關(guān)鍵層極限跨距預(yù)測礦井沖擊地壓發(fā)生時間的研究

李永超 于國強(qiáng) 李建軍

（1.山東省岱莊生建煤礦，山東 微山 277600；2.山東省滕東生建煤礦，山東 滕州 277522）

山東省滕東生建煤礦井田內(nèi)表土層平均厚度為18.56m，3下煤平均采深達(dá)到922.54m，首采面平均寬度為130m，第二個工作面寬度為130m，兩個工作面的寬深比（工作面寬度與采深的比值）為0.28，采厚5.7m。通過地表移動觀測站監(jiān)測得到，首采面回采完畢并基本穩(wěn)沉后地面的最大下沉值為54mm。兩個工作面回采完畢并基本穩(wěn)沉后，地面觀測到的地表最大下沉值為265mm。依據(jù)寬深比判斷，工作面開采屬極不充分采動，但開采后地表的下沉量之小，實屬不正?，F(xiàn)象。通過分析發(fā)現(xiàn)，在煤層上覆巖層中存有巨厚礫巖及其他硬巖層。由于厚硬巖層的存在，當(dāng)采空區(qū)面積大于關(guān)鍵層極限跨距時，極易發(fā)生厚硬巖層結(jié)構(gòu)突變及煤柱失穩(wěn)的情況，從而產(chǎn)生沖擊地壓等災(zāi)害。為確保煤礦安全生產(chǎn)，借助關(guān)鍵層理論對上覆巖層進(jìn)行了判斷，得出了關(guān)鍵層的位置及極限跨距，并依此預(yù)測了下一個工作面推進(jìn)過程中厚硬巖層結(jié)構(gòu)突變及煤柱失穩(wěn)的大概時間，成功指導(dǎo)了煤礦沖擊地壓防治工作。

1 關(guān)鍵層位置判別

1.1 硬巖層位置的確定

根據(jù)礦區(qū)多個鉆孔柱狀圖以及硬巖層的判別條件[1-2]對礦區(qū)覆巖性質(zhì)進(jìn)行了分析，確定了8層硬巖層的位置（見表1）。

表1 礦區(qū)覆巖性質(zhì)表

1.2 硬巖層極限跨距的計算

根據(jù)固支梁模型計算求得的滕東礦區(qū)硬巖層的破斷距見表2。

表2 硬巖層破斷距

1.3 關(guān)鍵層所處位置的確定

由于該礦區(qū)覆巖硬巖層層數(shù)較多，且?guī)r層間性質(zhì)極為相似，并且兩個已采工作面采空區(qū)的寬度已超出單一關(guān)鍵層的極限跨距，因此對礦區(qū)關(guān)鍵層的復(fù)合效應(yīng)進(jìn)行了分析研究，確定了復(fù)合關(guān)鍵層的位置與極限跨距。

根據(jù)復(fù)合關(guān)鍵層的判別理論以及復(fù)合關(guān)鍵層極限跨距的計算公式分析得到，采空區(qū)上部第1、2層硬巖層、第3、4層硬巖、第6、7層硬巖層及第7、8層硬巖的兩兩組合均滿足構(gòu)成復(fù)合關(guān)鍵層的條件。計算得到復(fù)合關(guān)鍵層極限跨距見表3。

表3 復(fù)合關(guān)鍵層參數(shù)表

通過分析判斷侏羅系地層中的礫巖及第2層硬巖及其所夾軟弱夾層所構(gòu)成的復(fù)合關(guān)鍵層是煤層上覆巖層中的主關(guān)鍵層，其極限破斷距為291.260m。105及107兩個工作面開采后地表下沉量較小，主要原因是采空區(qū)寬度（采空區(qū)寬度為260m）小于主關(guān)鍵層的極限跨距，主關(guān)鍵層呈懸臂梁存在，從而減小了地表的下沉。但當(dāng)109工作面推進(jìn)290m左右時，主關(guān)鍵層將會破斷。而主關(guān)鍵層的突然斷裂產(chǎn)生的動載荷將迅速傳遞到工作面采場圍巖，尤其在煤巖體應(yīng)力處于極限平衡狀態(tài)下動壓極易誘發(fā)沖擊。

