張振金，杜濤濤

（1.內(nèi)蒙古伊泰集團有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京100013；3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013）

我國沖擊地壓發(fā)生類型、發(fā)生條件復(fù)雜多變，沖擊地壓礦井數(shù)量達到歷史新高，沖擊地壓研究[1-9]也取得了大量成果。隨著開采深度的增加，我國沖擊地壓礦井逐步進入深部開采，但深部礦井沖擊地壓研究主要集中在深部大采高工作面支承壓力[10]、區(qū)段煤柱留設(shè)[11]、開采技術(shù)等方面研究，沖擊地壓防治研究比較少，針對深部厚煤層大采高工作面沖擊地壓的典型條件，具有一定的研究意義。

紅慶河煤礦開采深度大，普遍超過700 m，煤層厚度大，開采強度高，尤其是煤層上方大都存在1 層或多層厚度達數(shù)十米的厚層完整巖層。開采過程中高位厚層堅硬頂板懸頂面積大，容易造成局部應(yīng)力集中，其突然斷裂更是瞬間釋放強烈動載，極易造成災(zāi)害性沖擊地壓事故，甚至波及地表，引起地表強烈震動，危害極大。同時，區(qū)段寬煤柱對采空區(qū)起到了支承作用，進一步影響了頂板的充分垮落，導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生頻次更高、強度更大，給礦井生產(chǎn)帶來了嚴重的沖擊致災(zāi)隱患，為此，針對這種情況開展研究。

1 工程背景

1.1 工作面概況

紅慶河井田位于東勝煤田的南緣東部，其構(gòu)造形態(tài)與區(qū)域含煤地層構(gòu)造形態(tài)一致，總體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角一般1°～3°，煤層平均厚度6.53 m，采用綜合機械化采煤工藝。

紅慶河煤礦3-1103 綜采工作面位于紅慶河井田3-1煤南翼，走向長度2 479 m，傾向長度為210 m。3-1103 工作面一側(cè)為3-1101 采空區(qū)一側(cè)為實體煤，兩工作面之間區(qū)段煤柱為64 m，3-1103 輔運1 位于煤柱中，工作面相對位置關(guān)系如圖1。

圖1 3-1103 工作面布置示意圖Fig.1 3-1103 working face layout

紅慶河煤礦3-1煤屬于Ⅲ類，為具有強沖擊傾向性的煤層。頂板巖層屬于Ⅱ類，為弱沖擊傾向性的頂板巖層，底板巖層屬于Ⅱ類，為弱沖擊傾向性的底板巖層。地形呈西北高、東南低的斜坡狀，最高點位于蘭家圪卜四隊東北處，海拔標高為1 516.8 m；最低點位于勘探區(qū)東南部邊緣喇嘛廟河?xùn)|渠內(nèi)，海拔標高為1 298.9 m，煤層平均埋深700 m 以上。

1.2 沖擊地壓顯現(xiàn)特征

2018 年11 月30 日，工作面機尾至超前工作面345.3 m 的3-1103 新輔運巷發(fā)生不同程度的顯現(xiàn)，7#～13#號垛架兩側(cè)均有輕微底鼓現(xiàn)象，底鼓量在100～300 mm，14#垛架靠回采側(cè)底鼓嚴重；超前工作面102～343.3 m 巷道中間偏回采幫底板鼓起，鼓起高度在0.3～3 m。沖擊顯現(xiàn)發(fā)生時，伴隨著能量為4.5×106J 震動，沖擊顯現(xiàn)發(fā)生位置如圖2。綜上，紅慶河煤礦沖擊地壓顯現(xiàn)具有以下特征：1）沖擊顯現(xiàn)強烈。沖擊發(fā)生時，伴隨強烈聲響，有時震感強烈，現(xiàn)場有強烈氣流，造成的破壞更嚴重。

