文/曹堅(jiān)正 肖雪峰 張鐵松

開灤礦區(qū)是已有140年開采歷史的老礦區(qū)，采深大，構(gòu)造復(fù)雜，沖擊地壓已經(jīng)成為礦區(qū)的主要災(zāi)害之一。唐山礦位于開平向斜西北翼的西南端，0250工作面位于該礦南五采區(qū)西翼5煤層，埋深697～835m，平均可采厚度為2.8m。唐山礦曾在風(fēng)井煤柱區(qū)邊緣5煤層巷道掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生過(guò)較大沖擊地壓事故，因而，分析研究大采深復(fù)雜條件工作面沖擊地壓的影響因素，制訂有針對(duì)性的防治措施，對(duì)唐山礦安全高效開采具有重要意義，同時(shí)也為同類地質(zhì)條件礦井防治沖擊地壓提供技術(shù)支撐。

一、地質(zhì)影響因素

1.地應(yīng)力場(chǎng)

根據(jù)有關(guān)研究成果，構(gòu)造應(yīng)力型沖擊發(fā)生條件有兩個(gè)判斷依據(jù)：巷道方位或回采工作面方位與最大水平主應(yīng)力方位的夾角a≥70°；滿足最大水平主應(yīng)力σhl≥臨界水平主應(yīng)力σchs。

唐山礦處在開平煤田西南部，該煤田主體構(gòu)造是一組隔檔式褶曲，軸向大致為北東向，成組平行排列，由東至西依次是開平向斜、卑子院背斜、荊各莊向斜、缸窯向斜和車軸山向斜，其中開平向斜規(guī)模最大，是開平煤田的主構(gòu)造，軸向?yàn)?0°～60°。地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明，開平向斜軸部是地應(yīng)力升高區(qū)域，礦區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)類型為大地動(dòng)力型(壓縮區(qū))，地應(yīng)力屬于高地應(yīng)力水平。據(jù)有關(guān)研究表明，地應(yīng)力的增加，為沖擊地壓的發(fā)生提供了動(dòng)力條件和能量來(lái)源。經(jīng)遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)量，唐山礦地應(yīng)力是以水平壓應(yīng)力為主導(dǎo)，井田為大地動(dòng)力型（壓縮區(qū)）。最大主應(yīng)力方位255.14°～266.90°。

地質(zhì)構(gòu)造區(qū)形成的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，使煤巖體構(gòu)造應(yīng)力增加，從而導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。大量沖擊地壓實(shí)踐表明，沖擊地壓常發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造影響范圍內(nèi)。

唐山礦0250工作面揭露8條斷層，其中0250-F3、0250-F6和0250-F8斷層影響較大，工作面內(nèi)存在褶曲，根據(jù)0250工作面地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，構(gòu)成沖擊地壓危險(xiǎn)的主要地質(zhì)構(gòu)造影響因素是斷層和褶曲，采掘作業(yè)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)構(gòu)造影響區(qū)域防沖工作管理。

2.采深

自重應(yīng)力會(huì)隨著采深的增加而升高，煤巖體聚積的彈性能也隨之增加，有分析顯示，采深越大，煤體越易形成發(fā)生沖擊地壓的極限應(yīng)力條件，沖擊地壓發(fā)生的可能性也越大，沖擊地壓發(fā)生時(shí)釋放的能量也會(huì)增加，沖擊地壓強(qiáng)度增強(qiáng)。根據(jù)相關(guān)資料顯示，開灤礦區(qū)唐山礦發(fā)生沖擊地壓的臨界開采深度為540m，0250工作面埋深約697～835m，就埋深而言，0250工作面已具備沖擊地壓發(fā)生的深度條件。

3.煤層及頂?shù)装鍥_擊傾向性鑒定

通過(guò)測(cè)定5煤層煤體沖擊能量指數(shù)、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間、彈性能量指數(shù)、單軸抗壓強(qiáng)度幾個(gè)指標(biāo)，然后進(jìn)行綜合衡量煤的沖擊傾向性，可以認(rèn)為5煤層為弱沖擊傾向性。鑒定結(jié)果如表1所示。

表1 煤層沖擊傾向性鑒定結(jié)果

表中：

DT—?jiǎng)討B(tài)破壞時(shí)間；

WET—彈性能量指數(shù)；

KE—沖擊能量指數(shù)；

Rc—單軸抗壓強(qiáng)度。

經(jīng)測(cè)定，5煤層頂板彎曲能量指數(shù)為UWQ=22.338kJ，大于15kJ、小于120kJ，可以判定，5煤層頂板巖層的沖擊傾向性類別為Ⅱ類，具有弱沖擊傾向性。5煤層底板彎曲能量指數(shù)為UWQ=1.533kJ，小于15kJ，判定5煤層頂板巖層的沖擊傾向性類別為Ⅰ類，無(wú)沖擊傾向性。

