翟明華，姜福興，朱斯陶，張 明，姚順利，郭信山，孫 翔

(1.山東能源集團有限公司，山東 濟南 250014; 2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083; 3.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控安徽省重點實驗室，安徽 淮南 232001; 4.應(yīng)急管理部 通信信息中心，北京 100013)

隨著煤炭資源開采深度和開采強度的增加，礦井沖擊地壓等動力災(zāi)害日益加劇，嚴(yán)重地威脅著煤礦開采的安全[1]。在我國多個礦區(qū)分布有巨厚堅硬巖層，巨厚堅硬巖層運動導(dǎo)致的強礦震和強沖擊地壓致災(zāi)后果嚴(yán)重，治理難度大，已經(jīng)成為這些礦區(qū)礦井安全生產(chǎn)的主要障礙[2-3]。

對于巨厚堅硬頂板巖層失穩(wěn)引發(fā)的沖擊地壓災(zāi)害防治已有大量學(xué)者做了研究，如蔣金泉等[4]揭示了高位硬厚巖層在上、下煤層重復(fù)采動時的微震活動時空規(guī)律，有效防治了硬厚巖層下的動力災(zāi)害;竇林名等[5-6]提出了針對巨厚堅硬巖層與下方巖層間離層位置進行注漿的防沖措施;姜福興等[7]提出采場覆巖空間結(jié)構(gòu)模型，研究了斷層控制型沖擊地壓機制，提出改變巷道位置等防治措施;楊偉利等[8]提出了巨厚巖漿巖失穩(wěn)導(dǎo)致的孤島工作面沖擊地壓類型為自發(fā)型和誘發(fā)型，自發(fā)型沖擊機制為巨厚巖漿巖失穩(wěn)導(dǎo)致自身及其上覆載荷層重力向下傳遞，使得被影響區(qū)域煤巖應(yīng)力逐漸集聚到?jīng)_擊的應(yīng)力水平，誘發(fā)型沖擊機制為巨厚巖漿巖斷裂強動載使得被影響區(qū)域煤巖應(yīng)力突躍至沖擊的應(yīng)力水平;郭維嘉等[9]對強沖擊地壓礦井地表非連續(xù)移動變形特征進行了研究，認為工作面上方覆巖體內(nèi)軟巖層出現(xiàn)明顯離層，為巨厚覆巖層提供一定運動空間，進而造成巨厚覆巖層的破斷，由于瞬間的能量釋放，對圍巖造成強沖擊性，同時造成地表呈現(xiàn)斑裂等非連續(xù)性特征;齊慶新等[10]提出了深孔斷頂爆破促使厚硬頂板及時垮落的防治沖擊地壓方法;張明等[11]基于厚硬關(guān)鍵層破斷及能量傳播規(guī)律，提出了“震動損害邊界”觀點，提出了礦震引起地面震動損害的防控思路;潘一山等[12]基于巨厚堅硬巖層礦震震波傳播規(guī)律建立了三維模型，實現(xiàn)對礦震災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報。上述研究成果對巨厚堅硬巖層下工作面沖擊地壓災(zāi)害的防治具有現(xiàn)實意義，但對巨厚堅硬巖層下工作面的防沖開采設(shè)計鮮有系統(tǒng)研究。

筆者基于覆巖空間結(jié)構(gòu)理論，提出了保護層開采、負煤柱設(shè)計、關(guān)鍵工作面的確定及參數(shù)設(shè)計、震動損害邊界開采設(shè)計等綜合方法，通過分析和介紹山東能源集團權(quán)屬的華豐煤礦、高莊煤礦和滕東煤礦防治此類災(zāi)害的成功經(jīng)驗，為巨厚堅硬巖層下工作面沖擊地壓防治提供借鑒。

1 巨厚堅硬巖層下沖擊煤層的礦壓顯現(xiàn)特征及防沖對策

1.1 巨厚堅硬巖層下沖擊煤層的礦壓顯現(xiàn)特征

1.1.1關(guān)鍵工作面效應(yīng)