圖2 沖擊顯現(xiàn)發(fā)生位置Fig.2 Location of occurrence of rock burst

2）沖擊破壞范圍大。礦井沖擊顯現(xiàn)破壞最大范圍達300 m，較常見沖擊地壓礦井破壞范圍更大。

3）發(fā)生在鄰空巷道。礦井沖擊顯現(xiàn)位置、震動頻繁發(fā)生的區(qū)域主要集中在鄰空巷道，具有典型的沖擊危險位置特征。

2 深部雙煤柱巷道沖擊地壓發(fā)生機制

2.1 沖擊地壓發(fā)生的靜載荷演化過程

2.1.1 基礎(chǔ)靜載荷

研究表明[1]，影響沖擊地壓發(fā)生的因素包括地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素，重點分析其特殊條件。

根據(jù)一采區(qū)鉆孔鉆孔資料，埋深為675～749 m，平均埋深為712 m。垂直應(yīng)力計算公式為：

式中：σv為最大水平應(yīng)力，MPa；ρ 為上覆巖層密度，取2.5 t/m3；H 為埋深，m。

計算煤層的垂直應(yīng)力為17.8 MPa。

根據(jù)實測擬合曲線，礦井最大水平主應(yīng)力與埋深的關(guān)系為：

式中：σH為最大水平應(yīng)力，MPa；H 為埋深，m。

經(jīng)計算最大水平應(yīng)力為21.1 MPa。

綜上，紅慶河煤層埋深大，具有較高的靜載荷基礎(chǔ)水平，沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力條件更易滿足。

2.1.2 演化過程

采取深淺2 個鉆孔應(yīng)力計進行監(jiān)測，研究工作面應(yīng)力演化規(guī)律，布置深度分別為7、14 m。典型煤體應(yīng)力演化曲線如圖3。

圖3 典型煤體應(yīng)力演化曲線Fig.3 Stress evolution curves of typical coal body

通過監(jiān)測表明，3-1103 工作面監(jiān)測表明超前影響范圍55.5～407.3 m，峰值位置超前工作面19.9～184.6 m，應(yīng)力集中系數(shù)1.1～4.52，受采動與側(cè)向采空區(qū)影響和疊加作用，影響范圍廣，應(yīng)力集中程度高。

2.1.3 雙寬煤柱留設(shè)的影響

3-1101 工作面與3-1103 工作面之間布置有2 個30 m 寬的煤柱，3-1103 工作面區(qū)段煤柱留設(shè)情況如圖4。煤柱對沖擊地壓的影響主要體現(xiàn)煤柱形成的高應(yīng)力集中及煤柱形成的空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)影響。

圖4 3-1103 工作面區(qū)段煤柱留設(shè)情況Fig.4 3-1103 working face section coal pillar reservation

根據(jù)3-1103 工作面實際尺寸和煤巖材料參數(shù)建立了數(shù)值模型，雙煤柱應(yīng)力演化曲線如圖5。由圖5可知，3-1103 工作面?zhèn)认蛎褐鶇^(qū)煤層的垂直受力演化規(guī)律具有顯著差異性。

圖5 雙煤柱應(yīng)力演化曲線Fig.5 Stress evolution curves of double coal pillar

隨著3-1103 工作面開挖步數(shù)增加，外側(cè)煤柱垂直應(yīng)力先后呈現(xiàn)出“內(nèi)高外底-內(nèi)外同高-內(nèi)低外高”的演化規(guī)律，并最終維持在30～45 MPa。

內(nèi)側(cè)煤柱則呈現(xiàn)為不斷增高的趨勢，最終穩(wěn)定值約為24～30 MPa；新輔運內(nèi)側(cè)實體煤在原巷道側(cè)向支承壓力的基礎(chǔ)上疊加了采空區(qū)側(cè)向支承壓力，最終穩(wěn)定峰值應(yīng)力約為23 MPa。

綜上分析可知，深部雙煤柱引起3-1103 新輔運靜載荷的組成包括基礎(chǔ)載荷ρgH、采動應(yīng)力（1.1～4.5）ρgH 及煤柱的側(cè)向應(yīng)力（1.4～1.8）ρgH，疊加后的靜載荷達到垂直應(yīng)力的1.4～4.5 倍，靜載荷達到24.9～80.1 MPa，煤體的單軸抗壓強度為29.56 MPa，超過煤體破壞強度，接近或超過煤體發(fā)生沖擊地壓的臨界載荷。

