巨厚堅(jiān)硬巖層下基于防沖的開采設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

翟明華，姜福興，朱斯陶，張 明，姚順利，郭信山，孫 翔

(1.山東能源集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014; 2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083; 3.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001; 4.應(yīng)急管理部 通信信息中心，北京 100013)

隨著煤炭資源開采深度和開采強(qiáng)度的增加，礦井沖擊地壓等動力災(zāi)害日益加劇，嚴(yán)重地威脅著煤礦開采的安全[1]。在我國多個礦區(qū)分布有巨厚堅(jiān)硬巖層，巨厚堅(jiān)硬巖層運(yùn)動導(dǎo)致的強(qiáng)礦震和強(qiáng)沖擊地壓致災(zāi)后果嚴(yán)重，治理難度大，已經(jīng)成為這些礦區(qū)礦井安全生產(chǎn)的主要障礙[2-3]。

對于巨厚堅(jiān)硬頂板巖層失穩(wěn)引發(fā)的沖擊地壓災(zāi)害防治已有大量學(xué)者做了研究，如蔣金泉等[4]揭示了高位硬厚巖層在上、下煤層重復(fù)采動時的微震活動時空規(guī)律，有效防治了硬厚巖層下的動力災(zāi)害;竇林名等[5-6]提出了針對巨厚堅(jiān)硬巖層與下方巖層間離層位置進(jìn)行注漿的防沖措施;姜福興等[7]提出采場覆巖空間結(jié)構(gòu)模型，研究了斷層控制型沖擊地壓機(jī)制，提出改變巷道位置等防治措施;楊偉利等[8]提出了巨厚巖漿巖失穩(wěn)導(dǎo)致的孤島工作面沖擊地壓類型為自發(fā)型和誘發(fā)型，自發(fā)型沖擊機(jī)制為巨厚巖漿巖失穩(wěn)導(dǎo)致自身及其上覆載荷層重力向下傳遞，使得被影響區(qū)域煤巖應(yīng)力逐漸集聚到?jīng)_擊的應(yīng)力水平，誘發(fā)型沖擊機(jī)制為巨厚巖漿巖斷裂強(qiáng)動載使得被影響區(qū)域煤巖應(yīng)力突躍至沖擊的應(yīng)力水平;郭維嘉等[9]對強(qiáng)沖擊地壓礦井地表非連續(xù)移動變形特征進(jìn)行了研究，認(rèn)為工作面上方覆巖體內(nèi)軟巖層出現(xiàn)明顯離層，為巨厚覆巖層提供一定運(yùn)動空間，進(jìn)而造成巨厚覆巖層的破斷，由于瞬間的能量釋放，對圍巖造成強(qiáng)沖擊性，同時造成地表呈現(xiàn)斑裂等非連續(xù)性特征;齊慶新等[10]提出了深孔斷頂爆破促使厚硬頂板及時垮落的防治沖擊地壓方法;張明等[11]基于厚硬關(guān)鍵層破斷及能量傳播規(guī)律，提出了“震動損害邊界”觀點(diǎn)，提出了礦震引起地面震動損害的防控思路;潘一山等[12]基于巨厚堅(jiān)硬巖層礦震震波傳播規(guī)律建立了三維模型，實(shí)現(xiàn)對礦震災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報(bào)。上述研究成果對巨厚堅(jiān)硬巖層下工作面沖擊地壓災(zāi)害的防治具有現(xiàn)實(shí)意義，但對巨厚堅(jiān)硬巖層下工作面的防沖開采設(shè)計(jì)鮮有系統(tǒng)研究。

筆者基于覆巖空間結(jié)構(gòu)理論，提出了保護(hù)層開采、負(fù)煤柱設(shè)計(jì)、關(guān)鍵工作面的確定及參數(shù)設(shè)計(jì)、震動損害邊界開采設(shè)計(jì)等綜合方法，通過分析和介紹山東能源集團(tuán)權(quán)屬的華豐煤礦、高莊煤礦和滕東煤礦防治此類災(zāi)害的成功經(jīng)驗(yàn)，為巨厚堅(jiān)硬巖層下工作面沖擊地壓防治提供借鑒。

