急傾斜水平分段放頂煤開(kāi)采應(yīng)力分布規(guī)律及沖擊地壓防治

張鋒剛，楊文連

（1.甘肅能化股份有限公司，甘肅 白銀 730913；2.甘肅能化股份有限公司 王家山煤礦，甘肅 白銀 730913）

2022 年我國(guó)原煤產(chǎn)量達(dá)到45.6 億t，煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的比重高達(dá)56.2%[1-2]。我國(guó)以煤炭為主體的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)將在很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)不可替代[3-5]。隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采向西部轉(zhuǎn)移，西部急傾斜煤層開(kāi)采沖擊地壓災(zāi)害逐漸凸顯[6-7]。急傾斜煤層主要開(kāi)采資源條件較好的特厚煤層，且一般采用水平分段開(kāi)采。針對(duì)急傾斜煤層水平分段開(kāi)采沖擊地壓發(fā)生規(guī)律及其防治，國(guó)內(nèi)學(xué)者已進(jìn)行了一定研究。來(lái)興平等[8]認(rèn)為急傾斜煤層開(kāi)采頂板巖梁與覆巖應(yīng)力拱形成的“拱—梁”結(jié)構(gòu)具有空間結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)特征，該結(jié)構(gòu)在高階段水平分段短壁綜放開(kāi)采條件下易失穩(wěn)誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害；王正義等[9]認(rèn)為急傾斜特厚煤層的靜載來(lái)自于側(cè)向支承壓力及底板對(duì)煤體的夾持作用，在夾持作用下煤層處在高靜載條件下，主要?jiǎng)虞d來(lái)自上覆巖層破斷形成的應(yīng)力波，當(dāng)動(dòng)載疊加載荷超過(guò)煤巖體的臨界載荷，便會(huì)誘發(fā)沖擊地壓顯現(xiàn)；何江等[10]認(rèn)為急傾斜特厚煤層的煤層傾角與頂板破斷步距存在較大的相關(guān)性，同時(shí)分析了覆巖破斷后的失穩(wěn)特征，主要包括3 種失穩(wěn)沖擊過(guò)程；王崧瑋等[11]認(rèn)為急傾斜特厚煤層水平分段開(kāi)采過(guò)程中，工作面下方垂直于頂、底板及頂、底板附近煤體處于強(qiáng)剪應(yīng)力區(qū)，煤層受到的這種“錯(cuò)動(dòng)—夾持”作用，使工作面下方形成近似“梯形”塑性區(qū)及“矩形”應(yīng)力集中區(qū)；李安寧等[12]認(rèn)為近直立煤層在頂?shù)装鍍蓚?cè)均受到支承壓力的夾持?jǐn)D壓，正是這種夾持力構(gòu)成了沖擊力源；藍(lán)航[13]分析了近直立特厚煤層開(kāi)采期間的動(dòng)載力源，認(rèn)為動(dòng)載源自于兩煤層間的堅(jiān)硬巖柱對(duì)煤層的“撬桿效應(yīng)”；吳振華等[14]認(rèn)為烏東煤礦南采區(qū)沖擊地壓的發(fā)生是巖柱撬轉(zhuǎn)與頂板擠壓共同作用的結(jié)果；鞠文君等[15]確定沖擊地壓發(fā)生的力源主要是向斜構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與多分層同采導(dǎo)致的疊加應(yīng)力場(chǎng)結(jié)合形成的復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)，上覆巖層“懸臂梁”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)導(dǎo)致的沖擊載荷是誘發(fā)沖擊地壓的結(jié)構(gòu)性動(dòng)力因素；杜濤濤等[16]認(rèn)為近直立特厚煤層“高階段”影響區(qū)域易形成應(yīng)力異常區(qū)，采掘擾動(dòng)使應(yīng)力異常區(qū)的煤體應(yīng)力突然釋放，造成沖擊地壓顯現(xiàn)。以上分析表明，關(guān)于急傾斜煤層水平分段工作面沖擊地壓的研究取得了一定的研究進(jìn)展，但都是基于特定礦井條件下的研究，主要為近直立煤層或厚度40 m 以上的急傾斜煤層進(jìn)行的分析，研究表明該類(lèi)沖擊地壓與傾角、煤厚有密切的關(guān)系。王家山煤礦急傾斜煤層煤厚17 m，水平分段工作面較短，沖擊地壓在工作面兩巷均有發(fā)生，與現(xiàn)有研究沖擊地壓顯現(xiàn)特征存在差異。為了揭示該類(lèi)條件下沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律，以期實(shí)現(xiàn)沖擊地壓的有效防治，以王家山煤礦東一采區(qū)水平分段工作面為研究背景，研究工作面長(zhǎng)度較短時(shí)該類(lèi)工作面應(yīng)力演化誘發(fā)沖擊地壓特征和防治方法，并進(jìn)行防治實(shí)踐。

