孫立田，張立明，孔 賀，田國慶，李登月

(1.肥城礦業(yè)集團(tuán)礦業(yè)管理服務(wù)有限公司 雙合煤礦，山東 濟(jì)寧 272600；2.北京安科興業(yè)礦山安全技術(shù)研究院有限公司，北京 102299；3.山東安科興業(yè)智能裝備有限公司，山東 濟(jì)南 250002；4.山東雙合煤礦有限公司，山東 濟(jì)寧 272600)

沖擊地壓是我國大采深礦井中面臨的主要災(zāi)害之一，對(duì)煤礦安全高效開采造成了嚴(yán)重威脅[1-5]。影響沖擊地壓發(fā)生的因素繁多，主要受到煤層埋深、地質(zhì)構(gòu)造、煤巖沖擊傾向性、巷道設(shè)計(jì)、采煤方法、采掘速度等地質(zhì)及開采技術(shù)因素影響。采深超千米礦井的沖擊地壓防控難度最大，為此，國內(nèi)外眾專家學(xué)者開展了大量的研究，主要研究成果有：為加強(qiáng)千米深井沖擊地壓災(zāi)害治理，明確深井綜放工作面采場超前支承壓力分布特征，姜福興等[6]根據(jù)基礎(chǔ)力學(xué)理論提出工作面非充分采動(dòng)下隨著工作面推進(jìn)覆巖破壞過程與支承壓力呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)關(guān)系，即當(dāng)長壁工作面的開采尺寸達(dá)到1.27倍采深時(shí)超前支承達(dá)到極大值。竇林名等[7]總結(jié)提煉了不同微震信號(hào)的重要波形特征，認(rèn)為不同微震信號(hào)在頻率特征、信號(hào)持續(xù)時(shí)間、釋放能量等方面都存在區(qū)別。沖擊地壓波形存在振幅大、衰減快、尾波較發(fā)育、頻帶分布較窄等重要特征。夏永學(xué)等[8]為定量研究煤礦采場超前支承壓力的分布規(guī)律，采用了固定工作面研究采煤工作面前方微震事件的分布特征，通過微震波形分析和反演，進(jìn)行了工作面前方視應(yīng)力的分布特征研究。李樹才等[9]采用微震與應(yīng)力在線聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)對(duì)走向煤體垂直應(yīng)力進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，得到了不同推采階段應(yīng)力影響范圍和程度，解決不同回采階段的合理超前支護(hù)距離和解危措施。上述研究成果為沖擊地壓監(jiān)測與防治提供了科學(xué)依據(jù)，在采動(dòng)影響條件下，工作面超前支承壓力分布范圍的確定，尚未提出科學(xué)的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽?yīng)力估算模型，且未見采深超千米礦井自首采工作面開采開始進(jìn)行礦壓規(guī)律分析及總結(jié)，因此，本文以“載荷三帶理論”為基礎(chǔ)，開展千米深井首采工作面超前支承壓力分布規(guī)律研究，為現(xiàn)場沖擊地壓防控提供依據(jù)。

1 工作面概況

雙合煤礦為基建轉(zhuǎn)生產(chǎn)礦井，礦井為單一水平開采，一水平標(biāo)高為-1050m，臨近礦井為龍固煤礦和三河尖煤礦。雙合煤礦3下101工作面為礦井首采面且在2019年4月份完成工作面聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)，工作面西翼為工業(yè)廣場煤柱，東翼為實(shí)體煤工作面，北翼為一采區(qū)三條上山，南翼為DF4斷層。工作面走向長度為545m，傾斜長度為142m，軌運(yùn)聯(lián)巷為設(shè)計(jì)終采線，煤層厚度為2.9～3.8m，平均厚度為3.1m，傾角6°～20°，平均傾角12°。煤層直接頂為中、粉砂巖，厚度為5.6m；老頂為7.1m細(xì)砂巖。工作面地表標(biāo)高為+34m，井下巷道標(biāo)高為-1075～-975m，平均埋深為1059m。雙合煤礦3下101工作面主要進(jìn)行3下煤層回采，3下煤層及頂板具有弱沖擊傾向性，底板無沖擊傾向性。煤層單軸抗壓強(qiáng)度為1.35MPa，彈性能量指數(shù)為3.72。工作面兩巷均沿煤層頂板走向布置，兩巷道高度3.1m，巷道采用“錨網(wǎng)索+金屬網(wǎng)”進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。3下101工作面采用走向長壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板。工作面推采速度2.4m/d。雙合煤礦3下101工作面采掘位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 雙合煤礦3下101首采面采掘位置關(guān)系

