巴玉龍，曹民遠(yuǎn)，劉 明，徐源山

(國家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830014)

通過對2008—2020年煤礦事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[1]，頂板事故占比最大，表明頂板管理仍然為煤礦安全管理的重點(diǎn)。針對頂板災(zāi)害防治，康紅普院士從煤礦井下地質(zhì)與生產(chǎn)條件、煤炭開采與支護(hù)技術(shù)及裝備、頂板安全管理三方面分析了頂板事故產(chǎn)生原因，提出了采掘區(qū)域圍巖地質(zhì)力學(xué)測試與評(píng)估、巷道與工作面圍巖控制技術(shù)相結(jié)合的頂板防治技術(shù)體系[2-4]；李桂臣[5]、楊雙鎖[6]、侯朝炯[7]等人開展了不同情況下的圍巖變形規(guī)律研究，相繼提出了優(yōu)化巷道布置、改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境、改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、強(qiáng)化圍巖承載結(jié)構(gòu)性能、巷道圍巖協(xié)同控制技術(shù)等方面的巷道強(qiáng)化措施。錢鳴高院士[8，9]提出了關(guān)鍵層理論，為頂板治理提供了具體方法。蔣金泉[10]推導(dǎo)出硬厚巖層破斷能量釋放公式，揭示了硬厚巖層的變形破斷規(guī)律；左建平[11]、汪鋒[12]分別提出了“類雙曲線”模型和“關(guān)鍵層-松散層拱”力學(xué)模型，進(jìn)一步豐富了關(guān)鍵層理論；朱衛(wèi)兵[13]認(rèn)為遠(yuǎn)場關(guān)鍵層“三角板”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是引發(fā)采場出現(xiàn)大周期強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要原因，原富珍[14]采用RFPA-Strata軟件研究了多關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)下不同采厚關(guān)鍵層破斷特征及不同關(guān)鍵層破斷前后支承應(yīng)力響應(yīng)特征。石增柱[15]利用微震監(jiān)測、煤層鉆孔卸壓等監(jiān)測手段，分析其在礦震事件分布及應(yīng)力演化規(guī)律和影響范圍。劉旭東等[16]綜合利用地應(yīng)力測試、煤巖物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)等研究方法確定了近直立煤層沖擊地壓致災(zāi)因素，建立了上分層煤層開采期間的不同微震等級(jí)與沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的內(nèi)在聯(lián)系。張金魁等[17]通過動(dòng)靜載組合控制煤巖動(dòng)態(tài)破壞的普適性理論方法進(jìn)行探究，揭示了高家堡煤礦煤層大巷沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理，明確了動(dòng)靜載復(fù)合應(yīng)力場動(dòng)力災(zāi)害防控途徑。

屯寶煤礦有兩個(gè)生產(chǎn)水平(+850 m水平和+600 m水平)，自上而下回采4個(gè)組合煤層，平均每個(gè)組合煤層厚度為8～11 m。目前回采工作面為+600 m水平首個(gè)綜放工作面，考慮以往開采過程中底鼓、幫鼓變形的問題，給工作面安全生產(chǎn)帶來不利影響，結(jié)合該煤層初次評(píng)價(jià)為沖擊地壓煤層，基于此有必要開展綜放工作面頂板破斷能量聚散特征與防治技術(shù)研究。

1 工程背景

屯寶煤礦位于準(zhǔn)南煤田硫磺溝礦區(qū)西部，礦井目前正在開采+850 m水平，井田內(nèi)自上而下共有4個(gè)復(fù)合煤層，分別為M4-5、M9-10、M14、M15煤層，煤層傾角10°～20°，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采方式。礦井屬于沖擊地壓及高瓦斯礦井，水文地質(zhì)類型中等，所采煤層均屬易自燃煤層。