1 工程背景

王家山煤礦東一采區(qū)主采2 煤、4 煤，平均傾角46°，平均厚度16.8 m，屬急傾斜特厚煤層開(kāi)采。工作面采用水平分段放頂煤開(kāi)采工藝，分段高度24 m，采放比為1∶5.3，采用全部垮落法管理頂板。地面標(biāo)高在+1 860～+1 950 m 之間，現(xiàn)開(kāi)采標(biāo)高+1 418 m。

東一采區(qū)2 煤直接頂為細(xì)砂巖，基本頂為砂巖，上覆100 m 存在多層堅(jiān)硬厚巖層，直接底為泥巖，基本底為含礫粉砂巖。根據(jù)沖擊傾向性鑒定結(jié)果，東一采區(qū)頂板、2 煤均具有弱沖擊傾向性，具備發(fā)生沖擊地壓的內(nèi)在條件。東一采區(qū)綜合柱狀圖如圖1。

圖1 東一采區(qū)綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of eastern No.1 mining area

2 沖擊地壓顯現(xiàn)特征

東一采區(qū)203 工作面掘進(jìn)期間發(fā)生了多次沖擊地壓，對(duì)生產(chǎn)及安全造成了較大影響。如2020 年7月6 日，東一203 工作面發(fā)生1 次能量為6.93×105J的沖擊地壓災(zāi)害顯現(xiàn)，造成回風(fēng)巷切眼以外50～60 m段巷道頂角網(wǎng)子撕破；100～150 m 段巷道右?guī)途W(wǎng)子撕破；170～180 m 段內(nèi)幫幫鼓0.5 m；190～200 m 段工作面內(nèi)幫鼓出0.5 m；170～250 m 段巷道底鼓0.2～0.3 m。沖擊顯現(xiàn)位置如圖2，工作面剖面圖如圖3。

圖2 沖擊地壓顯現(xiàn)位置圖Fig.2 Location of rock burst

圖3 203 工作面剖面圖Fig.3 Profile of 203 working face

此次沖擊地壓的破壞特征主要表現(xiàn)為底鼓、支護(hù)破壞。對(duì)歷次沖擊地壓顯現(xiàn)分析得出，該礦急傾斜水平分段開(kāi)采沖擊地壓多表現(xiàn)為巷道幫鼓及底鼓，且底鼓明顯多于幫鼓。王家山煤礦大傾角水平分段開(kāi)采工作面兩巷均有沖擊地壓災(zāi)害顯現(xiàn)，工作面頂板巷顯現(xiàn)次數(shù)較底板巷顯現(xiàn)次數(shù)多，且有部分沖擊地壓同時(shí)在工作面兩巷發(fā)生。

