强冲击大采高工作面关键层周期破断规律研究*

赵 雷，王俊峰

(中煤西北能源有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017307)

0 引言

随着矿井开采深度增加，矿井冲击地压灾害更加严重，在山东兖州、新汶、枣庄等深部矿区，已成为制约煤矿安全、高效生产的首要因素[1]。为解决高强度开采条件下的冲击地压灾害防治，姜福兴、潘一山、窦林名、蒋金泉等[2-9]专家通过冲击地压监测监控技术，如微震、地音、电磁辐射等监测方法，研究冲击地压和上覆岩层周期破断之间的关系，建立了冲击地压灾害的防治监测、预警技术体系。《防治煤矿冲击地压细则》明确冲击地压矿井可采用微震监测法，可采用矿压监测法进行局部补充性监测，回采工作面通过对液压支架工作阻力进行监测，分析采场来压程度、来压步距、来压征兆等，对采场大面积来压进行预测预报。

为此，以内蒙古鄂尔多斯母杜柴登矿井30202工作面为例，通过理论计算，结合工作面回采期间微震监测数据分析工作面关键层周期破断相关规律，以期为矿井大采高工作冲击地压灾害防治工作提供借鉴。

1 覆岩岩性分析

1.1 工作面概况

工作面布置：母杜柴登矿井30202工作面位于井田3-1煤层302盘区北翼，紧邻30201首采工作面，两工作面为外错式布置，中部留设20 m宽煤柱，西侧为30203工作面实煤体。30202工作面布置示意图如图1所示。

图1 30202工作面布置示意图

煤层及岩性：该矿井30202工作面煤厚为4.74～6.32 m之间，平均5.68 m，两顺槽巷道沿煤层底板掘进，巷道顶煤平均厚度为1.70 m。工作面设计长度268 m，工作面走向长度3 718 m。煤层直接顶板主要为粉砂质泥岩。老顶为粗粒砂岩，浅灰色，巨厚层状，棱角状，分选性差，泥质胶结，含少量泥质条带，含大量煤线，见少量黄铁矿结核。经鉴定，煤层具有强冲击倾向性，顶板具有弱冲击倾向性。截止2018年11月14日，30202工作面累计回采约 930 m，已回采区域最近的地质钻孔B22位于回采里程1 120 m处，距离30202工作面回风巷约283 m，其地质资料如图2所示。

图2 钻孔B22柱状图

1.2 载荷三带理论介绍

三带划分：在工作面回采过程中，为分析上覆岩层在采掘工程中对巷道本身及周边施加的应力影响，姜福兴[10]将整个上覆岩层组划分为即时加载带(ILZ)、延时加载带(DLZ)、静载带(SLZ)，称之为载荷三带。

三带定义：即时加载带是随着回采工作的进行会在短期内发生周期性挠曲、破裂和垮落，可以即时充填采空区并形成承载结构的岩层组。延时加载带位于即时加载带以上，是在回采初期悬顶，但随着所承受载荷超过自身强度将在较长一段时间内逐步发生离层和断裂的岩层组。静载带是从延时加载带以上直至地表，连续性好，对下方岩体施加的应力受采动影响变化较小的岩层组。

1.3 三带高度理论计算

即时加载带的厚度：根据ILZ带的定义[11]，随着工作面从开切眼开始推进，采场上覆岩层由于采空区的出现会在短期内发生冒落和剧烈的回转运动，充填采空区并形成承载结构，采用一般垮落带的计算方式，见式(1)

(1)

式中：h—采高，m；KA—岩石的碎胀系数。根据经验KA的取值一般为1.1～1.3，但由于即时加载带与垮落带定义的区别，ILZ带岩层不仅包括传统三带定义中垮落的部分岩层，还包括随着回采活动的进行，在短时间内可以断裂回转形成承载结构的岩层组，其范围较垮落带大，此处KA的取值为1.1，因此即时加载带的厚度MILZ计算见式(2)

MILZ=HILZ≈10h

(2)

由此可见，ILZ带的厚度与工作面采出高度联系紧密，冒高效应明显。计算得到30202工作面即时加载带厚度为50～60 m。

延时加载带的厚度：随着采空区被ILZ带内的岩层完全充填，更高层位的岩层由于没有垮落空间而无法在第一时间发生断裂下沉，因此会在较长的一段时间内随着所承受的载荷超过自身强度而逐步发生离层和断裂。一般的岩层运动理论认为，从采场开切眼推进起，到地层运动进入充分采动阶段为止，采场上方破裂岩层形成结构的最大高度约为连续开采范围短边宽度L的一半，因此延时加载带的厚度见式(3)

(3)

因此，采区连续开采短边宽度决定工作面DLZ带的厚度，采宽效应明显。通过分析可知，30202工作面连续开采范围短边长度为550 m，因此得到延时加载带厚度约为215～225 m。

静载带的厚度：根据SLZ带的定义，位于DLZ带上方，直到地表范围的岩层组皆为SLZ带，计算见式(4)

MSLZ=H-MILZ-MDLZ

(4)

SLZ带的厚度由采深H、MILZ和MDLZ共同决定，得到30202工作面静载带厚度为415～425 m。

1.4 钻孔揭露覆岩层位分析

煤层上方硬岩层的破断是形成微震事件主要原因，其硬岩层分布也是顶板相关解危措施的重要依据。参照即时加载带高度计算，对30202工作面覆岩进行划分，具体见表1。

2 坚硬砂岩组覆岩周期破断步距计算

2.1 第一组坚硬顶板周期来压步距

当采煤工作面继续推进，老顶周期性折断或垮落的矿压显现成为老顶的周期来压。两次周期来压之间工作面推进的距离，叫周期来压步距。周期来压步距确定是将煤层上方坚硬顶板视为悬梁式结构，老顶周期来压步距的力学模型可简化为悬梁式折断进行计算，见式(5)[12]