巨厚堅硬巖層下沖擊煤層開采的顯著特點之一，是第1個或第N個工作面開采時，由于巨厚堅硬巖層沒有斷裂，能夠?qū)衣稁r層的重量有效地傳遞到遠處煤體上，導(dǎo)致開采工作面的礦壓顯現(xiàn)并不明顯，只有當(dāng)開采到巨厚堅硬巖層開始斷裂并強烈運動的工作面時，才開始出現(xiàn)強烈的礦震或沖擊地壓。這個工作面稱之為“關(guān)鍵工作面”。

“關(guān)鍵工作面”之前開采的第1個或第N個工作面，地應(yīng)力不大，動力災(zāi)害不強烈，只要通過微震、應(yīng)力在線監(jiān)測和地表巖移觀測，掌握巨厚堅硬巖層動態(tài)和圍巖應(yīng)力狀況即可，防沖難度較小;“關(guān)鍵工作面”開采過程中，極易發(fā)生強動力災(zāi)害，其動力災(zāi)害的頻次、危害程度等均與巨厚堅硬巖層的運動規(guī)律、煤層參數(shù)、工作面開采工藝等密切相關(guān)，這類礦壓顯現(xiàn)均可視為“關(guān)鍵工作面效應(yīng)”。

1.1.2震動誘沖效應(yīng)

巨厚堅硬巖層斷裂震動在地層中產(chǎn)生的動應(yīng)力傳播到處于高應(yīng)力狀態(tài)的煤體上后，極易誘發(fā)沖擊地壓。這類沖擊屬于“從上而下”的動力災(zāi)害，其顯現(xiàn)特點是“震源與沖擊顯現(xiàn)位置不一致”，誘發(fā)力源來自高位頂板，試圖通過切斷巨厚堅硬巖層達到“減震消沖”的目的是非常困難的，在技術(shù)和經(jīng)濟上也是不合理的。這類礦壓顯現(xiàn)均可視為“震動誘沖效應(yīng)”。

山東某礦2103工作面運輸巷超前工作面190 m范圍內(nèi)曾發(fā)生1次2.8級(能量1.28×107J)的沖擊地壓(圖1(a))，破壞巷道260 m(圖1(b))，地面礦區(qū)和村莊震感強烈，但事故發(fā)生前現(xiàn)場沒有明顯應(yīng)力變化的前兆信息。根據(jù)微震定位結(jié)果和工作面附近鉆孔資料可知，煤層上方504 m處存在一層厚114.2 m的中粒砂巖，可見，該巖層破斷產(chǎn)生礦震是此次沖擊地壓的主要誘發(fā)因素。

1.1.3沖擊震動效應(yīng)

當(dāng)開采到關(guān)鍵工作面位置后，巨厚堅硬巖層的傳遞壓力將急劇增加，當(dāng)部分煤體達到發(fā)生沖擊的條件時即可發(fā)生沖擊，同時引起能量巨大的震動。即沖擊引起的震動。

這類沖擊的顯現(xiàn)特點是“震源與沖擊顯現(xiàn)位置一致”，震源和沖擊顯現(xiàn)均來自煤層，地面發(fā)生的震動損害是“從下而上”的災(zāi)害，因此，通過降低煤體應(yīng)力避免沖擊或降低沖擊能量是可能的。這類礦壓顯現(xiàn)均可視為“沖擊震動效應(yīng)”。

山東某礦3112工作面為孤島工作面，工作面傾向?qū)挾燃s為120 m，平均采深約860 m，煤層單向抗壓強度約為18 MPa。3112工作面東部為總寬約280 m的3111，3110和3109采空區(qū)，西部為總寬260 m的3113，3201采空區(qū)和斷層帶(相當(dāng)于采空區(qū))，如圖2(a)所示。由于工作面上覆巨厚堅硬頂板，且兩側(cè)采空區(qū)地表均為非充分采動，因此3112工作面為31采區(qū)關(guān)鍵工作面。2015-05-19,3112工作面開切眼安裝設(shè)備期間，發(fā)生了一起災(zāi)害性沖擊地壓。整個開切眼約120 m的范圍全部沖垮，造成8人受傷，20個支架被埋(圖2(b))，采煤機被沖斷，損失達上億元。