對(duì)比其他礦井大傾角煤層水平分段工作面的沖擊地壓顯現(xiàn)特征，王家山煤礦發(fā)生的沖擊顯現(xiàn)有明顯差異。如窯街三礦5521-20 工作面“3.24”沖擊造成大量工作面支架發(fā)生損壞，靠近頂板區(qū)域的支架被壓垮，同時(shí)工作面端頭發(fā)生底鼓，約為1.5 m。烏東煤礦北采區(qū)+642 m 水平43#工作面發(fā)生“3.24”沖擊導(dǎo)致工作面煤壁大面積垮落，8#～10#支架立柱彎曲受損，11#～13#支架立柱發(fā)生破斷，采煤機(jī)傾斜，刮板輸送機(jī)移位。

分析上述2 個(gè)礦井沖擊顯現(xiàn)特征可知：窯街三礦及烏東煤礦的水平分段工作面發(fā)生的沖擊多為采場(chǎng)沖擊，主要表現(xiàn)為工作面支架折斷，采煤機(jī)受損；而王家山煤礦水平分段工作面發(fā)生的沖擊則為巷道沖擊，主要表現(xiàn)為巷道錨網(wǎng)索破壞?？紤]到王家山煤礦2 層煤雖同屬為急傾斜煤層，但地質(zhì)條件及沖擊顯現(xiàn)上述2 個(gè)礦多有不同；窯街三礦五采區(qū)煤層傾角45°～64°，工作面傾向?qū)?6～80 m；烏東煤礦北采區(qū)43#煤層傾角43°～51°，工作面傾向?qū)?8 m；與王家山煤礦2 層煤條件有較大差異。因此認(rèn)為王家山煤礦的煤層條件是導(dǎo)致頂?shù)装逑锏乐車(chē)鷳?yīng)力的大小產(chǎn)生不同，從而使得頂?shù)装逑锏朗茌d特征發(fā)生改變，沖擊顯現(xiàn)特征也隨之變化。

因此，為研究王家山煤礦水平分段放頂煤工作面沖擊顯現(xiàn)特征，需著重分析王家山煤礦水平分段開(kāi)采的應(yīng)力分布規(guī)律。

3 水平分段開(kāi)采應(yīng)力分布及演化規(guī)律

3.1 數(shù)值模型

為揭示水平分段開(kāi)采沖擊地壓發(fā)生的內(nèi)在規(guī)律，采用FLAC3D模擬工作面應(yīng)力分布及演化規(guī)律。模型基于東一采區(qū)工作面條件，采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，模擬工作面應(yīng)力分布及開(kāi)采應(yīng)力演化規(guī)律。根據(jù)該采區(qū)回采工作面，由淺部至東一203 工作面共布置4 個(gè)工作面，每個(gè)分段24 m，東一203 工作面為第4個(gè)水平分段。數(shù)值模型如圖4。煤巖層參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters

圖4 數(shù)值模型圖Fig.4 Numerical simulation model

3.2 應(yīng)力分布演化規(guī)律

隨開(kāi)采分段增加，工作面圍巖垂直應(yīng)力分布及演化過(guò)程如圖5，隨分段工作面逐步開(kāi)采，煤巖體最大主應(yīng)力分布及演化如圖6。

圖5 圍巖垂直應(yīng)力演化情況Fig.5 Vertical stress evolution of surrounding rock

圖6 圍巖最大主應(yīng)力演化情況Fig.6 Vertical stress evolution of surrounding rock

由圖5 可知：下一分段工作面底板巷靠近上一分段工作面采空區(qū)底煤卸壓區(qū)下方，但由于傾向支承壓力垂直頂?shù)装鍌鬟f，煤層厚度小于分段高度，底板巷仍然受到支承壓力集中影響。下一分段工作面底板巷外幫應(yīng)力集中程度明顯小于內(nèi)幫；底板巷及頂板巷內(nèi)幫煤體由于工作面較短，垂直應(yīng)力相互疊加，且隨著工作面分段的增加，垂直應(yīng)力逐漸增大，開(kāi)采至東一203 工作面時(shí)垂直應(yīng)力峰值達(dá)到29.9 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.55；頂板巷則處在頂板擠壓作用下，頂板巷圍巖垂直應(yīng)力集中程度明顯高于底板巷，這是導(dǎo)致頂板巷沖擊顯現(xiàn)次數(shù)高于底板巷的主要原因。