1 巨厚堅(jiān)硬巖層下沖擊煤層的礦壓顯現(xiàn)特征及防沖對策

1.1 巨厚堅(jiān)硬巖層下沖擊煤層的礦壓顯現(xiàn)特征

1.1.1關(guān)鍵工作面效應(yīng)

巨厚堅(jiān)硬巖層下沖擊煤層開采的顯著特點(diǎn)之一，是第1個或第N個工作面開采時，由于巨厚堅(jiān)硬巖層沒有斷裂，能夠?qū)衣稁r層的重量有效地傳遞到遠(yuǎn)處煤體上，導(dǎo)致開采工作面的礦壓顯現(xiàn)并不明顯，只有當(dāng)開采到巨厚堅(jiān)硬巖層開始斷裂并強(qiáng)烈運(yùn)動的工作面時，才開始出現(xiàn)強(qiáng)烈的礦震或沖擊地壓。這個工作面稱之為“關(guān)鍵工作面”。

“關(guān)鍵工作面”之前開采的第1個或第N個工作面，地應(yīng)力不大，動力災(zāi)害不強(qiáng)烈，只要通過微震、應(yīng)力在線監(jiān)測和地表巖移觀測，掌握巨厚堅(jiān)硬巖層動態(tài)和圍巖應(yīng)力狀況即可，防沖難度較小;“關(guān)鍵工作面”開采過程中，極易發(fā)生強(qiáng)動力災(zāi)害，其動力災(zāi)害的頻次、危害程度等均與巨厚堅(jiān)硬巖層的運(yùn)動規(guī)律、煤層參數(shù)、工作面開采工藝等密切相關(guān)，這類礦壓顯現(xiàn)均可視為“關(guān)鍵工作面效應(yīng)”。

1.1.2震動誘沖效應(yīng)

巨厚堅(jiān)硬巖層斷裂震動在地層中產(chǎn)生的動應(yīng)力傳播到處于高應(yīng)力狀態(tài)的煤體上后，極易誘發(fā)沖擊地壓。這類沖擊屬于“從上而下”的動力災(zāi)害，其顯現(xiàn)特點(diǎn)是“震源與沖擊顯現(xiàn)位置不一致”，誘發(fā)力源來自高位頂板，試圖通過切斷巨厚堅(jiān)硬巖層達(dá)到“減震消沖”的目的是非常困難的，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上也是不合理的。這類礦壓顯現(xiàn)均可視為“震動誘沖效應(yīng)”。

山東某礦2103工作面運(yùn)輸巷超前工作面190 m范圍內(nèi)曾發(fā)生1次2.8級(能量1.28×107J)的沖擊地壓(圖1(a))，破壞巷道260 m(圖1(b))，地面礦區(qū)和村莊震感強(qiáng)烈，但事故發(fā)生前現(xiàn)場沒有明顯應(yīng)力變化的前兆信息。根據(jù)微震定位結(jié)果和工作面附近鉆孔資料可知，煤層上方504 m處存在一層厚114.2 m的中粒砂巖，可見，該巖層破斷產(chǎn)生礦震是此次沖擊地壓的主要誘發(fā)因素。

1.1.3沖擊震動效應(yīng)

當(dāng)開采到關(guān)鍵工作面位置后，巨厚堅(jiān)硬巖層的傳遞壓力將急劇增加，當(dāng)部分煤體達(dá)到發(fā)生沖擊的條件時即可發(fā)生沖擊，同時引起能量巨大的震動。即沖擊引起的震動。

這類沖擊的顯現(xiàn)特點(diǎn)是“震源與沖擊顯現(xiàn)位置一致”，震源和沖擊顯現(xiàn)均來自煤層，地面發(fā)生的震動損害是“從下而上”的災(zāi)害，因此，通過降低煤體應(yīng)力避免沖擊或降低沖擊能量是可能的。這類礦壓顯現(xiàn)均可視為“沖擊震動效應(yīng)”。

山東某礦3112工作面為孤島工作面，工作面傾向?qū)挾燃s為120 m，平均采深約860 m，煤層單向抗壓強(qiáng)度約為18 MPa。3112工作面東部為總寬約280 m的3111，3110和3109采空區(qū)，西部為總寬260 m的3113，3201采空區(qū)和斷層帶(相當(dāng)于采空區(qū))，如圖2(a)所示。由于工作面上覆巨厚堅(jiān)硬頂板，且兩側(cè)采空區(qū)地表均為非充分采動，因此3112工作面為31采區(qū)關(guān)鍵工作面。2015-05-19,3112工作面開切眼安裝設(shè)備期間，發(fā)生了一起災(zāi)害性沖擊地壓。整個開切眼約120 m的范圍全部沖垮，造成8人受傷，20個支架被埋(圖2(b))，采煤機(jī)被沖斷，損失達(dá)上億元。

