王建輝，閆耀東，張永濤，汪海平，趙 森，郝電偉

(1.陜西彬長(zhǎng)大佛寺礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

隨著當(dāng)前國(guó)內(nèi)井工開采礦井的采掘強(qiáng)度及深度的逐漸增加，沖擊地壓?jiǎn)栴}日益凸顯，沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)[1-6]。然而現(xiàn)有的防治沖擊地壓的手段如頂板預(yù)裂爆破、煤層爆破卸壓等措施受制于當(dāng)前裝備與技術(shù)水平，卸壓手段作為一種局部范圍的保守防范方法，存在卸壓效果時(shí)效性明顯、卸壓范圍有限、對(duì)煤體及支護(hù)破壞嚴(yán)重的問題，難以從根本上消除沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)[7-9]。區(qū)域防范方法是對(duì)井田或采區(qū)范圍內(nèi)大的應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，可以從根本上解決沖擊地壓的發(fā)生問題，保護(hù)層開采屬于區(qū)域防范的一種手段[10-12]。

對(duì)于保護(hù)層開采的研究主要集中在防治煤與瓦斯突出領(lǐng)域[13-15]，在沖擊地壓防治領(lǐng)域近年來開展深入研究。姜福興[16]根據(jù)理論結(jié)合實(shí)際的方法，分析了局部保護(hù)層的寬度與被保護(hù)層寬度之間的關(guān)系，提出局部保護(hù)層開采的減壓機(jī)理；朱月明[17]以木城澗礦大臺(tái)井急傾斜保護(hù)層開采為研究對(duì)象，分析了保護(hù)層開采裂隙帶發(fā)育及卸壓范圍；沈榮喜[18]對(duì)七臺(tái)河礦區(qū)煤層群特點(diǎn)研究了近距離保護(hù)層開采防治沖擊地壓的機(jī)理與技術(shù)；雷武林[19]以葫蘆素煤礦近距離煤層群上保護(hù)層為研究背景，分析了保護(hù)層對(duì)下伏煤巖的卸壓防沖效應(yīng)；潘俊鋒[20]以華豐礦4層煤與6層煤數(shù)值模擬及實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了保護(hù)層開采在防治沖擊地壓方面具有良好效果，同時(shí)也指出保護(hù)層內(nèi)留設(shè)煤柱對(duì)于被保護(hù)層開采時(shí)沖擊地壓的防治具有不利影響，也是本文研究的出發(fā)點(diǎn)，探討保護(hù)層開采上覆遺留煤柱影響區(qū)的沖擊危險(xiǎn)性。

1 工作面概況

大佛寺煤礦40201工作面是402采區(qū)北翼布置的第一個(gè)綜放工作面，40201工作面走向長(zhǎng)1610 m，傾向300 m，工作面布置如圖1所示。

該工作面西部4煤為實(shí)體煤，4上煤為41203工作面采空區(qū)；東部4煤為401采區(qū)內(nèi)40105、40107、40109、40111工作面采空區(qū)，40201工作面距401采區(qū)內(nèi)各工作面采空區(qū)留設(shè)的煤柱寬度分別為56，51，52和55 m，4上煤為41103、41104、41105、41106工作面采空區(qū)；北部為405采區(qū)邊界；南部為4煤開拓大巷；工作面上方為41201、41203采空區(qū)以及兩工作面間區(qū)段煤柱。40201運(yùn)輸巷道與41201運(yùn)輸巷道錯(cuò)距16 m，40201回風(fēng)巷道與41203運(yùn)輸巷道錯(cuò)距16 m，40201切眼內(nèi)錯(cuò)41201切眼18 m。工作面設(shè)計(jì)終采線距4煤西部2#輔運(yùn)大巷188 m，可采長(zhǎng)度1422 m。

根據(jù)40201工作面附近D61鉆孔資料可知，煤層上方30 m存在單層厚度為10.21 m的粉砂巖。煤體被采出后，直接頂隨工作面的推進(jìn)不斷垮落，而上部厚硬頂板懸而不垮，將傳遞上覆巖層的重力至工作面前方及側(cè)向煤體，相應(yīng)地產(chǎn)生超前及側(cè)向支承壓力，支承壓力作用范圍內(nèi)煤巖層的彈性能水平顯著提高，沖擊危險(xiǎn)性增大。之后厚硬頂板在破斷過程或滑移過程中，懸空頂板積聚的大量彈性能突然釋放，將形成強(qiáng)烈的動(dòng)載荷，導(dǎo)致沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。