(5)

表1 硬岩层分布汇总表(依据B22地质孔相关资料)

式中：h—煤厚，取5.68 m；RT—上覆岩层极限抗拉强度，取5 810 kPa(取自冲击倾向性鉴定数据)；q—上覆岩层作用在老顶上的载荷，取975 kPa(取自支架选型数据)。据计算，工作面第一组坚硬顶板的周期来压步距为8 m。

2.2 第二组坚硬顶板周期来压步距

来压步距计算：同理，第二组坚硬顶板的极限跨距(即周期来压步距)计算见式(5)。

式中：h—取第一组顶板厚度，取35.35 m(自3-1煤顶板至2-2煤顶板泥岩)；RT—上覆岩层极限抗拉强度，取5 810 kPa(取自冲击倾向性鉴定数据)；q—上覆岩层作用在老顶上的载荷，取975 kPa(取自支架选型数据)。根据计算，工作面第二组坚硬顶板的周期来压步距为49.8 m。

关键层位确定：随着工作面持续回采，第一组顶板周期性破断，主要表现为工作面周期性来压，工作面继续回采，第一组顶板垮落长度增加到一定距离，第二组顶板加载于直接顶及工作面的压力开始增加，并呈现出周期性，主要表现为工作面来压强度高、持续范围大、持续时间长、大能量事件(105J)集中发生，对工作面动载扰动较大，是影响动力显现的关键层位。

3 周期来压与微震事件关系分析

3.1 30202工作面周期来压统计

周期来压统计：对8月23日—11月13日回采期间工作面综采支架压力数据进行统计分析，共计发生周期来压18次，来压步距平均8.6 m，见表2。

平均周期来压确定：根据周期来压统计结果，周期来压步距与理论计算基本吻合。周期来压持续距离平均约10.9 m，因来压间隔较短，周期来压期间持续时间较长，来压结束表征不明显，因此以两次来压起点间隔时间作为本工作面周期来压步距计算，来压起始点间距平均19.1 m。

3.2 周期来压与微震事件分布规律

数据统计：对统计区间内微震能量及频次班别统计，结果见表3。根据统计结果，工作面周期来压期间微震频次为1 759个，占比为60%，微震能量为1.4×107J，占比为68%；非周期来压期间微震频次为1 185个，占比为40%，微震能量为6.6×106J，占比为32%。工作面周期来压持续总班数为155班，平均每班微震频次为11.3个，平均每班能量释放为9.39×104J；非周期来压所占总班数为89班，平均每班微震频次为13.3个，平均每班能量释放6.99×104J；周期来压比非周期来压每班微震频次低15%，周期来压期间比非周期来压期间每班微震能量释放高34.3%。

表2 30202工作面周期来压信息统计表

表3 30202工作面周期来压微震信息统计表

结果分析：周期来压期间平均每个微震事件能量为8.29×103J，非周期来压期间平均每个微震事件能量为5.33×103J，周期来压较非周期来压平均微震能量高55.5%。工作面周期来压期间顶板处于弹性能逐渐积聚升高阶段，微震事件发生频次低于非周期来压期间，但每次微震事件发生都会释放出较高能量，工作面整体冲击危险性也随之增高。

3.3 大能量微震事件周期性分析

周期分布统计：对统计周期来压期间内105J及以上微震事件分布情况，见表4。

表4 105J微震事件周期性分布表

结果分析：由表4可知，工作面8月21日复采前停产时间较长，采空区不同层位顶板均已充分垮落。工作面采动后经历一个低层位覆岩周期性垮落后，开始进入高层位覆岩运动阶段，因此第一阶段前44.9 m统计为大周期的间隔距离；第三阶段中10月11日微震事件能量释放较高，接近106J，周期来压提前结束。中高位顶板破断周期为41～52 m，平均约46.2 m，与理论计算的中高位顶板极限破断周期49.8m基本一致；周期来压持续距离为38～54.5 m，平均约46.1 m。同时根据统计发现第一、二、四阶段持续距离与周期来压期间工作面回采速度呈负相关性，即工作面低速缓采，中高位覆岩来压持续距离反而增加，中高位覆岩来压持续距离也可能受高位覆岩大能量释放提前结束，也说明了冲击地压工作面低速回采利于冲击灾害防治。

4 结论

(1)30202工作面上覆岩层中，影响冲击显现的关键层位可分为两组。第1组(低位)关键层为3-1煤顶板向上33.6 m范围；第2组(中高位)顶板关键层为3-1煤顶板向上35.4～98.9 m(2-2中煤顶板向上63.6 m范围)；其中第2组(中高位)顶板关键层是影响工作面回采期间冲击显现的主要层位。

(2)工作面在低位顶板周期性的破断步距为19.1 m，主要表现为工作面周期性来压；中高位顶板周期性破断步距为46.2 m，主要表现为工作面来压强度高、持续范围大、持续时间长，高位顶板周期来压期间大能量事件(105J)频发，出现大能量微震事件概率较大。

(3)工作面在周期来压期间，平均单班微震能量释放比非来压阶段高34.3%，微震频次较非来压阶段低15%，单事件平均能量较非来压期间高55.5%，工作面受动载影响整体较高。发生冲击地压风险加大。为确保工作安全高效回采，须加强工作面周期来压期间(尤其是中高位顶板破断期间)冲击地压防治安全技术措施。