圖2 3112工作面開切眼沖擊地壓事故Fig.2 Rock burst accident of LW3112

3112工作面沖擊時處于設(shè)備安裝階段，工作面尚未開采，因此沖擊原因?yàn)楣聧u工作面開切眼煤體積聚的高彈性能突然釋放導(dǎo)致，此次事故為典型的沖擊引起震動效應(yīng)。

1.2 巨厚堅(jiān)硬巖層下沖擊地壓的防治對策

由上述巨厚堅(jiān)硬巖層下沖擊地壓的“關(guān)鍵工作面效應(yīng)”、“震動誘沖效應(yīng)”和“沖擊震動效應(yīng)”特點(diǎn)可以看出:巨厚堅(jiān)硬巖層致災(zāi)有3種類型，一是隨著采場推進(jìn)范圍增大，巨厚堅(jiān)硬巖層的載荷逐步向懸空區(qū)周邊支撐煤體轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力增加直至“臨界沖擊應(yīng)力”引發(fā)沖擊地壓;二是由于巨厚堅(jiān)硬巖層破斷釋放能量巨大，巨厚巖層突然破斷造成強(qiáng)烈礦震誘發(fā)沖擊地壓;三是強(qiáng)烈礦震會波及地面并造成地面建筑物破壞。

巨厚硬巖(尤其是高位的巨厚硬巖)運(yùn)動決定的震動與沖擊災(zāi)害，很難通過人為措施使其懸空跨度和破斷釋放能量減小而達(dá)到避免礦震和沖擊地壓的發(fā)生，只有通過優(yōu)化開采設(shè)計(jì)解決:在“區(qū)域上”通過合理的開采設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移從而降低區(qū)域應(yīng)力，在“局部”高應(yīng)力區(qū)通過合理設(shè)計(jì)巷道位置避開或采用卸壓技術(shù)人為形成低應(yīng)力區(qū)，實(shí)現(xiàn)巨厚堅(jiān)硬巖層條件下震動與沖擊的協(xié)同控制。

巨厚堅(jiān)硬巖層下防治沖擊地壓的優(yōu)化開采設(shè)計(jì)包括開采保護(hù)層、合理確定采區(qū)內(nèi)關(guān)鍵工作面、巷道布置參數(shù)、區(qū)段煤柱留設(shè)、開切眼和終采線位置、工作面寬度和推進(jìn)長度、采掘工作面時空關(guān)系和接替順序等。下面介紹3個巨厚堅(jiān)硬巖層煤礦通過開采設(shè)計(jì)優(yōu)化成功防治沖擊地壓的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，與同行分享。

2 華豐煤礦巨厚堅(jiān)硬巖層下基于防沖的保護(hù)層與負(fù)煤柱相結(jié)合的開采設(shè)計(jì)

華豐煤礦曾經(jīng)是我國沖擊地壓災(zāi)害非常嚴(yán)重的礦井，累計(jì)造成數(shù)十人傷亡和數(shù)千米巷道破壞，自從2007年開始采用保護(hù)層與負(fù)煤柱相結(jié)合的開采設(shè)計(jì)方案后，截止到2017年，沒有發(fā)生破壞性沖擊地壓，沖擊地壓災(zāi)害得到了有效控制。

2.1 華豐煤礦的煤層與地質(zhì)條件

華豐煤礦煤層傾角31°～40°，一般33°左右，含可采煤層7層，分別為1，4，6，11，13，15，16煤層，其中4煤層是華豐煤礦的主采煤層，平均煤厚6 m，工作面傾向長140～160 m，6煤層作為保護(hù)層，厚度1.0～1.5 m，兩個煤層平均間距40 m，開采區(qū)域煤層分布情況見表1。主采煤層具有強(qiáng)沖擊傾向，直接頂具有中等沖擊傾向，且埋藏較深，目前采深已超過1 300 m，圍巖原始地壓大，隨著采深的增加，地壓顯現(xiàn)日益突出，礦井工程地質(zhì)類型為復(fù)雜類型。4煤層上覆礫巖平均厚度>700 m，開采區(qū)域的厚度分布如圖3所示,其中，鉆孔圖例左側(cè)數(shù)值為埋深，m。