圖2 3112工作面開切眼沖擊地壓事故Fig.2 Rock burst accident of LW3112

3112工作面沖擊時處于設(shè)備安裝階段，工作面尚未開采，因此沖擊原因為孤島工作面開切眼煤體積聚的高彈性能突然釋放導(dǎo)致，此次事故為典型的沖擊引起震動效應(yīng)。

1.2 巨厚堅硬巖層下沖擊地壓的防治對策

由上述巨厚堅硬巖層下沖擊地壓的“關(guān)鍵工作面效應(yīng)”、“震動誘沖效應(yīng)”和“沖擊震動效應(yīng)”特點可以看出:巨厚堅硬巖層致災(zāi)有3種類型，一是隨著采場推進范圍增大，巨厚堅硬巖層的載荷逐步向懸空區(qū)周邊支撐煤體轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力增加直至“臨界沖擊應(yīng)力”引發(fā)沖擊地壓;二是由于巨厚堅硬巖層破斷釋放能量巨大，巨厚巖層突然破斷造成強烈礦震誘發(fā)沖擊地壓;三是強烈礦震會波及地面并造成地面建筑物破壞。

巨厚硬巖(尤其是高位的巨厚硬巖)運動決定的震動與沖擊災(zāi)害，很難通過人為措施使其懸空跨度和破斷釋放能量減小而達到避免礦震和沖擊地壓的發(fā)生，只有通過優(yōu)化開采設(shè)計解決:在“區(qū)域上”通過合理的開采設(shè)計實現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移從而降低區(qū)域應(yīng)力，在“局部”高應(yīng)力區(qū)通過合理設(shè)計巷道位置避開或采用卸壓技術(shù)人為形成低應(yīng)力區(qū)，實現(xiàn)巨厚堅硬巖層條件下震動與沖擊的協(xié)同控制。

巨厚堅硬巖層下防治沖擊地壓的優(yōu)化開采設(shè)計包括開采保護層、合理確定采區(qū)內(nèi)關(guān)鍵工作面、巷道布置參數(shù)、區(qū)段煤柱留設(shè)、開切眼和終采線位置、工作面寬度和推進長度、采掘工作面時空關(guān)系和接替順序等。下面介紹3個巨厚堅硬巖層煤礦通過開采設(shè)計優(yōu)化成功防治沖擊地壓的技術(shù)和經(jīng)驗，與同行分享。

2 華豐煤礦巨厚堅硬巖層下基于防沖的保護層與負煤柱相結(jié)合的開采設(shè)計

華豐煤礦曾經(jīng)是我國沖擊地壓災(zāi)害非常嚴(yán)重的礦井，累計造成數(shù)十人傷亡和數(shù)千米巷道破壞，自從2007年開始采用保護層與負煤柱相結(jié)合的開采設(shè)計方案后，截止到2017年，沒有發(fā)生破壞性沖擊地壓，沖擊地壓災(zāi)害得到了有效控制。

2.1 華豐煤礦的煤層與地質(zhì)條件

華豐煤礦煤層傾角31°～40°，一般33°左右，含可采煤層7層，分別為1，4，6，11，13，15，16煤層，其中4煤層是華豐煤礦的主采煤層，平均煤厚6 m，工作面傾向長140～160 m，6煤層作為保護層，厚度1.0～1.5 m，兩個煤層平均間距40 m，開采區(qū)域煤層分布情況見表1。主采煤層具有強沖擊傾向，直接頂具有中等沖擊傾向，且埋藏較深，目前采深已超過1 300 m，圍巖原始地壓大，隨著采深的增加，地壓顯現(xiàn)日益突出，礦井工程地質(zhì)類型為復(fù)雜類型。4煤層上覆礫巖平均厚度>700 m，開采區(qū)域的厚度分布如圖3所示,其中，鉆孔圖例左側(cè)數(shù)值為埋深，m。