2 基于“載荷三帶”理論的工作面擾動(dòng)影響范圍分析

2.1 工作面“載荷三帶”劃分

采場覆巖的載荷三帶結(jié)構(gòu)模型與傳統(tǒng)的“冒落帶”、“裂隙帶”和“彎曲下沉帶”三帶概念有一定聯(lián)系但又有所區(qū)別[10，11]。傳統(tǒng)地層三帶概念是按照巖層運(yùn)動(dòng)后的形態(tài)來對(duì)上覆巖層進(jìn)行劃分，而載荷三帶模型是根據(jù)覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)下方煤體施加應(yīng)力影響的時(shí)間效應(yīng)劃分，二者劃分標(biāo)準(zhǔn)不同。傳統(tǒng)三帶概念的重點(diǎn)在于巖層形態(tài)，載荷三帶概念的重點(diǎn)在于應(yīng)力加載方式[12]。

載荷三帶的劃分受時(shí)間效應(yīng)的影響很大，“即時(shí)加載帶(ILZ)”、“延時(shí)加載帶(DLZ)”與“靜載帶(SLZ)”的厚度隨著開采階段和開采強(qiáng)度的不同而變化。一般而言，在標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)下，“ILZ”帶在空間上包括了“冒落帶”和部分運(yùn)動(dòng)較快的“裂隙帶”；“DLZ”帶在空間上包括了運(yùn)動(dòng)較慢的“裂隙帶”和會(huì)出現(xiàn)巖體破裂的“彎曲下沉帶”；“SLZ”帶是可以視為均布載荷的那一部分“彎曲下沉帶”巖層?；谳d荷三帶理論，建立了雙合煤礦當(dāng)前地質(zhì)及開采技術(shù)條件下的載荷三帶模型如圖2所示[11]。

圖2 載荷三帶理論劃分模型(m)

2.1.1 即時(shí)加載帶計(jì)算

依據(jù)載荷三帶內(nèi)“ILZ”帶定義，隨著工作面自開切眼開始推進(jìn)，工作面上覆巖層由于采空區(qū)的出現(xiàn)會(huì)在短期內(nèi)發(fā)生冒落并產(chǎn)生劇烈旋轉(zhuǎn)，采空區(qū)冒落矸石充填采空區(qū)并形成承載結(jié)構(gòu)，“ILZ”帶厚度計(jì)算如式(1)：

式中，h為采高，m；KA為巖石的碎脹系數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)KA的取值一般為1.05～1.8之間[13]?？紤]到“ILZ”帶包括傳統(tǒng)冒落帶及部分裂隙帶和首采工作面采空區(qū)壓實(shí)不充分的現(xiàn)狀，此處KA取經(jīng)驗(yàn)值1.1，因此：

MILZ=HILZ≈10h

(2)

理論計(jì)算下得到“ILZ”帶厚度為31m。

2.1.2 延時(shí)加載帶計(jì)算

隨著采空區(qū)被“ILZ”帶內(nèi)垮落的巖層充填，更高層位巖層頂板由于缺少垮落空間無法在第一時(shí)間產(chǎn)生斷裂下沉，因此便造成了上部巖層在一段時(shí)間內(nèi)隨著上覆巖層承載載荷超過自身強(qiáng)度而逐漸發(fā)生離層和斷裂。結(jié)合一般礦壓理論可知工作面自開切眼推進(jìn)至覆巖運(yùn)動(dòng)進(jìn)入充分采動(dòng)為止，工作面上覆巖層裂隙形成結(jié)構(gòu)的最大高度為連續(xù)開采下短邊寬度的一半[14]，計(jì)算如式(3)。

式中，L為工作面傾斜寬度，m。

雙合煤礦3下101工作面短邊寬度為142m，因此理論計(jì)算得到“DLZ”帶厚度為40m。

2.1.3 靜載帶厚度計(jì)算

依據(jù)載荷三帶定義，“SLZ”帶位于“DLZ”帶上方，直到地表范圍的巖層組皆稱為“SLZ”帶，計(jì)算如式(4)：

MSLZ=H-MILZ-MDLZ

(4)

式中，H為工作面采深，m。

“SLZ”帶的厚度由采深H、MILZ和MDLZ共同決定，綜合上述分析可知當(dāng)前地質(zhì)及開采技術(shù)條件下3下101首采工作面靜載帶厚度為988m。

2.2 基于載荷三帶的工作面最大應(yīng)力估算

在載荷三帶理論基礎(chǔ)上，結(jié)合雙合煤礦微震監(jiān)測實(shí)測數(shù)據(jù)，建立了載荷三帶靜應(yīng)力估算模型。該模型內(nèi)“ILZ”帶由于被冒落矸石充填其形態(tài)不隨事件推移發(fā)生較大變化?！癉LZ”帶巖層在經(jīng)歷完全懸頂后，下部巖層由于承載的載荷超過其強(qiáng)度而發(fā)生斷裂觸矸，上部巖層尚未斷裂，因此形成部分懸頂狀態(tài)，從而造成工作面高位頂板影響下工作面超前應(yīng)力影響，如圖3所示[14]。