WII02040501綜放工作面位于+600 m水平M4-5組合煤層，工作面斜長203 m，走向長度1103 m，采高3.2 m，放煤厚度為6.3 m，工作面傾角為18°。如圖1所示，工作面布置2條巷道：上部為軌道輔助運(yùn)輸巷，兼具回風(fēng)功能；下部為主運(yùn)輸巷，兼具進(jìn)風(fēng)功能。沿開切巷傾斜方向，上部為已回采的1141(2)綜放工作面，下部為WII02040502備采工作面，中間均由預(yù)留煤柱隔開；沿著煤層分布垂直方向，上部為頂板巖石，下方的M9-10組合煤層未開采。

圖1 回采工作面周邊位置關(guān)系

2 誘沖巖層確定及能量聚散特征研究

2.1 頂板關(guān)鍵層確定

采動(dòng)覆巖空間結(jié)構(gòu)具有代表性的是錢鳴高院士提出的“砌體梁”和“關(guān)鍵層”理論[18]，所謂關(guān)鍵層即在采場上覆巖層中對巖體活動(dòng)全部或局部起控制作用的巖層，其中將可以控制該巖層上位部分巖層運(yùn)動(dòng)的稱為亞關(guān)鍵層；將可以控制該巖層上位巖層全局運(yùn)動(dòng)的稱為主關(guān)鍵層[19]。

根據(jù)關(guān)鍵層理論[8]，關(guān)鍵層判定必須滿足強(qiáng)度和剛度兩個(gè)條件，當(dāng)工作面頂板共有m層巖石，當(dāng)煤層第i層為關(guān)鍵層時(shí)，其剛度條件和強(qiáng)度條件應(yīng)滿足以下條件[19]：

li+1>li(2)

式中，Ei為第i層(i=1，2，……n；n

在滿足式(1)和式(2)前提下，當(dāng)n=m時(shí)，則判定巖層i為主關(guān)鍵層；當(dāng)n

圖2 關(guān)鍵層分布

2.2 誘沖關(guān)鍵層判識(shí)及能量釋放分析

2.2.1 理論基礎(chǔ)

研究結(jié)果表明[20]頂板巖層結(jié)構(gòu)，特別是煤層上部關(guān)鍵巖層一般具有較厚及單軸抗壓強(qiáng)度較高等特殊屬性易積聚大量彈性能，當(dāng)關(guān)鍵層破斷及滑移過程中會(huì)伴隨大量能量釋放，是礦井沖擊地壓產(chǎn)生的主要原因。而不同的關(guān)鍵層產(chǎn)生的沖擊能量不同，對工作面沖擊危害程度也不同，將破斷產(chǎn)生能量大于煤巖體沖擊地壓發(fā)生臨界能量的關(guān)鍵層稱為誘沖關(guān)鍵層。

2.2.2 誘沖關(guān)鍵層判定

WII02040501綜放工作面位于M4-5組合煤層中，煤層頂板由粉砂巖、細(xì)砂巖構(gòu)成，局部見少量中砂巖、泥巖，平均單軸抗壓強(qiáng)度為43.4 MPa，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，煤層頂板裂隙帶計(jì)算公式為：

式中，Hl為頂板裂隙帶高度，m；∑M為累計(jì)采厚，取10.3 m(含夾矸0.8 m)。

為避免遺漏按最大值計(jì)算出工作面上部裂隙帶高度106.2 m。則WII02040501綜放工作面回采期間頂板裂隙層帶分布關(guān)鍵層3個(gè)，分別為亞關(guān)鍵層一、亞關(guān)鍵層二和亞關(guān)鍵層三。

煤巖體內(nèi)的彈性能由體變彈性能Uv、形變彈性能Ut和頂板彎曲彈性能Uw組成，則周期來壓期間關(guān)鍵層破斷及失穩(wěn)過程中釋放的彈性能U0為：

U0=Uv+Ut+Uw(6)

Ut=[(1-2μ)(1-2λ)2/6E]γ2H2(7)

式中，λ為平均水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值，實(shí)測值為1.87；γ為上覆巖層的容重，取25000 N/m3；H為上覆巖層厚度，m。