2 沖擊地壓發(fā)生主控因素及微震分布特征

2.1 主控因素分析

1)工作面見方垮落影響。工作面采空區(qū)見方垮落一般是指當(dāng)工作面的推進(jìn)距離和采空區(qū)寬度大致相等時(shí)，采空區(qū)上覆某一巖層(組)的初次整體垮落。見方垮落時(shí)頂板運(yùn)動(dòng)劇烈，易導(dǎo)致采掘巷道礦壓顯現(xiàn)異常，甚至誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害[21]。40201工作面單面見方范圍與Fx斷層及F1斷層存在重疊，當(dāng)40201工作面回采推進(jìn)至該區(qū)域時(shí)，沖擊潛在風(fēng)險(xiǎn)極大。

2)構(gòu)造應(yīng)力的影響。斷層影響區(qū)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理如圖2所示[22]，由圖2(a)可知，隨著工作面回采靠近Fx及F1斷層時(shí)，超前支承壓力σ1的前移受阻與斷層影響區(qū)的集中應(yīng)力σ2疊加，致使采場(chǎng)覆巖壓力大都作用在當(dāng)前工作面與斷層面之間的煤體上形成疊加應(yīng)力σ3，該處煤體內(nèi)支承壓力大幅增加。同時(shí)斷層構(gòu)造區(qū)域存在著地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，在較高支承壓力和構(gòu)造應(yīng)力異常的雙重作用下，斷層帶附近煤巖體發(fā)生沖擊的可能性將會(huì)顯著加大，工作面回采擾動(dòng)對(duì)斷層活化起到促進(jìn)作用，斷層活化帶來的動(dòng)載擾動(dòng)反作用于疊加后的高應(yīng)力集中區(qū)從而誘發(fā)沖擊啟動(dòng)，斷層構(gòu)造應(yīng)力影響區(qū)域存在較高沖擊危險(xiǎn)性。

圖2 斷層影響區(qū)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

3)上覆遺留煤柱影響。40201工作面平均開采深度約475 m，已達(dá)到發(fā)生沖擊地壓的臨界深度。該工作面上覆41201工作面平均開采深度約455 m，兩工作面隔厚5～30 m，鑒于上下煤層之間的影響關(guān)系，在下煤層回采巷道的布置過程中，回采巷道位置的選擇主要取決于上煤層煤柱的應(yīng)力影響情況。在巷道的內(nèi)錯(cuò)布置方案中，定義上煤層巷道與下煤層巷道之間的水平距離為內(nèi)錯(cuò)距，用來衡量多煤層開采時(shí)下層煤回采巷道的布置位置。內(nèi)錯(cuò)距作為近距離煤層開采過程中一個(gè)重要的參量，對(duì)下煤層巷道布置有著至關(guān)重要的影響。

根據(jù)礦山壓力傳遞規(guī)律，上煤層區(qū)段煤柱所形成支承壓力在底板巖層內(nèi)將有一定的傳遞范圍，且隨遠(yuǎn)離煤層而逐漸衰減，支承壓力沿水平方向在底板巖層中的傳播規(guī)律是與煤柱邊界線法線成一定夾角的范圍內(nèi)向外擴(kuò)展。因此，40201工作面巷道必須布置在支承壓力影響線之外，才能避開4上煤遺留煤柱集中應(yīng)力的影響。

40201工作面巷道與4上煤煤柱錯(cuò)距計(jì)算如圖3所示，40201工作面巷道內(nèi)錯(cuò)距離Ln為：

圖3 40201工作面巷道與4上煤煤柱錯(cuò)距計(jì)算

Ln≥(h1+h2)tanφ

式中，Ln為4上煤區(qū)段煤柱邊界與40201工作面巷道的水平間距，m；φ為應(yīng)力傳播影響角，近水平煤層角度取15°；h1為4上煤與40201工作面間巖層厚度，取5～30 m；h2為40201工作面煤層厚度，取7.5 m。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)煤層間距為5.5 m時(shí)，計(jì)算得Ln≥3.48 m；當(dāng)煤層間距為30 m時(shí)，計(jì)算得Ln≥10.05 m。

受4上煤遺留煤柱影響40201工作面回采巷道布置在煤柱線外16 m，根據(jù)理論計(jì)算推測(cè)回風(fēng)巷道并未位于上覆遺留煤柱直接影響區(qū)域內(nèi)，但在工作面實(shí)際生產(chǎn)中仍具有一定的沖擊危險(xiǎn)性，如圖4所示。

圖4 40201工作面多因素耦合沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域

2.2 微震事件分布特征

40201工作面回采大部分區(qū)域處于41201工作面采空區(qū)之下，上保護(hù)層沿傾向方向的剖面如圖5所示，圖中，H為地表至上保護(hù)層的距離，m；h為上保護(hù)層至被保護(hù)層的距離，m；2r為上保護(hù)層工作面寬度，m。