2.2 保護層開采

以開采6煤作為開采4煤的保護層，根據(jù)開采6煤保護4煤模擬實驗及微震與應(yīng)力監(jiān)測分析[8]，確定采6煤保4煤保護參數(shù)為:上保護角85°，下保護角69°，走向保護角57°，上保護高度為60～70 m，平均65 m，圖4(a)為走向保護效果圖，圖4(b)為傾向保護效果圖。在傾向上保護層1611工作面超前被保護層1410工作面一個區(qū)段;在走向上1410工作面開切眼布置在1609，1610開切眼20 m以里，1409工作面終采線位于1609，1610開切眼以里20 m，根據(jù)觀測6煤開采對4煤開采保護作用有效時間為2 a左右。

表1 煤層分布情況Table 1 Coal seam distribution m

圖3 礫巖分布情況Fig.3 Conglomerate distribution

圖4 開采6煤對開采4煤的保護范圍Fig.4 Protective range of No.4 coal after No.6 coal mined

2.3 無煤柱、負煤柱設(shè)計方案

隨著礦井向深部開采，地壓越來越大，巷道支護難題日益凸顯。4，6煤回風(fēng)巷小煤柱沿空巷道礦壓仍然顯現(xiàn)強烈，支護困難，4煤回風(fēng)巷盡管在保護帶內(nèi)，仍發(fā)生了多起嚴(yán)重的沖擊地壓，如圖5所示。

圖5 4煤回風(fēng)巷沖擊地壓和大變形災(zāi)害照片F(xiàn)ig.5 Scene photos of rock burst and large deformation in upper crossheading of No.4 Coal

為此，通過合并采區(qū)及跨上山推采，取消采區(qū)煤柱，礦井采區(qū)數(shù)量由-450 m水平的4個雙翼采區(qū)，減到-1 100 m水平2個采區(qū);取消區(qū)段小煤柱，6煤工作面下區(qū)段回風(fēng)巷完全沿上區(qū)段運輸巷重疊布置;4煤工作面下區(qū)段回風(fēng)巷“負煤柱”布置(即在上工作面下平巷底板以下向采空區(qū)方向內(nèi)錯布置，如圖6所示)，即下區(qū)段回風(fēng)巷布置在上一個區(qū)段采空區(qū)內(nèi) 0～-10 m，此位置應(yīng)力低，且位于預(yù)留的三角形實體煤中，利于掘進和支護。華豐煤礦4煤通過實施“保護層與負煤柱相結(jié)合的開采設(shè)計”，未再發(fā)生過沖擊地壓災(zāi)害，實現(xiàn)了工作面的安全回采。

圖6 負煤柱設(shè)計方案示意Fig.6 Schematic diagram of negative pillar design

3 高莊煤礦巨厚堅硬巖層下開采防止地面建筑物震動損害的開采設(shè)計

高莊煤礦西十一采區(qū)位于微山湖下，湖區(qū)建有南水北調(diào)工程二線船閘等重要的水利設(shè)施。地層中存在巨厚礫巖，巨厚礫巖斷裂存在發(fā)生礦震和井下沖擊的危險，需要通過合理的開采設(shè)計避免災(zāi)害的發(fā)生。

3.1 西十一采區(qū)開采基本情況

西十一采區(qū)平均采深600 m，平均煤層厚度5 m，上覆礫巖平均厚約125 m，距離3上煤約230 m。由于3上1109和3上11010工作面已開采，位于二線船閘等地面重要設(shè)施下方的采區(qū)兩翼已形成孤島開采的局面(圖7)。