4.頂板巖層的結(jié)構(gòu)

頂板巖層結(jié)構(gòu)是造成沖擊地壓發(fā)生的主要因素之一，尤其是煤層上方存在厚層且堅(jiān)硬的頂板。厚層頂板因其厚度大，硬度高，所能夠積聚的能量也就大，一旦頂板達(dá)到極限應(yīng)力發(fā)生破斷、錯(cuò)動(dòng)，其積聚的大量能量極短時(shí)間內(nèi)釋放，就會(huì)誘發(fā)頂板煤層型或者頂板型沖擊地壓。根據(jù)目前研究成果，對(duì)沖擊地壓發(fā)生影響較大的巖層為煤層上方100m范圍內(nèi)的巖層，其中又以巖體強(qiáng)度大、厚度大的砂巖層表現(xiàn)最為明顯。以砂巖為標(biāo)準(zhǔn)的頂板巖層厚度特征參數(shù)：

式中：hi——頂板在100m范圍內(nèi)第i種巖層的總厚度；

ri——所給巖層的弱面遞減系數(shù)。

為了計(jì)算出頂板厚度特征參數(shù)，若將砂巖的弱面系數(shù)和強(qiáng)度系數(shù)定義為1.0，那么煤系地層各巖層的強(qiáng)度比和弱面遞減系數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 煤系地層巖層的強(qiáng)度比和弱面系數(shù)比

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，沖擊地壓常發(fā)生在具有堅(jiān)硬頂板巖層的頂板條件下，且其頂板巖層厚度參數(shù)值為L(zhǎng)st≥50。根據(jù)0250工作面附近鉆孔資料，計(jì)算頂板厚度特征參數(shù)值Lst，計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)表3。

經(jīng)計(jì)算得出頂板厚度特征參數(shù)值為：Lst=Σhiri＝84.34＞50。故煤層頂板巖層覆存狀況對(duì)工作面回采沖擊地壓危險(xiǎn)起到較強(qiáng)的控制作用。根據(jù)表4可知，該工作面頂板厚度特征具備發(fā)生沖擊地壓的條件。

表3 頂板厚度特征參數(shù)值Lst

表4 頂板巖層厚度特征等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

綜上所述，0250工作面上方100m范圍砂巖較多，工作面回采后，頂板巖層的垮斷易釋放較大的彈性能量，對(duì)防沖較為不利。

二、開采影響因素

1.工作面布局的影響

（1）不規(guī)則工作面。調(diào)斜、旋轉(zhuǎn)、不規(guī)則工作面或多個(gè)工作面的開切眼及停采線不對(duì)齊等區(qū)域附近，極易造成局部高度的應(yīng)力集中，沖擊危險(xiǎn)程度急劇升高。

0250工作面有一處“拐彎”區(qū)域，上、下運(yùn)道共有兩個(gè)拐點(diǎn)，容易造成煤巖體產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中，因此，要加強(qiáng)“拐彎”區(qū)域的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果異常時(shí)應(yīng)及時(shí)采取相關(guān)措施。

（2）區(qū)段煤柱寬度。0250工作面南部為0251采空區(qū)，0250工作面與0251工作面區(qū)段煤柱大部分為5m小煤柱，對(duì)沖擊地壓防治有利，但在切眼以外92～180m處與0251工作面采空區(qū)區(qū)段煤柱的寬度在5～12m，不規(guī)則的寬煤柱易積聚大量彈性能，導(dǎo)致沖擊危險(xiǎn)性升高。

（3）切眼外錯(cuò)布置。工作面采用了切眼外錯(cuò)布置，0251工作面切眼側(cè)煤柱容易造成應(yīng)力集中，增加沖擊危險(xiǎn)性。

2.頂板管理方法的影響

沖擊地壓的諸多影響因素中，頂板管理方法也是重要因素之一。頂板巖層的懸、冒、垮、斷，直接關(guān)系到頂板巖層彈性能的釋放形式和傳遞彈性能及應(yīng)力的能力，而且直接關(guān)系到煤體是否受動(dòng)載的影響。動(dòng)載的作用會(huì)增加沖擊地壓發(fā)生的劇烈程度。當(dāng)采用全部垮落法時(shí)，如頂板厚而堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，懸頂而不能及時(shí)垮冒，可能發(fā)生沖擊地壓。