2.2 保護(hù)層開采

以開采6煤作為開采4煤的保護(hù)層，根據(jù)開采6煤保護(hù)4煤模擬實(shí)驗(yàn)及微震與應(yīng)力監(jiān)測分析[8]，確定采6煤保4煤保護(hù)參數(shù)為:上保護(hù)角85°，下保護(hù)角69°，走向保護(hù)角57°，上保護(hù)高度為60～70 m，平均65 m，圖4(a)為走向保護(hù)效果圖，圖4(b)為傾向保護(hù)效果圖。在傾向上保護(hù)層1611工作面超前被保護(hù)層1410工作面一個區(qū)段;在走向上1410工作面開切眼布置在1609，1610開切眼20 m以里，1409工作面終采線位于1609，1610開切眼以里20 m，根據(jù)觀測6煤開采對4煤開采保護(hù)作用有效時間為2 a左右。

表1 煤層分布情況Table 1 Coal seam distribution m

圖3 礫巖分布情況Fig.3 Conglomerate distribution

圖4 開采6煤對開采4煤的保護(hù)范圍Fig.4 Protective range of No.4 coal after No.6 coal mined

2.3 無煤柱、負(fù)煤柱設(shè)計(jì)方案

隨著礦井向深部開采，地壓越來越大，巷道支護(hù)難題日益凸顯。4，6煤回風(fēng)巷小煤柱沿空巷道礦壓仍然顯現(xiàn)強(qiáng)烈，支護(hù)困難，4煤回風(fēng)巷盡管在保護(hù)帶內(nèi)，仍發(fā)生了多起嚴(yán)重的沖擊地壓，如圖5所示。

圖5 4煤回風(fēng)巷沖擊地壓和大變形災(zāi)害照片F(xiàn)ig.5 Scene photos of rock burst and large deformation in upper crossheading of No.4 Coal

為此，通過合并采區(qū)及跨上山推采，取消采區(qū)煤柱，礦井采區(qū)數(shù)量由-450 m水平的4個雙翼采區(qū)，減到-1 100 m水平2個采區(qū);取消區(qū)段小煤柱，6煤工作面下區(qū)段回風(fēng)巷完全沿上區(qū)段運(yùn)輸巷重疊布置;4煤工作面下區(qū)段回風(fēng)巷“負(fù)煤柱”布置(即在上工作面下平巷底板以下向采空區(qū)方向內(nèi)錯布置，如圖6所示)，即下區(qū)段回風(fēng)巷布置在上一個區(qū)段采空區(qū)內(nèi) 0～-10 m，此位置應(yīng)力低，且位于預(yù)留的三角形實(shí)體煤中，利于掘進(jìn)和支護(hù)。華豐煤礦4煤通過實(shí)施“保護(hù)層與負(fù)煤柱相結(jié)合的開采設(shè)計(jì)”，未再發(fā)生過沖擊地壓災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采。

圖6 負(fù)煤柱設(shè)計(jì)方案示意Fig.6 Schematic diagram of negative pillar design

3 高莊煤礦巨厚堅(jiān)硬巖層下開采防止地面建筑物震動損害的開采設(shè)計(jì)

高莊煤礦西十一采區(qū)位于微山湖下，湖區(qū)建有南水北調(diào)工程二線船閘等重要的水利設(shè)施。地層中存在巨厚礫巖，巨厚礫巖斷裂存在發(fā)生礦震和井下沖擊的危險(xiǎn)，需要通過合理的開采設(shè)計(jì)避免災(zāi)害的發(fā)生。

3.1 西十一采區(qū)開采基本情況

西十一采區(qū)平均采深600 m，平均煤層厚度5 m，上覆礫巖平均厚約125 m，距離3上煤約230 m。由于3上1109和3上11010工作面已開采，位于二線船閘等地面重要設(shè)施下方的采區(qū)兩翼已形成孤島開采的局面(圖7)。