圖7 高莊煤礦孤島工作面形成示意Fig.7 Formation of island coal face in Gaozhuang Mine

3.2 西十一采區(qū)開采對地面建筑物影響的分析

西十一采區(qū)開采情況表明，西十一采區(qū)開采對二線船閘等重要設(shè)施的影響有兩個方面：一是巨厚礫巖斷裂產(chǎn)生震動誘沖;二是孤島工作面整體失穩(wěn)產(chǎn)生沖擊震動，應(yīng)從震動損害角度合理確定開采邊界，通過優(yōu)化開采設(shè)計減震防沖。

(1)強礦震引起的震動損害和震動損害邊界

關(guān)于關(guān)鍵層破斷誘發(fā)礦震及其對地表設(shè)施的震動損害方面的研究較少，傳統(tǒng)的開采損害研究主要以地表沉陷和巖層移動損害邊界為主(圖8中M)，沒有考慮移動損害邊界以外由強礦震引起的震動損害邊界(圖8中V)。課題組通過建立采場上覆高位巨厚礫巖破斷模型，研究了巨厚礫巖破斷產(chǎn)生礦震的規(guī)律，以及礦震對地表重要保護設(shè)施的震動損害評估方法[13]，為開采損害分析和確定震動損害保護邊界提供了理論依據(jù)。

圖8 采動引起的巖層運動邊界和震動破壞邊界示意[13]Fig.8 Strata movement boundary and vibration damage boundary by mining[13]

(2)孤島工作面整體沖擊失穩(wěn)判別

開采西十一采區(qū)孤島工作面時，當(dāng)量采深將達到900 m以上，由于煤層具有沖擊傾向性，當(dāng)工作面寬度過小時，存在工作面煤壁前方煤體和兩條回采巷道體同時沖擊的危險，即整體沖擊失穩(wěn)危險。根據(jù)課題組“孤島工作面整體沖擊失穩(wěn)判別方法”[14]研究成果:孤島工作面兩側(cè)塑性區(qū)在高支承壓力的作用下向煤體深部支承核區(qū)擴展，當(dāng)支承壓力足夠大時，孤島工作面支承核區(qū)將失去承載能力，這對于具有沖擊傾向性的煤層，極容易發(fā)生工作面整體沖擊失穩(wěn)。采用該方法對開采西十一采區(qū)孤島工作面進行評估，通過優(yōu)化關(guān)鍵工作面設(shè)計，避免孤島工作面整體失穩(wěn)產(chǎn)生沖擊震動。

3.3 西十一采區(qū)“關(guān)鍵工作面”設(shè)計方案

西十一采區(qū)兩翼最后一個孤島工作面，就是“關(guān)鍵工作面”，鑒于國內(nèi)多起“孤島”工作面整體沖擊地壓事故的教訓(xùn)，結(jié)合西十一采區(qū)地面震動損害與井下沖擊危險性的研究，提出了“關(guān)鍵工作面”開采的3個設(shè)計方案(圖9):

(1)原設(shè)計2個工作面等寬開采方案。如果將剩余寬度均勻分成2個工作面，則孤島工作面的寬度為175 m左右，考慮兩回采巷道附近留4 m煤柱、掘4 m巷道和施工20 m深的卸壓孔，關(guān)鍵工作面有效支撐寬度只有119 m。按照“關(guān)鍵工作面整體穩(wěn)定性評價方法”評估，此狀態(tài)下孤島煤柱接近整體沖擊的下限，判斷為“弱整體沖擊危險、強局部沖擊危險”。

(2)大孤島工作面開采方案。西十一采區(qū)剩余未采工作面寬度約350 m時，采用一個大工作面整體布置，該方案對沖擊地壓防治最為有利，但礦井現(xiàn)有綜采工作面設(shè)備能力難以滿足面長350 m的要求。

(3)“一大一小”2個工作面開采方案。分別縮小兩翼孤島工作面相鄰的3上1103和3上1106工作面的寬度，使3上1105和3上1108“孤島”工作面的凈寬度在大于孤島煤柱整體失穩(wěn)寬度的同時，滿足現(xiàn)有綜采工作面設(shè)備能力上限的要求。