圖3 載荷三帶模型下最大靜應(yīng)力估算模型

根據(jù)圖3可知，“DLZ”帶巖層在“ILZ”帶上方形成的結(jié)構(gòu)一方面能傳遞上覆“SLZ”帶的自重應(yīng)力，另一方面將部分自重應(yīng)力因觸矸傳遞至煤層底板。對(duì)于工作面前方所受到的傳遞應(yīng)力為延時(shí)加載帶ABFG中自重應(yīng)力一半及HFCD區(qū)域內(nèi)巖層傳遞力的總和，因此峰值應(yīng)力σDmax如式(5)—式(8)所示。

式中，QABFG為巖層自重，kN；QHFCD為巖層自重，kN；QM3為靜載帶巖層自重，kN；MD為當(dāng)前“DLZ”帶斷裂巖層厚度，m；α為采動(dòng)斷裂角，(°)；M1為即時(shí)加載帶厚度，m；M2為延時(shí)加載帶厚度，m；M3為靜載帶厚度，m；γ為容重，kN·m3。

2.3 超前支承壓力影響范圍估算

基于載荷三帶理論估并結(jié)合鉆孔資料實(shí)現(xiàn)了采動(dòng)影響下首采工作面載荷三帶高度理論估算?？紤]到載荷三帶模型下即時(shí)加載帶和延時(shí)加載帶對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)起主要作用，因此重點(diǎn)估算即時(shí)加載帶和延時(shí)加載帶影響下超前支承壓力影響范圍，非充分采動(dòng)階段走向支承壓力估算模型[15]如圖4所示。圖中，α為斷裂角，(°)；Hi為關(guān)鍵巖層距離煤層頂板的距離，m；Mi為關(guān)鍵巖層的厚度，m。

圖4 非充分采動(dòng)階段走向支承壓力估算模型

通過微震現(xiàn)場實(shí)測分析，得到首采工作面斷裂角，應(yīng)用文獻(xiàn)[15]估算模型理論估算得到走向支承壓力影響范圍為104.4m。

3 基于微震實(shí)測數(shù)據(jù)分析的工作面擾動(dòng)影響范圍分析

3.1 微震實(shí)測數(shù)據(jù)平面投影分析

為得到采動(dòng)超前支承壓力影響下震動(dòng)事件分布范圍，分析了2019年12月24日—2019年12月30日之間微震事件平面分布，如圖5所示。在日均回采速度2.4m/d情況下，通過統(tǒng)計(jì)微震事件平面分布分析可知：微震事件平面分布規(guī)律為：約80%微震事件集中在工作面超前115～120m范圍內(nèi)，約70%微震事件集中在工作面超前90m范圍內(nèi)；能量分布規(guī)律為：約87%震動(dòng)事件能量集中在100～5000J，約13%震動(dòng)事件能量集中在0～100J，未出現(xiàn)大于5000J以上能量事件。

圖5 基于微震監(jiān)測揭示的震動(dòng)分布范圍

3.2 微震監(jiān)測揭示的走向剖面分布規(guī)律分析

采動(dòng)影響下頂板巖層的斷裂、運(yùn)動(dòng)是影響工作面礦壓顯現(xiàn)的關(guān)鍵因素，因此研究覆巖斷裂、運(yùn)動(dòng)是進(jìn)一步研究沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律的有效途徑。3下101工作面微震事件走向剖面圖如圖6所示。微震監(jiān)測揭示的走向剖面震動(dòng)事件分布呈現(xiàn)一定規(guī)律性，主要表現(xiàn)為走向方向采動(dòng)斷裂角約為52°，震動(dòng)事件主要積聚在距煤層約60～73.7m處粗砂巖和23.8～37.2m處中砂巖內(nèi)。基于非充分采動(dòng)階段走向支承壓力估算模型，結(jié)合微震監(jiān)測揭示的走向圍巖斷裂角約為52°，估算得到即時(shí)加載帶影響下工作面超前支承壓力影響范圍為工作面至前方47.6m，延時(shí)加載帶影響下工作面超前支承壓力影響范圍為工作面前方104.4m，與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果115～120m較為接近。

圖6 3下101工作面微震事件走向剖面圖(m)