由圖6 可知：受開(kāi)采范圍增加，最大主應(yīng)力等值線(xiàn)由水平方向轉(zhuǎn)為垂直煤層層面方向分布；2 煤最大主應(yīng)力隨著開(kāi)采分段增加，向傾向深部集中，即對(duì)下分段產(chǎn)生應(yīng)力集中影響，且傾斜方向上應(yīng)力峰值由深部靠近采空區(qū)下部附近，且應(yīng)力集中程度隨開(kāi)采范圍增加而增大，導(dǎo)致應(yīng)變能向下分段工作面位置集中，導(dǎo)致沖擊危險(xiǎn)性急劇增強(qiáng)；由于頂板對(duì)2 煤的直接擠壓作用，以及淺部采空區(qū)對(duì)底板巷一側(cè)的一定卸壓作用，導(dǎo)致頂板巷周?chē)后w應(yīng)力集中程度明顯高于底板巷，從而導(dǎo)致頂板巷沖擊危險(xiǎn)性明顯高于底板巷。

不同分段工作面巷間垂直應(yīng)力分布曲線(xiàn)如圖7。東一203 工作面兩巷位置傾向水平應(yīng)力分布曲線(xiàn)如圖8。各分段工作面水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力峰值σh與工作面開(kāi)采深度h 的關(guān)系如圖9。

圖7 不同分段工作面巷間垂直應(yīng)力分布曲線(xiàn)Fig.7 Variation curves of vertical stress of coal seam inclination in different sublevel mining

圖8 203 工作面開(kāi)采巷道傾向水平應(yīng)力分布曲線(xiàn)Fig.8 Horizontal stress distribution curves of coal tendency in 203 work face

圖9 應(yīng)力峰值隨開(kāi)采深度演化情況Fig.9 Evolution of peak stress with mining depth

由圖7 分析可知：隨著開(kāi)采分段的增加，巷間垂直應(yīng)力疊加逐漸加強(qiáng)，且峰值逐漸增大，東一203 工作面兩巷間應(yīng)力峰值達(dá)到29.9 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.55；巷間應(yīng)力峰值位置距底板巷約為5.25 m，垂直應(yīng)力峰值距離底板巷較近。

由圖8 可知：東一203 工作面頂板巷周?chē)后w水平應(yīng)力整體集中程度較高，水平應(yīng)力積聚的彈性變形能較高。雖然底板巷所處位置水平應(yīng)力也較高，但底板巷靠近卸壓區(qū)，巷道圍巖積聚的總能量相對(duì)較低。同時(shí)，由于急傾斜煤層水平分段工作面兩巷布置的非對(duì)稱(chēng)性，頂板巷存在巨厚底煤，底煤厚度遠(yuǎn)大于底板巷底煤厚度。另一方面，底煤是巷道四周支護(hù)最弱的1 個(gè)面。因此在水平集中應(yīng)力作用下，頂板巷更容易發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。

由圖9 可知：應(yīng)力峰值與工作面開(kāi)采深度（段數(shù)）呈線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系（R2＞0.9）。因此，開(kāi)采深度的加大、開(kāi)采段數(shù)的增加，導(dǎo)致的集中應(yīng)力的線(xiàn)性增大是急傾斜水平分段開(kāi)采沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力基礎(chǔ)。

4 沖擊地壓發(fā)生機(jī)理及防治方案

4.1 急傾斜煤層水平分段開(kāi)采誘沖模型

急傾斜特厚煤層水平分段開(kāi)采誘沖模型示意圖如圖10。

圖10 急傾斜特厚煤層水平分段開(kāi)采誘沖模型示意圖Fig.10 Schematic diagram of induced shock model of steeply inclined extra-thick coal seam in horizontal subsection mining