圖9 高莊煤礦關(guān)鍵工作面開采設(shè)計方案示意Fig.9 Mining design of key face in Gaozhuang Mine

經(jīng)過論證，選擇并實施了第3方案。同時根據(jù)巨厚礫巖破斷模型及震動損害評估方法，為防止礫巖斷裂對地面的震動損害，將終采線煤柱加寬到400 m。開采實踐證明，此方案實現(xiàn)了終采線附近地面無震害，井下無沖擊的安全目標(biāo)。

4 滕東煤礦巨厚堅硬巖層下基于防沖的厚煤層開采設(shè)計

滕東煤礦巨厚堅硬巖層下基于防沖的厚煤層開采設(shè)計包含了關(guān)鍵工作面設(shè)計、小煤柱設(shè)計、順序開采設(shè)計、強卸壓設(shè)計和慢推進5個方面。

滕東煤礦屬于新建的千米深井、厚煤層、巨厚堅硬頂板條件的沖擊地壓礦井，該礦井從開采設(shè)計之初就通過與科研單位合作，充分考慮防沖因素，準(zhǔn)確分析關(guān)鍵工作面位置，制定針對性防沖措施，實現(xiàn)了建礦至今多年的防沖安全。

4.1 滕東煤礦煤層和地層基本情況

滕東煤礦為單一主采煤層礦井，主采煤層為3下煤，煤厚3.5～8.0 m，平均厚度5.27 m，含少量夾矸，屬于中硬煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，傾角2°～7°，埋深平均950 m，屬于深井開采。首采區(qū)3下煤層頂板中存在多組堅硬厚巖層，直接頂為4.44 m厚的細砂巖，基本頂為14.76 m厚的細砂巖，距離3下煤層90 m位置存在一組70 m厚的堅硬礫巖層，判斷該礫巖為主關(guān)鍵層，在開采過程中將以覆巖空間結(jié)構(gòu)的運動形式影響采場的礦山壓力顯現(xiàn)。根據(jù)煤巖沖擊傾向性測定，3下煤層具有強沖擊傾向性，頂板巖層具有強沖擊傾向性。

4.2 滕東煤礦基于防沖的開采設(shè)計

(1)順序開采。確定3下107為首采工作面，3下105和3下109工作面為第2個和第3個接續(xù)工作面，各工作面布置情況如圖10所示。

圖10 首采區(qū)工作面接續(xù)示意Fig.10 Spicing of first coalface

(2)關(guān)鍵工作面辨識。采用覆巖空間結(jié)構(gòu)理論，分析了第1～3個工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)從“O”型、發(fā)展到“S”型、再形成三工作面“見方”的大“O”型的運動規(guī)律(圖11)。根據(jù)覆巖空間結(jié)構(gòu)運動的預(yù)計結(jié)果，結(jié)合對地面沉陷的計算和監(jiān)測，辨識3下109工作面將是首采區(qū)的“關(guān)鍵工作面”(圖10)。圖12(a)為3下109工作面回采后地表下沉平面分析圖，圖12(b)為3個工作面開采地表下沉量傾向剖面圖。

圖11 3個工作面連續(xù)開采中“O-S-O”型覆巖空間結(jié)構(gòu)演化平面投影示意Fig.11 Evolution plane projection of “O-S-O” Type spatial structure of overlying strata in three faces continuous mining

根據(jù)3下109工作面2014-10-29—2015-03-13開采期間地表巖移觀測數(shù)據(jù)對比分析，該階段地表下沉速度和下沉量出現(xiàn)明顯增長趨勢，最大下沉位置在3下107工作面中部區(qū)域，此現(xiàn)象與井下巨厚礫巖附近的震動場和工作面應(yīng)力場的變化規(guī)律一致，說明巨厚礫巖已經(jīng)發(fā)生斷裂并開始急劇運動，地表下沉曲線未出現(xiàn)“平底”現(xiàn)象表明巨厚礫巖斷裂不充分，仍要發(fā)生大范圍斷裂和下沉運動，在工作面開采到接近采空區(qū)“見方”起，井下的動力現(xiàn)象急劇增強。

