下解放层开采覆岩结构分析及防冲研究

易恩兵

(1. 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市沙坪坝区，400037；2. 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037)

冲击地压是深部开采条件下具有强破坏力的煤岩动力失稳现象，是矿山压力急剧显现的一种特殊形式。在深部开采过程中，与工作面覆岩运动密切相关的矿压动力现象不断出现，煤体受力超过其最大承载能力发生突然失稳诱发冲击地压。煤体上方厚硬顶板破断对直接顶产生的动载可促使煤体内应力积聚增加而产生猛烈的破坏。因此，深入研究工作面覆岩结构的特征及煤体承压受力分析，对工程实践过程中冲击地压的防治具有重要的理论价值和实用意义。具备开采保护层条件的冲击地压煤层，应当开采保护层。本文以华丰煤矿深部煤层群6号煤层在开采过程中保护4号煤层、预防冲击地压灾害为工程背景，紧密融合采矿、岩石力学等多个领域的方法与成果，采用理论分析、工程实践等研究手段，对保护区域内覆岩空间结构受力特征进行分析，对覆岩结构诱发冲击地压的规律进行深入研究，结合微震监测确定1410工作面巷道合理位置，达到保护层开采缓解冲击危险灾害、减少伤亡事故的目的。

1 工程概况

华丰矿1410工作面4号煤层厚6.3 m，倾角31°，工作面平均标高-910～-1000 m，走向长2300 m。4号煤层具有强冲击倾向性，顶板具有弱冲击倾向性，相邻的1409工作面4号煤层冲击倾向性危险指数为5.2，具有强冲击危险性。华丰矿开采下保护层6号煤层对4号煤层进行保护，经考察，6号煤层开采对4号煤层上下倾向保护角为85°和69°，沿走向保护角为56°。实践表明，开采保护层对冲击地压的防治效果显著。华丰矿深部存在强构造应力场，-750 m水平最大水平应力为32～44 MPa，为垂直应力的1.7～2.0倍，是4号煤层单轴抗压强度的1.5～2.0倍。1409工作面在回采过程中，工作面上平巷发生多次严重冲击地压事故，对矿井安全生产造成严重影响。

2 工作面矿压理论分析与实测

2.1 工作面覆岩空间结构分析

覆岩空间结构由破裂区内部的宏观铰接结构和破裂区边缘的微观断裂结构组成。破裂区边缘微观断裂结构靠近工作面在多层空间结构下部，破裂区内部宏观铰接结构在多层空间结构上部。根据关键层理论，空间结构中岩层是以成组的岩梁组成，每组坚硬厚岩层对上覆岩层的变形和运动起着控制作用，上部软岩随硬厚岩层的运动而运动，每组岩梁前端支承在煤壁前方的岩层上，后端支承在采空区的矸石上。对于倾斜煤层，上覆岩层可分为空间结构内外两部分。倾向覆岩空间内是由成组铰接岩梁组成的结构，倾向覆岩空间结构外为缓沉结构，各组岩梁与岩层共同在煤壁前方形成支承压力。

覆岩多层空间结构的高度是指对深部工作面矿压有明显影响的岩层运动高度，该高度超出了6～8倍的采高。工作面周围由于岩层运动而产生的应力变化与岩层运动的剧烈程度相关，产生剧烈运动的岩层高度范围约在工作面上方100 m左右。在充分采动阶段，工作面上方产生断裂离层高度约为90 m，在此高度范围内的岩层对工作面附近应力状态影响较大，而超出此范围的岩层运动较缓和，对工作面附近应力状态的影响小。

2.2 覆岩结构走向支承压力分析

顶板各岩梁应力增量叠加可得到覆岩空间结构在工作面前方产生的应力增量总和，与煤层上方岩层自重应力叠加，可得1410工作面煤壁前方的动态支承压力分布如图1所示。

图1 动态支承压力与距煤壁距离的关系图

由图1可知，1410工作面超前支承压力峰值距工作面的距离约为90 m，支承压力峰值约为39.8 MPa。在多层空间结构的范围内，工作面超前支承压力由工作面上方多层空间结构范围内岩层运移产生，上覆岩层自重应力较小；在工作面前方超出多层空间结构的范围后，工作面超前支承压力主要由上覆岩层的自重作用产生，而空间结构的作用则逐渐减弱，支承压力的峰值在空间结构的边缘附近。覆岩多层空间结构由下部的断裂铰接岩梁和上部的离层、缓沉的岩梁组成，空间结构上方的岩层只发生沉降但不离层。