3.3 微震監(jiān)測揭示的傾向剖面分布規(guī)律分析

3下101工作面微震事件傾向剖面圖如圖7所示，由圖7可知，工作面運(yùn)輸巷側(cè)震動(dòng)事件呈現(xiàn)明顯裂隙角度發(fā)育，估算角度為72°，首采工作面煤層傾角按照12°進(jìn)行計(jì)算，則采動(dòng)影響下震動(dòng)事件揭示的圍巖破裂角度為60°，雙合煤礦首采工作面平均采深1059m，理論估算下原巖應(yīng)力約為26.47kN，代入式(5)—式(8)計(jì)算得到最大靜載應(yīng)力值為43.27kN，較原巖應(yīng)力增長約63%；另一方面，基于微震監(jiān)測揭示的微震事件主要集中分布在煤層上方60～73.7m處的粗砂巖和23.8～37.2m處的中砂巖內(nèi)，與載荷三帶理論計(jì)算值基本吻合。

圖7 3下101工作面微震事件傾向剖面圖(m)

4 基于煤體相對(duì)應(yīng)力監(jiān)測的超前支承壓力影響范圍分析

為得到采動(dòng)超前支承壓力影響范圍，對(duì)工作面兩巷超前區(qū)域煤體相對(duì)應(yīng)力測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。通過圖8煤體相對(duì)應(yīng)力曲線發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測期內(nèi)測點(diǎn)應(yīng)力未超過6MPa，未出現(xiàn)明顯應(yīng)力突增情況。測點(diǎn)應(yīng)力約在2020年1月9日呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，分析其原因?yàn)樵摐y點(diǎn)開始受到超前支承壓力影響，結(jié)合當(dāng)日進(jìn)尺測點(diǎn)與工作面相對(duì)距離為92m；測點(diǎn)應(yīng)力主要在2020年1月19日出現(xiàn)應(yīng)力突降，結(jié)合現(xiàn)場采掘情況可知當(dāng)日工作面處于回采與停采的銜接時(shí)間；測點(diǎn)應(yīng)力約在2020年2月6日開始呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，分析其原因應(yīng)為采動(dòng)影響下煤層頂板運(yùn)移造成工作面超前范圍內(nèi)煤體應(yīng)力變化；測點(diǎn)應(yīng)力于2020年02月23日開始呈現(xiàn)較大波動(dòng)，測點(diǎn)與工作面相對(duì)距離約30m。

圖8 工作面軌道巷測點(diǎn)32應(yīng)力分布曲線

5 基于工作面擾動(dòng)影響的防沖實(shí)踐

基于上述監(jiān)測與分析，在當(dāng)前地質(zhì)及開采技術(shù)條件下，雙合煤礦在超前支護(hù)范圍和工作面兩巷大直徑鉆孔預(yù)卸壓兩方面進(jìn)行了實(shí)踐。首先，基于理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測確定的工作面超前影響范圍約115～120m，針對(duì)監(jiān)測分析結(jié)果一方面確定了3下101回采工作面超前支護(hù)范圍為120m，另一方面考慮80m額外安全距離情況下，確定了預(yù)防性卸壓鉆孔施工在距工作面200m前完成。上述研究成果為3下101工作面沖擊地壓防治提供了依據(jù)，工作面推采至今，尚未發(fā)生明顯的沖擊顯現(xiàn)，現(xiàn)場治理效果良好。

6 結(jié) 論

1)基于載荷三帶理論模型，結(jié)合雙合煤礦3下101工作面當(dāng)前地質(zhì)及開采技術(shù)條件，得到“ILZ”帶為煤層上方0至37.2m，關(guān)鍵巖層為13.4m中砂巖，“DLZ”帶為煤層上方37.2～73.7m，關(guān)鍵巖層為13.7m粗砂巖，“SLZ”帶為煤層上方73.7m至地表。

2)根據(jù)現(xiàn)場微震監(jiān)測揭示的巖層斷裂角在走向上約為52°，傾向上約為60°。微震事件在垂直方向上，主要集中在距煤層73.7m處13.7m粗砂巖和37.2m處13.4m的中砂巖中，與載荷三帶理論估算較為相近。

3)以80%微震事件分布范圍為標(biāo)準(zhǔn)，通過微震事件平面分析得到微震事件揭示的超前擾動(dòng)影響范圍約為115～120m；以煤層鉆孔應(yīng)力出現(xiàn)上升趨勢時(shí)，測點(diǎn)與工作面相對(duì)距離為擾動(dòng)影響范圍標(biāo)準(zhǔn)，工作面開采擾動(dòng)影響范圍約為92～101m?；谳d荷三帶理論估算的走向支承壓力影響范圍為工作面前方104.4m，與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果較為吻合。

4)基于載荷三帶理論，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析，估算了3下101工作面開采期間支承壓力分布規(guī)律，不但為雙合煤礦首采工作面的沖擊地壓防治提供了依據(jù)，而且為相鄰工作面提供了防治經(jīng)驗(yàn)。