圖7 高莊煤礦孤島工作面形成示意Fig.7 Formation of island coal face in Gaozhuang Mine

3.2 西十一采區(qū)開采對地面建筑物影響的分析

西十一采區(qū)開采情況表明，西十一采區(qū)開采對二線船閘等重要設(shè)施的影響有兩個方面：一是巨厚礫巖斷裂產(chǎn)生震動誘沖;二是孤島工作面整體失穩(wěn)產(chǎn)生沖擊震動，應(yīng)從震動損害角度合理確定開采邊界，通過優(yōu)化開采設(shè)計(jì)減震防沖。

(1)強(qiáng)礦震引起的震動損害和震動損害邊界

關(guān)于關(guān)鍵層破斷誘發(fā)礦震及其對地表設(shè)施的震動損害方面的研究較少，傳統(tǒng)的開采損害研究主要以地表沉陷和巖層移動損害邊界為主(圖8中M)，沒有考慮移動損害邊界以外由強(qiáng)礦震引起的震動損害邊界(圖8中V)。課題組通過建立采場上覆高位巨厚礫巖破斷模型，研究了巨厚礫巖破斷產(chǎn)生礦震的規(guī)律，以及礦震對地表重要保護(hù)設(shè)施的震動損害評估方法[13]，為開采損害分析和確定震動損害保護(hù)邊界提供了理論依據(jù)。

圖8 采動引起的巖層運(yùn)動邊界和震動破壞邊界示意[13]Fig.8 Strata movement boundary and vibration damage boundary by mining[13]

(2)孤島工作面整體沖擊失穩(wěn)判別

開采西十一采區(qū)孤島工作面時，當(dāng)量采深將達(dá)到900 m以上，由于煤層具有沖擊傾向性，當(dāng)工作面寬度過小時，存在工作面煤壁前方煤體和兩條回采巷道體同時沖擊的危險(xiǎn)，即整體沖擊失穩(wěn)危險(xiǎn)。根據(jù)課題組“孤島工作面整體沖擊失穩(wěn)判別方法”[14]研究成果:孤島工作面兩側(cè)塑性區(qū)在高支承壓力的作用下向煤體深部支承核區(qū)擴(kuò)展，當(dāng)支承壓力足夠大時，孤島工作面支承核區(qū)將失去承載能力，這對于具有沖擊傾向性的煤層，極容易發(fā)生工作面整體沖擊失穩(wěn)。采用該方法對開采西十一采區(qū)孤島工作面進(jìn)行評估，通過優(yōu)化關(guān)鍵工作面設(shè)計(jì)，避免孤島工作面整體失穩(wěn)產(chǎn)生沖擊震動。

3.3 西十一采區(qū)“關(guān)鍵工作面”設(shè)計(jì)方案

西十一采區(qū)兩翼最后一個孤島工作面，就是“關(guān)鍵工作面”，鑒于國內(nèi)多起“孤島”工作面整體沖擊地壓事故的教訓(xùn)，結(jié)合西十一采區(qū)地面震動損害與井下沖擊危險(xiǎn)性的研究，提出了“關(guān)鍵工作面”開采的3個設(shè)計(jì)方案(圖9):

(1)原設(shè)計(jì)2個工作面等寬開采方案。如果將剩余寬度均勻分成2個工作面，則孤島工作面的寬度為175 m左右，考慮兩回采巷道附近留4 m煤柱、掘4 m巷道和施工20 m深的卸壓孔，關(guān)鍵工作面有效支撐寬度只有119 m。按照“關(guān)鍵工作面整體穩(wěn)定性評價方法”評估，此狀態(tài)下孤島煤柱接近整體沖擊的下限，判斷為“弱整體沖擊危險(xiǎn)、強(qiáng)局部沖擊危險(xiǎn)”。

(2)大孤島工作面開采方案。西十一采區(qū)剩余未采工作面寬度約350 m時，采用一個大工作面整體布置，該方案對沖擊地壓防治最為有利，但礦井現(xiàn)有綜采工作面設(shè)備能力難以滿足面長350 m的要求。

(3)“一大一小”2個工作面開采方案。分別縮小兩翼孤島工作面相鄰的3上1103和3上1106工作面的寬度，使3上1105和3上1108“孤島”工作面的凈寬度在大于孤島煤柱整體失穩(wěn)寬度的同時，滿足現(xiàn)有綜采工作面設(shè)備能力上限的要求。