2.2 沖擊地壓發(fā)生的動載荷演化過程

2.2.1 厚層頂板巖層結(jié)構(gòu)

通過對一采區(qū)的鉆孔進行分析，煤層上方賦存厚度較大的復(fù)合砂巖層，由砂粒膠結(jié)而成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。工作面回采過程，煤層上方數(shù)十米厚的復(fù)合砂巖層不會及時垮落充填采空區(qū)，對上方巖層起到支撐作用。頂板不能及時垮落，但頂板會發(fā)生彎曲變形，這個過程中巖體中儲存了大量的彈性能，彈性能一旦釋放，容易造成工作面沖擊。18-13 鉆孔頂板巖層分布見表1。

2.2.2 鄰近采空區(qū)巖層滯后破斷

3-1101 采空區(qū)不充分垮冒下沉曲線如圖6。現(xiàn)場實測表明，相鄰采空區(qū)3-1101 未實現(xiàn)充分垮冒。

實踐表明，3-1103 工作面沖擊地壓危險受鄰近采空區(qū)的空間結(jié)構(gòu)影響顯著，不僅引起煤體應(yīng)力高應(yīng)力集中，而且由于巖層不充分垮冒，滯后垮冒過程，巖層空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)-再次平衡過程將以動載形式作用到煤體，加劇煤體應(yīng)力集中，沖擊危險性升高。

表1 18-13 鉆孔頂板巖層分布Table 1 Distribution of roof strata in borehole 18-13

圖6 3-1101 采空區(qū)不充分垮冒下沉曲線Fig.6 3-1101 goaf insufficient caving subsidence curve

能級＞104J 微震事件分布統(tǒng)計如圖7。微震監(jiān)測表明，3-1101 采空區(qū)尚未充分垮冒，采動影響擾動下，誘發(fā)采空區(qū)及煤柱區(qū)域大量微震事件產(chǎn)生，大能量事件占比大，進一步揭示圍巖破斷不充分，存在滯后性。

圖7 能級＞104 J 微震事件分布統(tǒng)計Fig.7 Distribution statistics of micro-seismic events（＞104 J）

2.2.3 覆巖活動不均衡影響

紅慶河煤礦沖擊地壓發(fā)生所需的動載，主要是圍巖活動過程產(chǎn)生，通過微震監(jiān)測揭示動載產(chǎn)生的區(qū)域發(fā)生規(guī)律。傾向區(qū)域劃分如圖8。沿傾向?qū)?-1101和3-1103 工作面進行分區(qū)，3-1101 采空區(qū)劃分了區(qū)域I和區(qū)域II，每個區(qū)域范圍60 m；區(qū)域III 為煤柱區(qū)域，區(qū)域IV～區(qū)域VII 按60 m 間距把3-1103 進行分區(qū)。

圖8 傾向區(qū)域劃分Fig.8 Regional division of tendency

傾向分區(qū)圍巖活動變化曲線如圖9。沿傾向分區(qū)，微震事件統(tǒng)計表明，3-1103 工作面回采期間圍巖活動主要集中在煤柱區(qū)域（區(qū)域III）和新輔運回采側(cè)60 m 范圍（區(qū)域IV），揭示了圍巖活動受臨空影響在傾向方向具有顯著的分區(qū)特征。

圖9 傾向分區(qū)圍巖活動變化曲線Fig.9 Activity curves of surrounding rock in tendency zone

2.3 深部雙煤柱巷道沖擊地壓發(fā)生機制

根據(jù)上述分析，3-1103 新輔運巷道煤巖體形成了高應(yīng)力集中，接近沖擊地壓發(fā)生的臨界應(yīng)力條件，隨著工作面推進，巖層厚度劇烈變化的區(qū)域，巖層滯后破斷，巖層則發(fā)生彎曲下沉，使煤體應(yīng)力集中達到?jīng)_擊地壓發(fā)生的臨界應(yīng)力條件，則沖擊地壓發(fā)生，或者滯后破斷的巖層結(jié)構(gòu)突然破斷，以強動載的形式作用至煤巖體，誘發(fā)沖擊地壓顯現(xiàn)。沖擊地壓發(fā)生機制示意圖如圖10。