圖5 上保護(hù)層沿傾向方向的剖面

上保護(hù)層41201工作面開挖后將在其下方形成一個(gè)低應(yīng)力區(qū)，而在這個(gè)低應(yīng)力區(qū)布置的被保護(hù)層40201工作面在回采期間相對(duì)具有較低的沖擊危險(xiǎn)性?？梢?，開挖上保護(hù)層后，其兩側(cè)煤體上的應(yīng)力分布可簡(jiǎn)化為應(yīng)力線性增高區(qū)與原巖應(yīng)力區(qū)，如圖6所示。

圖6 上保護(hù)層及其兩側(cè)受力情況分布

40201工作面初采期間微震事件分布如圖7所示，該工作面微震事件分布具有以下特點(diǎn)：40201工作面上覆41201工作面已回采完畢，相當(dāng)于為40201工作面回采提供了保護(hù)層，該時(shí)期所監(jiān)測(cè)到的微震事件共計(jì)78次，微震事件總能量9.3×104J，該面初期回采過程中頂板斷裂帶來的動(dòng)載能量較低，保護(hù)層開采為良好的區(qū)域防范沖擊地壓的方式；但在該期間工作面推采范圍存在兩條斷層及上覆遺留煤柱的影響，由于斷層構(gòu)造帶來的構(gòu)造應(yīng)力的變化使得工作面在該區(qū)域回采時(shí)產(chǎn)生動(dòng)載擾動(dòng)，工作面在上覆遺留煤柱影響區(qū)具有相對(duì)集中的靜載疊加，同時(shí)該區(qū)域?yàn)?0201工作面回采單面見方時(shí)期，頂板覆巖結(jié)構(gòu)隨采動(dòng)充分運(yùn)動(dòng)，故微震事件增多且主要分布在回風(fēng)巷側(cè)。

圖7 40201工作面初采期間微震事件分布

2.3 工作面超前段沖擊危險(xiǎn)性劃分

根據(jù)以上分析可知，在40201工作面以切眼為起點(diǎn)回風(fēng)巷道里程200～400 m范圍內(nèi)為多因素耦合的沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域。40201工作面上方4上煤工作面已采空，從區(qū)域防范沖擊地壓的角度來看屬于保護(hù)層開采，整體利于其下方煤層工作面的沖擊地壓的防治，但由于上覆已開采工作面間遺留煤柱所處的空間相對(duì)位置處于40201工作面中，致使所遺留煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中繼續(xù)向下方工作面?zhèn)鬟f，其影響范圍內(nèi)煤層仍具有一定的沖擊風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于本文中工作面的特殊性此處不僅存在F1及Fx斷層的影響，同時(shí)工作面逐漸推采過程中頂板不斷垮落，在單面見方區(qū)域存在較高強(qiáng)度的頂板活動(dòng)，三種主控因素疊加，上覆遺留煤柱應(yīng)力集中與斷層構(gòu)造應(yīng)力集中為沖擊地壓的發(fā)生提供靜載荷，單面見方時(shí)期強(qiáng)烈的頂板活動(dòng)提供動(dòng)載荷，動(dòng)載荷作為靜載荷的增量破壞了煤巖體保持穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，使得40201工作面回采至該區(qū)域時(shí)發(fā)生沖擊地壓的風(fēng)險(xiǎn)大大增加，40201工作面超前段沖擊危險(xiǎn)性劃分情況見表1。為進(jìn)一步精細(xì)化評(píng)估該區(qū)域內(nèi)的沖擊危險(xiǎn)性，采用地震波CT探測(cè)技術(shù)獲取煤巖體應(yīng)力分布特征。

表1 40201工作面超前段沖擊危險(xiǎn)性劃分

3 多因素耦合區(qū)應(yīng)力分布特征

3.1 探測(cè)方案

綜合考慮40201工作面切眼位置分布及周圍開采環(huán)境，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和設(shè)備探測(cè)能力設(shè)計(jì)主動(dòng)震波CT探測(cè)方案[23]。本次探測(cè)放炮端布置在40201回風(fēng)巷，接收端布置在40201運(yùn)輸巷，由切眼向外依次的放炮順序。該工作面探測(cè)區(qū)域觀測(cè)系統(tǒng)布置如圖8所示，設(shè)計(jì)10 m間距的激發(fā)震源40個(gè)，18 m間距的接收分站24個(gè)，實(shí)際有效震源37個(gè)，獲得震波數(shù)據(jù)888道。實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)定采樣頻率為2000 Hz，檢波器工作頻段5～10000 Hz，增益20 dB，采樣長(zhǎng)度為0.448 s，激發(fā)孔內(nèi)每孔200 g炸藥，短斷觸發(fā)。