由于東一采區(qū)急傾斜煤層厚度17 m，分段垂高為24 m，煤厚略小于工作面分段高度，使得工作面頂板巷、底板巷均處在側(cè)向支撐應(yīng)力峰值區(qū)域。在側(cè)向支撐壓力作用下，煤體處在高靜載狀態(tài)下，巷道圍巖積聚的能量高；且隨著分段開(kāi)采范圍加大，覆巖破斷運(yùn)動(dòng)范圍擴(kuò)大，上覆巖層活動(dòng)性增強(qiáng)，由覆巖破斷運(yùn)動(dòng)形成的大能量礦震以應(yīng)力波的形式傳遞到巷道周邊，對(duì)巷道圍巖施加動(dòng)載荷。原本較高的靜載荷σs與動(dòng)載荷σd疊加超過(guò)煤巖體發(fā)生沖擊地壓的臨界載荷，從而導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生。

由于急傾斜水平分段開(kāi)采頂、底板巷與淺部采空區(qū)之間的非對(duì)稱(chēng)性，煤巖體最大主應(yīng)力由水平方向分布轉(zhuǎn)為垂直煤層分布，煤層上覆頂板對(duì)煤層產(chǎn)生擠壓作用，頂板巷應(yīng)力集中程度更高，且考慮到頂板巷底煤厚度更大，因此，由動(dòng)靜載疊加導(dǎo)致的沖擊地壓災(zāi)害嚴(yán)重程度較底板巷高。根據(jù)圖8 可知煤體高靜載區(qū)域（圖10 中A 區(qū)域）位于頂板巷上部及底板巷下部，此區(qū)域煤體由于頂板擠壓作用導(dǎo)致煤體應(yīng)力集中，若此區(qū)域煤體長(zhǎng)期不進(jìn)行卸壓處理且采空區(qū)巖體破裂出現(xiàn)動(dòng)載，易誘發(fā)靜載型沖擊地壓災(zāi)害顯現(xiàn)。

4.2 沖擊地壓針對(duì)性防治方案

沖擊地壓防治方案如圖11。

圖11 急傾斜水平分段開(kāi)采沖擊地壓防治方案Fig.11 Prevention measures of rock burst in steeply-inclined and extra-thick coal seams

1）急傾斜水平分段工作面頂板擠壓煤體是采動(dòng)應(yīng)力形成的根源，且頂板為厚度達(dá)24.03 m 的粗砂巖，為了降低因懸頂導(dǎo)致的應(yīng)力集中，同時(shí)減弱頂板破斷產(chǎn)生的強(qiáng)烈動(dòng)載，設(shè)計(jì)頂板預(yù)裂爆破方案。頂板預(yù)裂爆破每15 m 布置1 組鉆孔；每組3 個(gè)孔，分別為T(mén)1、T2、T3，T1、T2鉆孔裝藥30 kg，裝藥長(zhǎng)度15 m，封孔長(zhǎng)度不小于10 m；T3鉆孔裝藥20 kg，裝藥長(zhǎng)度8 m，封孔長(zhǎng)度不小于5 m，如圖11（a）。

2）急傾斜水平分段工作面頂板巷底煤厚且煤體易積聚彈性能，巷道間應(yīng)力疊加集中程度高，發(fā)生沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)較高，需要對(duì)回風(fēng)巷周?chē)后w采取卸壓措施。回風(fēng)巷底板設(shè)計(jì)采用底煤爆破卸壓，爆破孔沿巷道下幫角成45°俯角進(jìn)行施工，每5 m 布置1組孔，每組2 孔；鉆孔深度10 m，鉆孔直徑φ42 mm，裝藥4 kg，封孔不小于4 m；為控制爆破卸壓產(chǎn)生的震動(dòng)能量，防止因煤體爆破誘發(fā)強(qiáng)礦震，每次起爆1～3 組，不超過(guò)6 個(gè)孔；回風(fēng)巷右?guī)驮O(shè)計(jì)采用大直徑鉆孔，大直徑鉆孔從頂板巷向工作面斜上方布置，覆蓋到底板巷。鉆孔直徑大于100 mm，鉆孔深度25 m，仰角30°，鉆孔間距1.4 m，如圖11（b）。