2.3 覆岩结构倾向支承压力分析

沿1410工作面倾向煤壁前方的动态支承压力分布情况如图2所示。

图2 覆岩结构在煤壁倾斜方向产生的应力曲线

由图2可知，1410工作面倾向支承压力的峰值距煤壁15～18 m左右，峰值约为41.1 MPa，而倾向支承压力的剧烈变化点在距煤壁10～15 m左右，此范围内的倾向支承压力主要由煤层上方多层空间结构范围岩层的运移产生，上覆岩层自重应力占比例较小；在煤壁前方超出多层空间结构的影响范围后，倾向支承压力主要由上覆岩层自重作用产生，而空间结构的作用则逐渐减弱，支承压力的峰值在空间结构的边缘附近，在此范围内采掘活动容易诱发冲击地压。

2.4 微震监测覆岩应力分析

1410工作面微震监测煤层顶底板随工作面回采动态破裂情况表明，岩层破裂点集中在煤层上方35 m、工作面前方约70～80 m以内，属于4号煤层上方第一组岩梁的范围。岩层破裂后高应力场向未破裂岩层转移，破裂点主要集中在应力梯度变化较大区域，推断支承压力峰值在工作面前方80～90 m处。岩层破裂场和采动应力场关系如图3所示。由图3可知，4号煤层底板两组厚硬岩层均产生运动，煤壁前方支承压力分析需考虑底板内厚硬岩层的影响。1410工作面上平巷掘进期间围岩破裂的微震监测结果显示，破裂点集中在上平巷附近及煤壁内约10 m范围内，为岩层在倾向支承压力作用下产生的破裂区。1410工作面上平巷高应力区域在岩层破裂区的前方，由此推断上平巷倾向支承压力的峰值距煤壁的距离约为15 m。

图3 微震分布、岩层破裂场和采动应力场的关系

3 解放层开采冲击地压防治

3.1 4号煤层冲击地压发生原因分析

华丰矿1410工作面平均采深1230 m，覆岩自重应力远超过煤体抗压强度。深部煤岩水平构造应力较高，最大水平应力达到33～42 MPa。高应力作用易使煤岩体产生应力集中而发生破坏，导致4号煤层工作面冲击地压事故的发生。同时4号煤层具有强冲击倾向性，顶板具有弱冲击倾向性。

4号煤层工作面上方基本顶为厚度约70 m的砂岩，上部为500～800 m厚的巨厚砾岩层，砾岩层整体性与完整性强，回采后不易冒落，随着采空区面积的不断加大，巨厚砾岩层将形成板状的悬空岩梁，砾岩层初始应力状态发生改变并增加了未开采区域的应力集中程度。巨厚砾岩层的突然断裂跨落将对下部煤岩体产生强大的冲击载荷，加剧煤体的应力集中程度，诱发冲击危险。同时下部煤岩体受煤柱应力集中、开采集中、回采速度、放炮割煤诱发等外部因素影响，极易发生冲击。

3.2 确定1410综采面平巷位置

根据数值计算、矿压理论和经验的综合研究与评价，在开采解放层后，将4号煤层运输巷布置在与6号煤层回风巷外帮连线与水平工作面夹角68°～75°的结构性永久卸压区内；4号煤层回风巷布置在1号煤层工作面采空区内，距离1号煤层工作面回风巷下山方向40 m和运输巷上山方向20 m处。巷道布置可以有效避免冲击地压危险影响，如图4所示。