圖9 高莊煤礦關(guān)鍵工作面開采設(shè)計(jì)方案示意Fig.9 Mining design of key face in Gaozhuang Mine

經(jīng)過論證，選擇并實(shí)施了第3方案。同時根據(jù)巨厚礫巖破斷模型及震動損害評估方法，為防止礫巖斷裂對地面的震動損害，將終采線煤柱加寬到400 m。開采實(shí)踐證明，此方案實(shí)現(xiàn)了終采線附近地面無震害，井下無沖擊的安全目標(biāo)。

4 滕東煤礦巨厚堅(jiān)硬巖層下基于防沖的厚煤層開采設(shè)計(jì)

滕東煤礦巨厚堅(jiān)硬巖層下基于防沖的厚煤層開采設(shè)計(jì)包含了關(guān)鍵工作面設(shè)計(jì)、小煤柱設(shè)計(jì)、順序開采設(shè)計(jì)、強(qiáng)卸壓設(shè)計(jì)和慢推進(jìn)5個方面。

滕東煤礦屬于新建的千米深井、厚煤層、巨厚堅(jiān)硬頂板條件的沖擊地壓礦井，該礦井從開采設(shè)計(jì)之初就通過與科研單位合作，充分考慮防沖因素，準(zhǔn)確分析關(guān)鍵工作面位置，制定針對性防沖措施，實(shí)現(xiàn)了建礦至今多年的防沖安全。

4.1 滕東煤礦煤層和地層基本情況

滕東煤礦為單一主采煤層礦井，主采煤層為3下煤，煤厚3.5～8.0 m，平均厚度5.27 m，含少量夾矸，屬于中硬煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，傾角2°～7°，埋深平均950 m，屬于深井開采。首采區(qū)3下煤層頂板中存在多組堅(jiān)硬厚巖層，直接頂為4.44 m厚的細(xì)砂巖，基本頂為14.76 m厚的細(xì)砂巖，距離3下煤層90 m位置存在一組70 m厚的堅(jiān)硬礫巖層，判斷該礫巖為主關(guān)鍵層，在開采過程中將以覆巖空間結(jié)構(gòu)的運(yùn)動形式影響采場的礦山壓力顯現(xiàn)。根據(jù)煤巖沖擊傾向性測定，3下煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂板巖層具有強(qiáng)沖擊傾向性。

4.2 滕東煤礦基于防沖的開采設(shè)計(jì)

(1)順序開采。確定3下107為首采工作面，3下105和3下109工作面為第2個和第3個接續(xù)工作面，各工作面布置情況如圖10所示。

圖10 首采區(qū)工作面接續(xù)示意Fig.10 Spicing of first coalface

(2)關(guān)鍵工作面辨識。采用覆巖空間結(jié)構(gòu)理論，分析了第1～3個工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)從“O”型、發(fā)展到“S”型、再形成三工作面“見方”的大“O”型的運(yùn)動規(guī)律(圖11)。根據(jù)覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動的預(yù)計(jì)結(jié)果，結(jié)合對地面沉陷的計(jì)算和監(jiān)測，辨識3下109工作面將是首采區(qū)的“關(guān)鍵工作面”(圖10)。圖12(a)為3下109工作面回采后地表下沉平面分析圖，圖12(b)為3個工作面開采地表下沉量傾向剖面圖。

圖11 3個工作面連續(xù)開采中“O-S-O”型覆巖空間結(jié)構(gòu)演化平面投影示意Fig.11 Evolution plane projection of “O-S-O” Type spatial structure of overlying strata in three faces continuous mining

根據(jù)3下109工作面2014-10-29—2015-03-13開采期間地表巖移觀測數(shù)據(jù)對比分析，該階段地表下沉速度和下沉量出現(xiàn)明顯增長趨勢，最大下沉位置在3下107工作面中部區(qū)域，此現(xiàn)象與井下巨厚礫巖附近的震動場和工作面應(yīng)力場的變化規(guī)律一致，說明巨厚礫巖已經(jīng)發(fā)生斷裂并開始急劇運(yùn)動，地表下沉曲線未出現(xiàn)“平底”現(xiàn)象表明巨厚礫巖斷裂不充分，仍要發(fā)生大范圍斷裂和下沉運(yùn)動，在工作面開采到接近采空區(qū)“見方”起，井下的動力現(xiàn)象急劇增強(qiáng)。