2 礦井面臨的沖擊地壓類型分析

2.1 靜載（高靜應(yīng)力）自發(fā)型沖擊

煤巖體中賦存條件和開采因素影響，圍巖中存在高度應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)靜載荷大于誘發(fā)煤巖體沖擊破壞的最小載荷，就會形成自發(fā)型沖擊[3-4]。該類沖擊地壓的特點：需要時間積累，應(yīng)力集中到臨界值或高應(yīng)力蠕變中即可發(fā)生沖擊，相對來講可控、好治理。

2.2 動靜載疊加誘發(fā)型沖擊

煤巖體中靜載荷與強(qiáng)動壓（礦震）形成的動載疊加之和大于誘發(fā)煤巖體沖擊破壞的最小載荷，靜載+動載就會誘發(fā)強(qiáng)沖擊。其誘因：堅硬頂板斷裂或滑移。該類沖擊地壓的特點：突發(fā)強(qiáng)，災(zāi)害大，難治理。根據(jù)109工作面地質(zhì)及開采條件分析，在上覆關(guān)鍵層突然破斷時形成的沖擊屬于該類。因此需近似估算109工作面的動載和靜載大小，評估誘發(fā)型沖擊的可能性。依據(jù)相關(guān)理論公式估算得到靜載能量（忽略頂板運動加速度影響）為：

傳播到煤體的能量為：

此能量動載與靜載疊加足以誘發(fā)強(qiáng)沖擊。根據(jù)上述研究結(jié)果，礦方委托北京科技大學(xué)開展了《厚硬巖層結(jié)構(gòu)突變與地表沉陷及沖擊災(zāi)害治理關(guān)系研究》項目，開展了相應(yīng)的防護(hù)工作。

3 地表移動變形觀測研究結(jié)果

隨著109工作面的開采，已進(jìn)入厚硬巖層結(jié)構(gòu)突變及煤柱失穩(wěn)高度危險階段，巨厚礫巖的運動控制著地表沉陷特征，同時地表沉陷規(guī)律能夠驗證巨厚礫巖及上覆巖層在關(guān)鍵階段的斷裂特點。通過及時聯(lián)合分析井下和地表監(jiān)測數(shù)據(jù)，可得到?jīng)_擊地壓危險性發(fā)展程度和地表巖移特征，從而全面指導(dǎo)煤礦完成沖擊地壓防治、后期工作面開采設(shè)計和地表沉陷控制要求。為此在109工作面上方布設(shè)了地表移動變形觀測站。該觀測站布設(shè)兩條觀測線，沿近似走向及傾向方向各布設(shè)了一條觀測線。

109工作面于2014年4月1日開始回采，至2015年11月28日觀測結(jié)束。由實測數(shù)據(jù)可知：109工作面回采引起的地表下沉基本穩(wěn)沉后，測得的地表最大下沉值為0.897m。105、107、109三個工作面回采引起的地表下沉基本穩(wěn)沉后，測得的地表最大下沉值為1.088m。而107工作面回采完畢并基本穩(wěn)沉后，地面觀測到的點位最大下沉值為54mm。105、107工作面回采完畢并基本穩(wěn)沉后，地面觀測到的地表最大下沉值為265mm。對比上述各下沉值不難看出，當(dāng)109工作面采空區(qū)寬度超過關(guān)鍵層的極限跨距導(dǎo)致關(guān)鍵層破斷時，地表下沉量急劇加大。并且地表監(jiān)測點的下沉速度有較大的變化。2015年1月18日以前監(jiān)測點的最大下沉速度為1.63mm/d，但在2015年1月18日至2015年2月2日之間突然達(dá)到5.32mm/d（此時109工作面的推進(jìn)進(jìn)尺在290m左右），自此以后監(jiān)測點的最大下沉速度減小到2mm/d以下。

綜上，理論上推算的上覆巖層中關(guān)鍵層的極限破斷距291.260m是正確的，因為2015年1月18日至2015年2月2日監(jiān)測點最大下沉速度由1.63mm/d 突然增大到5.32mm/d，隨后又減小至2mm/d以下。井下的應(yīng)力計監(jiān)測結(jié)果也證實了上述結(jié)論。

4 結(jié)論

在大采深巨厚礫巖條件下開采時，利用關(guān)鍵層極限跨距可較為準(zhǔn)確地預(yù)測含有關(guān)鍵層條件下礦井沖擊地壓發(fā)生的時間，并經(jīng)生產(chǎn)實踐驗證是可行的。