关键层极限跨距预测矿井冲击地压发生时间的研究

李永超 于国强 李建军

（1.山东省岱庄生建煤矿，山东 微山 277600；2.山东省滕东生建煤矿，山东 滕州 277522）

山东省滕东生建煤矿井田内表土层平均厚度为18.56m，3下煤平均采深达到922.54m，首采面平均宽度为130m，第二个工作面宽度为130m，两个工作面的宽深比（工作面宽度与采深的比值）为0.28，采厚5.7m。通过地表移动观测站监测得到，首采面回采完毕并基本稳沉后地面的最大下沉值为54mm。两个工作面回采完毕并基本稳沉后，地面观测到的地表最大下沉值为265mm。依据宽深比判断，工作面开采属极不充分采动，但开采后地表的下沉量之小，实属不正常现象。通过分析发现，在煤层上覆岩层中存有巨厚砾岩及其他硬岩层。由于厚硬岩层的存在，当采空区面积大于关键层极限跨距时，极易发生厚硬岩层结构突变及煤柱失稳的情况，从而产生冲击地压等灾害。为确保煤矿安全生产，借助关键层理论对上覆岩层进行了判断，得出了关键层的位置及极限跨距，并依此预测了下一个工作面推进过程中厚硬岩层结构突变及煤柱失稳的大概时间，成功指导了煤矿冲击地压防治工作。

1 关键层位置判别

1.1 硬岩层位置的确定

根据矿区多个钻孔柱状图以及硬岩层的判别条件[1-2]对矿区覆岩性质进行了分析，确定了8层硬岩层的位置（见表1）。

表1 矿区覆岩性质表

1.2 硬岩层极限跨距的计算

根据固支梁模型计算求得的滕东矿区硬岩层的破断距见表2。

表2 硬岩层破断距

1.3 关键层所处位置的确定

由于该矿区覆岩硬岩层层数较多，且岩层间性质极为相似，并且两个已采工作面采空区的宽度已超出单一关键层的极限跨距，因此对矿区关键层的复合效应进行了分析研究，确定了复合关键层的位置与极限跨距。

根据复合关键层的判别理论以及复合关键层极限跨距的计算公式分析得到，采空区上部第1、2层硬岩层、第3、4层硬岩、第6、7层硬岩层及第7、8层硬岩的两两组合均满足构成复合关键层的条件。计算得到复合关键层极限跨距见表3。

表3 复合关键层参数表

通过分析判断侏罗系地层中的砾岩及第2层硬岩及其所夹软弱夹层所构成的复合关键层是煤层上覆岩层中的主关键层，其极限破断距为291.260m。105及107两个工作面开采后地表下沉量较小，主要原因是采空区宽度（采空区宽度为260m）小于主关键层的极限跨距，主关键层呈悬臂梁存在，从而减小了地表的下沉。但当109工作面推进290m左右时，主关键层将会破断。而主关键层的突然断裂产生的动载荷将迅速传递到工作面采场围岩，尤其在煤岩体应力处于极限平衡状态下动压极易诱发冲击。

2 矿井面临的冲击地压类型分析

2.1 静载（高静应力）自发型冲击

煤岩体中赋存条件和开采因素影响，围岩中存在高度应力集中区，当静载荷大于诱发煤岩体冲击破坏的最小载荷，就会形成自发型冲击[3-4]。该类冲击地压的特点：需要时间积累，应力集中到临界值或高应力蠕变中即可发生冲击，相对来讲可控、好治理。

2.2 动静载叠加诱发型冲击

煤岩体中静载荷与强动压（矿震）形成的动载叠加之和大于诱发煤岩体冲击破坏的最小载荷，静载+动载就会诱发强冲击。其诱因：坚硬顶板断裂或滑移。该类冲击地压的特点：突发强，灾害大，难治理。根据109工作面地质及开采条件分析，在上覆关键层突然破断时形成的冲击属于该类。因此需近似估算109工作面的动载和静载大小，评估诱发型冲击的可能性。依据相关理论公式估算得到静载能量（忽略顶板运动加速度影响）为：

传播到煤体的能量为：

此能量动载与静载叠加足以诱发强冲击。根据上述研究结果，矿方委托北京科技大学开展了《厚硬岩层结构突变与地表沉陷及冲击灾害治理关系研究》项目，开展了相应的防护工作。

3 地表移动变形观测研究结果

随着109工作面的开采，已进入厚硬岩层结构突变及煤柱失稳高度危险阶段，巨厚砾岩的运动控制着地表沉陷特征，同时地表沉陷规律能够验证巨厚砾岩及上覆岩层在关键阶段的断裂特点。通过及时联合分析井下和地表监测数据，可得到冲击地压危险性发展程度和地表岩移特征，从而全面指导煤矿完成冲击地压防治、后期工作面开采设计和地表沉陷控制要求。为此在109工作面上方布设了地表移动变形观测站。该观测站布设两条观测线，沿近似走向及倾向方向各布设了一条观测线。

109工作面于2014年4月1日开始回采，至2015年11月28日观测结束。由实测数据可知：109工作面回采引起的地表下沉基本稳沉后，测得的地表最大下沉值为0.897m。105、107、109三个工作面回采引起的地表下沉基本稳沉后，测得的地表最大下沉值为1.088m。而107工作面回采完毕并基本稳沉后，地面观测到的点位最大下沉值为54mm。105、107工作面回采完毕并基本稳沉后，地面观测到的地表最大下沉值为265mm。对比上述各下沉值不难看出，当109工作面采空区宽度超过关键层的极限跨距导致关键层破断时，地表下沉量急剧加大。并且地表监测点的下沉速度有较大的变化。2015年1月18日以前监测点的最大下沉速度为1.63mm/d，但在2015年1月18日至2015年2月2日之间突然达到5.32mm/d（此时109工作面的推进进尺在290m左右），自此以后监测点的最大下沉速度减小到2mm/d以下。

综上，理论上推算的上覆岩层中关键层的极限破断距291.260m是正确的，因为2015年1月18日至2015年2月2日监测点最大下沉速度由1.63mm/d 突然增大到5.32mm/d，随后又减小至2mm/d以下。井下的应力计监测结果也证实了上述结论。

4 结论

在大采深巨厚砾岩条件下开采时，利用关键层极限跨距可较为准确地预测含有关键层条件下矿井冲击地压发生的时间，并经生产实践验证是可行的。