圖12 根據(jù)地表下沉量辨識關(guān)鍵工作面結(jié)果圖[15-16]Fig.12 Recognition of key mining face in terms of the amount of surface subsidence[15-16]

(3)微震監(jiān)測揭示的關(guān)鍵工作面效應(yīng)。圖13為3下105，3下107和3下109工作面開采至不同時期微震事件剖面圖。由圖13(a)可知，當(dāng)3下105采空區(qū)“單見方”時，頂板破裂高度僅為60 m，尚未波及到上覆巨厚礫巖;當(dāng)工作面推采至3下105和3下107采空區(qū)“雙見方”時，頂板破裂高度達到90 m(圖13(b))，破裂高度已達到上覆巨厚礫巖底部，此時礫巖尚未發(fā)生破斷;當(dāng)工作面推采至3下105，3下107和3下109采空區(qū)“三見方”時，頂板破裂高度達到135 m(圖13(c))，此時巨厚礫巖內(nèi)部產(chǎn)生大量微震事件。由此可判斷3下109工作面為該采區(qū)的關(guān)鍵工作面，該工作面的開采會導(dǎo)致上覆巨厚礫巖發(fā)生破斷失穩(wěn)，可能誘發(fā)礦震或沖擊地壓災(zāi)害。

圖13 工作面推采不同時期微震事件剖面Fig.13 Profile of microseismic events at different stages in coal mining face

(4)關(guān)鍵工作面開采防沖措施。3下109關(guān)鍵工作面開采初期，運輸巷超前75 m應(yīng)力測點自2014-04-01開采就開始發(fā)生應(yīng)力增長(圖14)。由此可知，3下109關(guān)鍵工作面在高靜應(yīng)力環(huán)境下，開采即導(dǎo)致了超前支承應(yīng)力增長，關(guān)鍵工作面的沖擊危險程度遠高于前2個工作面。后期開采3下109關(guān)鍵工作面時，堅持“緩?fù)七M、強監(jiān)測、強卸壓、強支護”的防沖法則，通過采取沖擊危險區(qū)內(nèi)勻速慢速推進，減少開采擾動;強化微震和應(yīng)力在線監(jiān)測與煤粉鉆檢驗;對實體幫采取密集大直徑鉆孔卸壓，使巷道圍巖處于低應(yīng)力狀態(tài);強化巷道支護等措施，實現(xiàn)了關(guān)鍵工作面的防沖安全。

圖14 3下109工作面煤體應(yīng)力變化曲線Fig.14 Coal stress variation curves of 3 below 109 working faces

5 結(jié) 論

(1)通過分析巨厚堅硬巖層下沖擊地壓的發(fā)生規(guī)律，提出了此類礦井沖擊地壓存在“關(guān)鍵工作面效應(yīng)”、“震動誘沖效應(yīng)”和“沖擊震動效應(yīng)”3個特點及防治對策。

(2)提出了采用覆巖空間結(jié)構(gòu)理論和地表沉陷觀測數(shù)據(jù)辨識關(guān)鍵工作面的方法及關(guān)鍵工作面防沖措施。

(3)闡述了山東能源集團3個不同類型的巨厚堅硬巖層沖擊地壓礦井采用保護層開采、負煤柱設(shè)計、關(guān)鍵工作面確定與參數(shù)設(shè)計、避開震動損害邊界開采設(shè)計、小煤柱設(shè)計和順序開采工作面參數(shù)優(yōu)化設(shè)計等綜合方法，實現(xiàn)防沖安全的具體做法。

由于巨厚堅硬巖層賦存條件復(fù)雜，且準(zhǔn)確探查的難度大，不同煤礦開采條件各異，本文的研究結(jié)果是根據(jù)試驗礦井條件研究和總結(jié)的，僅供同行參考。