圖12 根據(jù)地表下沉量辨識關(guān)鍵工作面結(jié)果圖[15-16]Fig.12 Recognition of key mining face in terms of the amount of surface subsidence[15-16]

(3)微震監(jiān)測揭示的關(guān)鍵工作面效應(yīng)。圖13為3下105，3下107和3下109工作面開采至不同時期微震事件剖面圖。由圖13(a)可知，當(dāng)3下105采空區(qū)“單見方”時，頂板破裂高度僅為60 m，尚未波及到上覆巨厚礫巖;當(dāng)工作面推采至3下105和3下107采空區(qū)“雙見方”時，頂板破裂高度達(dá)到90 m(圖13(b))，破裂高度已達(dá)到上覆巨厚礫巖底部，此時礫巖尚未發(fā)生破斷;當(dāng)工作面推采至3下105，3下107和3下109采空區(qū)“三見方”時，頂板破裂高度達(dá)到135 m(圖13(c))，此時巨厚礫巖內(nèi)部產(chǎn)生大量微震事件。由此可判斷3下109工作面為該采區(qū)的關(guān)鍵工作面，該工作面的開采會導(dǎo)致上覆巨厚礫巖發(fā)生破斷失穩(wěn)，可能誘發(fā)礦震或沖擊地壓災(zāi)害。

圖13 工作面推采不同時期微震事件剖面Fig.13 Profile of microseismic events at different stages in coal mining face

(4)關(guān)鍵工作面開采防沖措施。3下109關(guān)鍵工作面開采初期，運(yùn)輸巷超前75 m應(yīng)力測點(diǎn)自2014-04-01開采就開始發(fā)生應(yīng)力增長(圖14)。由此可知，3下109關(guān)鍵工作面在高靜應(yīng)力環(huán)境下，開采即導(dǎo)致了超前支承應(yīng)力增長，關(guān)鍵工作面的沖擊危險(xiǎn)程度遠(yuǎn)高于前2個工作面。后期開采3下109關(guān)鍵工作面時，堅(jiān)持“緩?fù)七M(jìn)、強(qiáng)監(jiān)測、強(qiáng)卸壓、強(qiáng)支護(hù)”的防沖法則，通過采取沖擊危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)勻速慢速推進(jìn)，減少開采擾動;強(qiáng)化微震和應(yīng)力在線監(jiān)測與煤粉鉆檢驗(yàn);對實(shí)體幫采取密集大直徑鉆孔卸壓，使巷道圍巖處于低應(yīng)力狀態(tài);強(qiáng)化巷道支護(hù)等措施，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵工作面的防沖安全。

圖14 3下109工作面煤體應(yīng)力變化曲線Fig.14 Coal stress variation curves of 3 below 109 working faces

5 結(jié) 論

(1)通過分析巨厚堅(jiān)硬巖層下沖擊地壓的發(fā)生規(guī)律，提出了此類礦井沖擊地壓存在“關(guān)鍵工作面效應(yīng)”、“震動誘沖效應(yīng)”和“沖擊震動效應(yīng)”3個特點(diǎn)及防治對策。

(2)提出了采用覆巖空間結(jié)構(gòu)理論和地表沉陷觀測數(shù)據(jù)辨識關(guān)鍵工作面的方法及關(guān)鍵工作面防沖措施。

(3)闡述了山東能源集團(tuán)3個不同類型的巨厚堅(jiān)硬巖層沖擊地壓礦井采用保護(hù)層開采、負(fù)煤柱設(shè)計(jì)、關(guān)鍵工作面確定與參數(shù)設(shè)計(jì)、避開震動損害邊界開采設(shè)計(jì)、小煤柱設(shè)計(jì)和順序開采工作面參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等綜合方法，實(shí)現(xiàn)防沖安全的具體做法。

由于巨厚堅(jiān)硬巖層賦存條件復(fù)雜，且準(zhǔn)確探查的難度大，不同煤礦開采條件各異，本文的研究結(jié)果是根據(jù)試驗(yàn)礦井條件研究和總結(jié)的，僅供同行參考。