述各式，得到如圖2 所示的載荷三帶劃分。

圖2 載荷三帶劃分結果圖

61617 工作面頂板存在多層砂巖組（巖性多為粗砂巖及細粒砂巖），其中“即時加載帶”存在四層厚度10 m 左右的粗粒砂巖；“即時加載帶”緊隨工作面的回采，其內部巖層會隨著回采的進行立即發(fā)生冒落、回轉等劇烈運動，尤其是堅硬巖層的劇烈運動釋放彈性能，會直接影響工作面礦壓顯現。因此，經分析判斷61617 工作面“即時加載帶”內的四層粗粒砂巖為工作面回采期間“致災關鍵層位”，同時也是進行頂板卸壓的主要巖層。

2.2.2 “載荷三帶”應力估算

走向支承壓力的估算模型如圖3，走向斷裂角為α2、走向觸矸角為β2。

圖3 走向支承壓力估算模型

第i個關鍵層組傳遞至走向一側的煤體應力增量為：

工作面走向支承壓力σS主要由巖層的自重應力σZ和關鍵層組轉移的應力增量Δσi兩部分組成。

其中，自重應力σZ為

將61617 工作面的參數帶入，可求得疊加后的工作面走向支承壓力分布函數，61617 工作面走向支承壓力分布如圖4。

圖4 61617 工作面走向支承壓力分布

由圖4 可知，61617 工作面回采過程中，走向支承壓力影響范圍為80～230 m，最大支承壓力為28 MPa，位于工作面前方117 m。

2.3 數值模擬計算

2.3.1 模型建立

為了分析61617 工作面當前回采條件下覆巖結構及應力分布，建立FLAC3D模型，模型長×寬×高大致為166 m×374 m×702 m，共1 506 369個網格。模型定義為摩爾-庫倫本構模型，模型上部為應力邊界，模型下部固定X、Y 位移；模型左、右分別固定X 位移；模型前、后分別固定Y 位移。

2.3.2 結果分析

61617 工作面每次開采完之后塑性破壞圖如圖5。

圖5 工作面覆巖塑性區(qū)變化圖

由圖5 可以看出，隨著工作面回采，塑性區(qū)云圖中采空區(qū)上方110 m 范圍出現了連續(xù)的拉伸屈服區(qū)，即時對采空區(qū)形成載荷，判斷為“即時加載帶”；往上巖層是拉伸破壞區(qū)和未破壞區(qū)交替的區(qū)域，巖層垮落不充分，暴露面積不大，處于懸頂和部分塑性破壞的狀態(tài)，判斷為“延時加載帶”，該區(qū)域位于距離采空區(qū)頂板110～160 m；再往上直至地表為未發(fā)生破壞的彈性區(qū)域，采動對其影響較小，判斷為“靜載帶”。根據模擬結果分析可知，工作面開采后上覆巖層發(fā)生斷裂并不斷向高位巖層發(fā)展，最大發(fā)育高度為頂板上方約160 m，與理論分析結果相近，驗證了結果的可靠性。

3 強礦壓緩解措施

由分析可知，6#煤層上方“即時加載帶”存在四層厚度10 m 左右的粗粒砂巖，此四層粗粒砂巖斷裂造成了工作面高強度來壓。因此，通過對覆巖堅硬巖層進行水力致裂，最大程度削弱頂板的整體性，從而降低工作面周期來壓強度。

為保證“即時加載帶”中四層粗粒砂巖的充分斷裂，確定預裂鉆孔的孔深垂直高度不得小于45 m。結合現場實際條件，預裂鉆孔的布置參數如下：

鉆孔沿工作面順槽頂板向兩側施工，鉆孔直徑58 mm，其中向工作面內進行施工的為A 孔，主要是對頂板進行預裂，減小周期來壓強度；向工作面外進行施工的為B 孔，主要是對煤柱側頂板進行預裂。鉆孔布置如圖6。

圖6 工作面順槽水力壓裂鉆孔參數（m）

A 孔深度80 m，仰角60°，水平投影與煤壁夾角為60°，鉆孔間距10 m。

B 孔深度80 m，仰角60°，水平投影與煤壁夾角為10°，鉆孔間距10 m。

4 現場實踐效果分析

為進一步分析切頂卸壓對巷道圍巖控制作用，對預裂卸壓后61617 主運順槽、輔運順槽進行了巷道變形監(jiān)測。隨著監(jiān)測時間的增加，巷道變形表現為緩慢－快速－平穩(wěn)波動變化特征，61617 主運順槽頂板最大下沉量為 336 mm，煤柱側最大移近量為 310 mm，回采側最大移近量為290 mm；61617輔運順槽頂板最大下沉量為327 mm，煤柱側最大移近量為296 mm，回采側最大移近量為277 mm，圍巖變形均在可控范圍內。針對堅硬頂板條件，預裂卸壓方法取得了良好的卸壓效果。

5 結論

（1）引入了覆巖結構的“載荷三帶”模型，分析了上覆巖層空間結構，得到了龍王溝煤礦61617工作面上覆巖層空間結構與應力分布規(guī)律。

（2）通過數值模擬軟件分析了覆巖結構，驗證了“載荷三帶”模型的可靠性。

（3）針對龍王溝煤礦強沖擊的致災機理，提出利用水力壓裂緩解強沖擊，并給出了合理的壓裂參數，現場實踐取得了良好的卸壓效果。