根據(jù)采場(chǎng)上覆巖層三帶理論可知，工作面上覆巖層三帶有垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。其中垮落帶與裂隙帶的高度與巖性有關(guān)，一般軟弱巖層垮落帶與裂隙帶高度為9～10倍采高，中硬巖層為采高的12～18倍，堅(jiān)硬巖層為采高的18～28倍。0251工作面上方多為砂巖頂板，砂巖巖層較硬，垮落帶與裂隙帶高度取18倍采高，機(jī)采高度為3m，所以裂隙帶高度在54m左右。該工作面頂板上方裂隙帶內(nèi)存在兩層厚層砂巖，分別為距離煤層16.71m、厚度為13.83m的粗粒砂巖和距離煤層37.53m、厚度為18.43m的粗粒砂巖。該工作面上方存在厚硬砂巖巖層，懸頂不能及時(shí)垮冒時(shí)，會(huì)誘發(fā)沖擊地壓的發(fā)生，必要時(shí)需采取人工致裂來(lái)處理未能隨采隨冒的頂板，降低工作面的沖擊風(fēng)險(xiǎn)性。

3.底煤的影響

沖擊地壓的理論研究及實(shí)踐表明，當(dāng)沖擊地壓發(fā)生時(shí)，經(jīng)常會(huì)伴隨嚴(yán)重底鼓，而且留厚底煤往往會(huì)促進(jìn)沖擊地壓的發(fā)生。從支護(hù)角度講，底板一般無(wú)支護(hù)，而頂板和巷幫會(huì)進(jìn)行支護(hù)，也導(dǎo)致底板成為全巷道的薄弱區(qū)域。當(dāng)沖擊載荷作用到巷道圍巖上時(shí)，能量會(huì)從最為薄弱的環(huán)節(jié)進(jìn)行突破，必然導(dǎo)致底板的突然破壞。

如果巖石底板本身強(qiáng)度夠高，承載能力大，那么對(duì)沖擊載荷的抵抗效果就會(huì)很明顯。厚底煤對(duì)沖擊地壓發(fā)生的影響主要是底板的強(qiáng)度較低。留厚底煤時(shí)，由于煤體成為了承載主體，在沖擊載荷的作用下，底煤非常容易發(fā)生破壞，尤其具有沖擊傾向性的底煤，由于其本身具備積聚彈性能的屬性，更容易發(fā)生沖擊地壓。

0250工作面巷道設(shè)計(jì)沿底板布置，但由于煤層傾角大，巷道沿煤層走向布置時(shí)一側(cè)會(huì)留設(shè)一定厚度的底煤，最厚時(shí)約有3.2m。5煤本身具有弱沖擊傾向性，在較高的水平應(yīng)力作用下，底煤易積聚彈性能，厚底煤的存在，會(huì)對(duì)底板型沖擊地壓的發(fā)生起到促進(jìn)作用。0250工作面采掘過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)探底煤工作，對(duì)底煤留設(shè)厚度大于1m的區(qū)域進(jìn)行卸壓處理。

4.下層采空區(qū)對(duì)工作面切眼的影響

0250工作面下部為8-9煤層0290工作面采空區(qū)，工作面部分順槽位于下部0290采空遺留煤柱高應(yīng)力影響之下，增加了沖擊危險(xiǎn)性。

三、卸壓與驗(yàn)證

按照沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)0250工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域采用煤層鉆孔卸壓進(jìn)行了預(yù)卸壓，為進(jìn)一步確定卸壓效果，對(duì)0250工作面又進(jìn)行了CT反演。CT反演結(jié)果顯示，通過(guò)前期有針對(duì)性的預(yù)卸壓，工作面應(yīng)力分布狀況有了明顯改變，幾個(gè)重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)域危險(xiǎn)程度得到有效降低。

四、結(jié)論

1.重視研究地應(yīng)力影響

地應(yīng)力作為沖擊地壓發(fā)生的重要?jiǎng)恿?lái)源，應(yīng)當(dāng)予以重視，在采區(qū)、工作面規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮地應(yīng)力影響，根據(jù)最大地應(yīng)力方向優(yōu)化巷道設(shè)計(jì)方向，同時(shí)盡可能規(guī)避構(gòu)造影響區(qū)域。

2.重視頂板特征分析

在現(xiàn)有采深條件下，頂板厚度特征對(duì)沖擊地壓能量積累條件和能量級(jí)別有直接影響，重視頂板特征分析、頂板活動(dòng)規(guī)律研究和成果應(yīng)用，可以有效降低沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)。

3.進(jìn)行針對(duì)性的防沖治理

采掘擾動(dòng)常是引發(fā)沖擊地壓的最后一項(xiàng)動(dòng)力來(lái)源，根據(jù)采掘活動(dòng)安排，進(jìn)行針對(duì)性的重點(diǎn)治理，可以有效減少防治工作量，以便集中力量抓好重點(diǎn)區(qū)域沖擊地壓防治工作。