Uw=q2L5/8EI(8)

q=(1+a)γH(9)

式中，a為周期來壓階段的應(yīng)力集中系數(shù)，取1.2；E為頂板巖層的彈性模量，GPa；I為頂板巖層斷面的慣性矩，I=bH3/12，其中，H為頂板巖層覆巖厚度，m，b為寬度，m；L為頂板巖層的破斷長度，m。

忽略頂板運(yùn)動(dòng)加速度影響，可計(jì)算出回采工作面頂板裂隙帶自下而上關(guān)鍵層的彈性能分別為7.80×107，3.06×107，7.50×106J。覆巖關(guān)鍵層斷裂以后，能量以震動(dòng)波形式傳遞到采掘工作面過程中會(huì)發(fā)生耗散，到達(dá)工作面的能量為Uf=U0×l-λ，其中，l為震源至工作面的距離，λ為能量衰減系數(shù)[21]，根據(jù)礦井煤巖特性，工作面上部頂板巖性以砂巖為主，巖體較為完整，本研究能量衰減系數(shù)選擇1.6。經(jīng)計(jì)算可知三個(gè)關(guān)鍵層破斷及位移產(chǎn)生的彈性能到達(dá)WII02040501綜放工作面衰減后的能量分別為U1=7.80×107J，U2=3.13×105J，U3=3.68×104J。沖擊地壓發(fā)生的臨界能量指標(biāo)Ukmin=1/2ρv02，其中v0為10 m/s，ρ為煤體密度，計(jì)算出Ukmin=6.65×104J。因亞關(guān)鍵層一和亞關(guān)鍵層二破斷過程中產(chǎn)生的能量已達(dá)到發(fā)生沖擊地壓的最小能量，因此認(rèn)定亞關(guān)鍵層一和亞關(guān)鍵層二為WII02040501綜放工作面誘沖關(guān)鍵層。

2.3 微震監(jiān)測確定誘沖巖層

以WII02040501綜放工作面回采期間的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對象，選取2021年1月17日至2022年5月23日回采期間共9477個(gè)微震數(shù)據(jù)進(jìn)行剖面定位，WII02040501綜放工作面回采期間微震主要分布于煤層上覆100 m范圍，破斷高度基本與計(jì)算的裂隙高度相符。WII02040501綜放工作面誘沖關(guān)鍵層為亞關(guān)鍵層一和亞關(guān)鍵層二，分別位于距工作面底板9.5～17.5 m、27.0～37.2 m范圍的粉砂巖和粗砂巖中，關(guān)鍵層破斷會(huì)產(chǎn)生較大的能量，而工作面微震事件剖面圖中104J及以上的能級(jí)事件大部分分布上覆50 m范圍，判斷該處大能量事件富集的主要原因?yàn)閮蓚€(gè)關(guān)鍵層破斷運(yùn)動(dòng)造成的，因此需要針對性的對該層位巖層進(jìn)行斷頂或預(yù)卸壓。

3 頂板能量聚散控制實(shí)踐

3.1 工程實(shí)踐方案

為消除頂板破斷及位移產(chǎn)生能量對回采工作面的沖擊影響，徹底消除頂板的支撐作用，采用兩巷切頂爆破以及軌道巷煤柱體爆破預(yù)裂相結(jié)合的措施。切頂孔參數(shù)為：鉆孔均垂直于巷幫向煤柱側(cè)施工，鉆孔孔徑為?75 mm，間距為10 m，其中軌道巷布置鉆孔2個(gè)/組，孔長分別為42.5，37.5 m；膠帶巷布置鉆孔1個(gè)/組，孔長45 m。煤體爆破孔參數(shù)為：在軌道巷垂直于巷幫向煤柱體施工，孔徑為?75 mm，間距為10 m，每組施工鉆孔2個(gè)，仰角分別為36°和26°，孔長為26.5 m和23.5 m。爆破采用礦用三級(jí)乳化基質(zhì)炸藥，黃土封堵。根據(jù)工作面圍巖應(yīng)力計(jì)實(shí)測結(jié)果，回采期間WII02040501綜放工作面工作面超前應(yīng)力峰值約20 m，超前采動(dòng)影響范圍約40 m，主運(yùn)輸巷圍巖應(yīng)力曲線如圖3所示。為提高爆破卸壓效果，超前工作面100 m范圍進(jìn)行預(yù)爆破。經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)有的爆破鉆孔參數(shù)能覆蓋兩個(gè)誘沖關(guān)鍵層，回采工作面切頂預(yù)卸壓工程布置方案如圖4所示。