图4 4号煤层工作面上下平巷位置示意图

3.3 微震监测冲击危险分析

微震监测能较好地反映岩层活动规律，老顶初次来压期间，微震监测日均震动频次将逐渐增大，随工作面覆岩活动剧烈程度增加，监测到的微震活动明显增多，表明工作面来压期间冲击危险性较强。依据相关的覆岩空间结构理论，工作面推进到首次见方阶段时，工作面冲击危险程度增强。若区域内微震活动分布不随工作面回采逐步向前推移，则在一定程度上预示工作面前方围岩存在高能量积聚过程，该区域冲击危险性极高。当工作面回采向煤柱方向推进过程中，工作面前方微震活动分布不随工作面的推进继续向前发展，表明工作面与煤柱之间可能存在高应力集中区，冲击危险性逐渐增强，微震破裂点大部分集中在工作面超前70～80 m范围，该范围内煤岩层得到充分断裂破坏。分析认为岩层破裂边缘为超前支承压力峰值位置，超前工作面约90 m。因此，工作面超前90 m范围内为冲击危险区域，应作为重点卸压治理范围。1410工作面开采期间，工作面前方存在一组6号煤层断层，工作面推向断层过程中，受工作面超前应力集中影响，断层活化程度不断升高，微震监测共发生39次微震事件，达到冲击危险震级的高达7次。这说明工作面与断层之间存在高应力区，冲击危险范围距离断层20～40 m的范围内，工作面过断层的冲击危险区段如图5所示。

图5 工作面过断层的冲击危险区段

3.4 监测防治措施

1410工作面回采期间冲击地压监测主要采取钻屑量监测、矿压监测和微震系统监测。1410综放工作面卸压防治技术主要采取煤体卸压爆破、顶板预裂爆破、煤层注水技术，特别是工作面前方20～40 m断层构造区域，要采取多种监测防治措施。

(1)煤体卸压爆破。利用钻屑等方法监测具有冲击危险时，首先采用煤体卸压爆破解危措施。在监测预警区域布置1～2组爆破孔，钻孔间距10 m，孔深10～20 m，如图6所示。

(2)顶板预裂爆破。若煤体卸压爆破未能起到有效的解危效果，可进一步采取顶板预裂爆破措施，以加强卸压力度，达到卸压解危的效果。顶板预裂爆破可以缩短基本顶的断裂距，降低工作面动静载集中程度，实施范围一般在超前工作面200 m以内。回风巷每隔10 m布置一组钻孔，运输巷每隔20 m布置一组钻孔，孔深25 m，单排布置并与水平方向成75°夹角面向基本顶，如图7所示。

图6 煤体卸压爆破钻孔参数布置图

图7 顶板预裂爆破钻孔参数布置图

(3)煤层注水。在1410综采面开采前，在上下平巷对工作面煤体超前注水。回风巷注水孔深度为40 m，运输巷注水孔深度50～60 m，利用高压清水泵注水，提前软化煤体，降低煤层的冲击倾向性。

3.5 卸压效果检验

通过微震监测系统对采取防治措施后煤岩系统冲击地压危险程度进行检验。工作面正常回采期间，微震事件随着工作面的推进不断前移，范围较广，说明工作面前方顶板有规律断裂，前方应力有规律释放。微震系统监测到的顶板断裂震动事件分布图如图8所示。由图8可知，采取防治措施后，高能量冲击微震事件消失，仅存在大量的无冲击危险破裂事件。

图8 无冲击危险情况下微震事件分布图

钻屑量检测结果如图9所示。由图9可知，防治措施采取后，减弱煤体应力集中程度，钻屑量都小于考察的临界指标值。综合以上分析表明，卸压解危措施有效。

图9 钻屑量检测曲线图

4 结论

(1)覆岩空间高度在煤层上方100 m左右，经分析计算及微震监测结果表明，1410工作面超前支承压力峰值距工作面煤壁90 m左右，支承压力峰值约为39.8 MPa，倾向支承压力的峰值距煤壁15～18 m左右，峰值约为41.1 MPa。

(2)4号煤层发生冲击地压原因为：大采深造成的高地应力分布；煤层上方覆岩结构完整性强、抗压强度大；煤层具有强冲击倾向性；同时煤柱集中应力、工作面采动应力和周期来压、开采过度集中、工作面推采速度、放炮割煤诱发等因素也是4号煤层发生冲击地压的主要原因。

(3)确定6号煤层下保护层开采后4号煤层上下平巷布置位置：4号煤层运输巷布置在6号煤层下平巷外帮连线与水平面夹角68°～75°的永久卸压区内；4号煤层回风巷布置在1号煤层回风巷倾向下方40 m处。

(4)提出保护层开采预防冲击地压灾害的思路，从巷道优化布置及运用微震等预测预报手段监测预警冲击地压灾害，通过煤体卸压爆破、顶板预裂爆破及煤层注水等冲击防治措施对冲击危险区域提前预处理，防治措施效果显著，保证1410工作面安全回采。