圖10 沖擊地壓發(fā)生機制示意圖Fig.10 Schematic diagram of mechanism of rock burst

而根據(jù)覆巖活動不均衡性，以及巖層滯后垮冒觀測、微震監(jiān)測等綜合表明，3-1101 采空區(qū)上覆的巖層滯后破斷，破斷過程產(chǎn)生大量的高能微震事件在區(qū)域II，該過程則揭示了3-1101 采空區(qū)滯后破斷的巖層的失穩(wěn)，但距離3-1103 新輔運距離較遠，能量衰減快，未造成3-1103 新輔運發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)，但隨著煤柱上方的三角結(jié)構(gòu)向煤柱內(nèi)部破壞失穩(wěn)，釋放彎曲下沉過程積聚的彈性能，引起煤柱的煤體應(yīng)力升高，巖層的應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，由于破壞產(chǎn)生的位置距離3-1103 工作面更近，能量釋放對3-1103 工作面影響明顯增強，造成現(xiàn)場強烈顯現(xiàn)的高能量事件離新輔運巷更近，從而誘發(fā)具有高應(yīng)力集中的煤巖體失穩(wěn)，引起沖擊地壓顯現(xiàn)發(fā)生。

沖擊地壓發(fā)生前煤體應(yīng)力演化過程如圖11。動載誘發(fā)煤體應(yīng)力突然升高過程如圖12。

圖11 沖擊地壓發(fā)生前煤體應(yīng)力演化過程Fig.11 Stress evolution process of coal before rock burst

圖12 動載誘發(fā)煤體應(yīng)力突然升高過程Fig.12 Sudden increase process of coal stress induced by dynamic load

2018 年11 月30 日沖擊地壓發(fā)生前約1 個月，煤體應(yīng)力不斷升高，至沖擊地壓顯現(xiàn)發(fā)生時，最大應(yīng)力集中程度達到近5 倍，表明煤巖體應(yīng)力集中程度接近沖擊地壓發(fā)生的臨界應(yīng)力。

通過微震及煤體應(yīng)力監(jiān)測表明，2018 年11 月30 日沖擊地壓發(fā)生是由于煤體頂板突然失穩(wěn)破斷釋放的高能量作用下煤巖體應(yīng)力突然升高超過發(fā)生沖擊地壓臨界應(yīng)力，引發(fā)的沖擊顯現(xiàn)的過程。

3 結(jié) 論

1）紅慶河煤礦沖擊地壓發(fā)生具有沖擊顯現(xiàn)強烈、沖擊破壞范圍大、發(fā)生在臨空巷道、沖擊致災(zāi)因素復(fù)雜。

2）分析了影響靜載荷的埋深、雙寬煤柱留設(shè)和采動影響，以及影響動載的厚層頂板巖層結(jié)構(gòu)和垮冒不充分的相鄰采空區(qū)。

3）深部雙煤柱的基礎(chǔ)載荷、采動應(yīng)力及煤柱的側(cè)向應(yīng)力，疊加后的靜載荷達到垂直應(yīng)力的1.4～4.5倍，靜載荷達到24.9～80.1 MPa，接近或超過煤體發(fā)生沖擊地壓的臨界載荷。

4）煤柱上方的三角結(jié)構(gòu)向煤柱深部破壞失穩(wěn)，釋放彎曲下沉過程積聚的彈性能，引起煤柱的煤體應(yīng)力升高，巖層的應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，破壞位置距離3-1103 工作面越來越近，從而誘發(fā)具有高應(yīng)力集中的煤巖體失穩(wěn)，引起沖擊地壓顯現(xiàn)發(fā)生。