圖8 40201工作面探測(cè)區(qū)域觀測(cè)系統(tǒng)布置

3.2 探測(cè)結(jié)果分析

40201工作面探測(cè)區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)分布如圖9所示，圖中以藍(lán)色到紅色從小到大來代表探測(cè)區(qū)域內(nèi)沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)c，c值為地震波波速及波速梯度的特征指數(shù)，取值范圍[0，1]，c值越大代表受應(yīng)力集中程度越大，圖中將探測(cè)區(qū)域劃分出5個(gè)應(yīng)力集中較高區(qū)域進(jìn)行分析編號(hào)。編號(hào)1-1的應(yīng)力集中區(qū)主要受多個(gè)采空區(qū)側(cè)向懸頂帶來的高應(yīng)力集中，結(jié)合40201工作面布置可知，在探測(cè)區(qū)域的東南角鄰近40105采空區(qū)，并且本工作面上方開采的4上煤41201與41103工作面均已采空，上覆已開采工作面間煤柱中的應(yīng)力集中向下方傳遞與40105采空區(qū)側(cè)向懸頂帶來的靜載疊加；編號(hào)1-2的應(yīng)力集中區(qū)主要受F4及Fx斷層構(gòu)造帶來的高應(yīng)力集中，前文分析可知斷層構(gòu)造附近煤巖為應(yīng)力集中峰值區(qū)，兩斷層共同影響區(qū)域應(yīng)力疊加；編號(hào)1-3的應(yīng)力集中區(qū)主要受F1斷層與上覆遺留煤柱帶來的高應(yīng)力集中，上覆41201與41203工作面間留設(shè)了30 m煤柱，煤柱中的應(yīng)力向下方煤巖傳遞與F1斷層帶來的高應(yīng)力疊加；編號(hào)1-4的應(yīng)力集中區(qū)主要受F1、Fx斷層與上覆遺留煤柱帶來的高應(yīng)力集中；編號(hào)1-5的應(yīng)力集中區(qū)主要受Fx斷層的影響。

圖9 探測(cè)區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)分布

依據(jù)上述沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)分布情況劃分出40201工作面探測(cè)區(qū)域內(nèi)煤巖的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)，如圖10所示，利用不同圖例區(qū)分強(qiáng)、中等、弱沖擊危險(xiǎn)的區(qū)域。 以工作面中部為分界線，在40201運(yùn)輸巷道側(cè)有3處沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，其編號(hào)為1-1、1-2及1-5，40201回風(fēng)巷道側(cè)有2處沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，其編號(hào)為1-3及1-4。由于上覆遺留煤柱的影響，回風(fēng)巷道側(cè)工作面內(nèi)的沖擊危險(xiǎn)性整體高于運(yùn)輸巷道側(cè)，表現(xiàn)為探測(cè)區(qū)域的回風(fēng)巷道側(cè)有更大面積的較連貫的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域；在探測(cè)區(qū)域斷層附近存在較高沖擊危險(xiǎn)；側(cè)向采空區(qū)懸頂對(duì)沖擊危險(xiǎn)性的影響最大，表現(xiàn)為在1-1區(qū)域存在小范圍的強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域。

圖10 探測(cè)區(qū)域沖擊危險(xiǎn)區(qū)范圍(m)

綜上分析，根據(jù)實(shí)測(cè)煤層沖擊危險(xiǎn)區(qū)域分布范圍及其至巷幫的距離，劃定了40201工作面探測(cè)區(qū)域巷道的沖擊危險(xiǎn)性，40201運(yùn)輸巷中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域有2處，位置為距切眼33～52 m和372～393 m范圍；弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域有3處，位置為距切眼52～144 m、215～227 m和358～372 m范圍。40201回風(fēng)巷中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域有2處，位置為距切眼82～100 m和254～307 m范圍；弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域2處，位置為距切眼100～197 m和307～392 m范圍。

4 結(jié) 論

1)保護(hù)層開采為良好的區(qū)域防范沖擊地壓的方式，40201工作面在初期回采過程中所監(jiān)測(cè)到的微震事件總能量不超過104J，總頻次不超過100次，處于較低水平，保護(hù)層開采工作面受遠(yuǎn)場(chǎng)動(dòng)載擾動(dòng)影響小。

2)保護(hù)層開采上覆遺留煤柱影響區(qū)的沖擊危險(xiǎn)性相對(duì)較高，上覆遺留煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中繼續(xù)向下方工作面?zhèn)鬟f，與回采面內(nèi)斷層構(gòu)造及見方時(shí)期帶來的構(gòu)造應(yīng)力及頂板活動(dòng)異常等因素耦合，40201回風(fēng)巷側(cè)較運(yùn)輸巷側(cè)具有更高的沖擊危險(xiǎn)性。

3)以大佛寺礦40201工作面為工程背景分析研究了保護(hù)層開采上覆遺留煤柱影響區(qū)的沖擊危險(xiǎn)性，既驗(yàn)證保護(hù)層開采作為區(qū)域防沖手段的優(yōu)越性，又可為同類型礦井的沖擊地壓預(yù)防提供參考。