3）東一203 運(yùn)輸巷左幫煤體應(yīng)力集中程度高，沖擊危險(xiǎn)性較高，需對(duì)該面幫部及斜下方底煤進(jìn)行卸壓。每組設(shè)計(jì)2 個(gè)爆破卸壓鉆孔，爆破孔直徑φ75 mm，幫部爆破孔深度10 m，5°左右仰角施工，裝藥5 kg，封孔不小于4 m，底角爆破卸壓孔俯角30°，鉆孔深度8 m，裝藥4 kg，封孔不小于3 m，幫部卸壓孔開(kāi)孔位置位于巷道中部，底角爆破孔距巷道底板不超過(guò)1 m，每組鉆孔間距1.4 m，如圖11（c）。

4.3 沖擊地壓防治效果

東一203 工作面巷道掘進(jìn)期間采用以上沖擊地壓防治方案對(duì)巷道底煤和工作面煤體進(jìn)行卸壓；工作面回采前超前工作面不小于200 m 采取頂板爆破預(yù)裂沖擊地壓防治方案，從而使工作面頂板、煤體、底煤形成“三位一體”的綜合卸壓效果。沖擊地壓方案實(shí)施后，東一203 工作面回采，其間礦震總能量如圖12。

圖12 東一203 工作面回采期間微震總能量曲線(xiàn)圖Fig.12 Total daily energy monitored of eastern 203 mining face

由圖12 可知：工作面初采階段，回風(fēng)巷頂板預(yù)裂卸壓階段頂板活動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)，微震能量相對(duì)較高，但總能量整體上均小于1.5×104J，明顯小于沖擊地壓預(yù)警臨界值3×104J。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該急傾斜水平分段工作面采取的針對(duì)性沖擊地壓防治方案卸壓防沖效果顯著。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）王家山煤礦急傾斜水平分段工作面沖擊地壓在頂板巷和底板巷具有發(fā)生，沖擊地壓主要表現(xiàn)為底鼓和支護(hù)體破壞，頂板巷較底板巷更易于發(fā)生沖擊地壓。通過(guò)對(duì)比其他大傾角礦井水平分段工作面確定王家山煤礦的煤層條件導(dǎo)致頂?shù)装逑锏乐車(chē)鷳?yīng)力的大小產(chǎn)生不同，從而使得頂?shù)装逑锏朗茌d特征發(fā)生改變。

2）模擬表明：隨著工作面開(kāi)采分段的增加，頂?shù)装逑锏篱g垂直應(yīng)力疊加明顯，且峰值應(yīng)力逐漸增加；東一203 工作面兩巷間應(yīng)力峰值達(dá)到29.9 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.55；煤巖體最大主應(yīng)力由原水平方向分布轉(zhuǎn)為垂直煤層傾向分布，應(yīng)力峰值區(qū)逐漸靠近工作面，能量積聚明顯。

3）由于急傾斜水平分段開(kāi)采的非對(duì)稱(chēng)性，煤層上覆頂板對(duì)煤層產(chǎn)生擠壓作用，頂板巷應(yīng)力集中程度更高，且考慮到頂板巷底煤厚度更大，因此，頂板巷易誘發(fā)靜載型沖擊地壓災(zāi)害顯現(xiàn)?；诩眱A斜水平分段開(kāi)采沖擊地壓發(fā)生規(guī)律，結(jié)合沖擊地壓應(yīng)力分布，設(shè)計(jì)了頂板預(yù)裂爆破、底煤爆破及煤幫大直徑鉆孔卸壓的“三位一體”沖擊地壓防治方案，監(jiān)測(cè)表明卸壓防沖效果顯著。