圖3 主運(yùn)輸巷圍巖應(yīng)力曲線

圖4 回采工作面切頂預(yù)卸壓工程布置方案

3.2 工程效果檢驗(yàn)

為驗(yàn)證切頂工程實(shí)施效果，特采取鉆孔窺視及平均周期來壓距離判定的方法，選擇的時(shí)間段內(nèi)回采工作面不存在斷層且兩巷卸壓工程均按設(shè)計(jì)要求超前施工，排除地質(zhì)等因素的影響。

為驗(yàn)證切頂效果，特選擇切頂前后進(jìn)行對比分析，為減少干擾因素，選擇的兩段工作面長度均為60 m，回采時(shí)間基本上為1月左右。切頂卸壓后，101J及以上能級(jí)微震頻次由634次減少至530次，降低了19.6%；其中103J及以上能級(jí)事件降低最為明顯，由44次減少至18次，降低達(dá)144.4%，表明切頂卸壓后工作面圍巖沖擊風(fēng)險(xiǎn)明顯降低；同時(shí)切頂工程破壞了工作面前方圍巖結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)工作面頂板向采空區(qū)側(cè)轉(zhuǎn)移，造成工作面前方的微震事件大大減少，且分布較為均勻，如圖5、圖6所示。

圖5 切頂前工作面微震事件分布曲線

圖6 切頂后工作面微震事件分布曲線

WII02040501綜放工作面每隔10副支架安裝1組支架傳感器，累計(jì)安裝12臺(tái)。通過對爆破前后12個(gè)支架傳感器平均工作阻力統(tǒng)計(jì)分析，如圖7所示，卸壓爆破工程開展后，工作面平均周期來壓步距由24.3 m降低至9.7 m，來壓時(shí)液壓支架平均工作阻力由8973 kN降低至7458 kN，工作面來壓時(shí)平均工作阻力波動(dòng)相對平穩(wěn)，呈現(xiàn)出明顯的效果。

圖7 回采工作面支架平均工作阻力曲線

4 結(jié) 論

1)理論分析得到WII02040501綜放工作面覆巖賦存6個(gè)亞關(guān)鍵層和1個(gè)主關(guān)鍵層，計(jì)算出WII02040501綜放工作面頂板裂隙帶3個(gè)亞關(guān)鍵層破斷、位移產(chǎn)生的彈性能，結(jié)果表明亞關(guān)鍵層一和亞關(guān)鍵層二是誘沖關(guān)鍵層，且因亞關(guān)鍵層一因傳導(dǎo)到工作面能量較大，尤其需要重點(diǎn)防治。

2)通過對不同能級(jí)微震事件的空間位置分布研究，微震事件集中分布在距底板100 m以下，104J能級(jí)及以上微震事件集中分布在距工作面底板50 m以下范圍，表明該層位頂板破斷產(chǎn)生能量相對集中，驗(yàn)證了誘沖關(guān)鍵層計(jì)算結(jié)果。

3)通過對比分析爆破前后工作面微震事件及支架壓力變化來驗(yàn)證采取的切頂工程有效性，結(jié)果表明，采取切頂工程后兩個(gè)誘沖關(guān)鍵層基本實(shí)現(xiàn)了與回采同步破斷，消除了工作面應(yīng)力顯現(xiàn)安全隱患，現(xiàn)有措施能夠滿足工作面頂板防治需要。