华丰矿冲击地压危险性预测及区域防治技术研究*

王志强, 苏　越,崔冬雪，蒲宇泽，李　宁

(中国矿业大学(北京)　资源与安全工程学院，北京 100083)

0　引言

我国煤矿自1933年在抚顺胜利煤矿首次发生冲击地压以来，目前已有超过5%的大型煤矿存在冲击地压危险。对冲击地压发生的研究，文献[1-2]表明覆岩运动造成的煤岩应力扰动具有重要作用。因此，多年来研究人员提出了多种理论模型及防治技术。

姜耀东等[3]分析了冲击地压、岩爆和矿震之间存在的联系和区别,建立了煤矿冲击地压的3种力学模型;杨随木等[4]认为只有同时满足内在条件、结构条件和应力条件时才会发生冲击地压;齐庆新等[5]指出断层的构造应力是导致冲击地压发生的主要原因。

文献[6]认为华丰矿4#煤层上方存在的近550 m巨厚砾岩在其破断、运动时，释放大量的能量，对工作面造成强烈冲击，同时发现破断中心距巷道越近，越容易引发冲击矿压并初步提出采用覆岩离层注浆技术控制砾岩运动的方案；文献[7-8]将关键层作为研究对象，依据断裂步距计算其弹性能及对工作面冲击地压发生的影响。

结合上述成果分析华丰煤矿1411工作面的地质条件，认为如仍按照传统方法对巨厚砾岩的断裂步距进行计算分析，无论是采用梁还是板的理论均不再适用。另外，华丰矿防治冲击地压的措施包括开采解放层、留设小煤柱、微震监测与超前卸压等；但从效果来看，工作面上巷变形量大且冲击地压时有发生。本文基于华丰矿地质与回采技术条件，拟先对巨厚砾岩断裂位置进行区域动力划分，然后提出采用巷道布置优化方法与覆岩离层注浆两项区域性措施解决工作面上巷冲击地压频发问题。

1　巨厚砾岩断裂位置与冲击地压危险性预测

1.1　巨厚砾岩发生破断的能量积聚与传播

巨厚砾岩由于厚度大、强度高，当其破断运动时，会引发强烈的冲击地压动力灾害。砾岩发生断裂时，内部聚积的弹性能分别为[9]：

(1)

(2)

式中:q为砾岩承载，取γh，kN/m2；J为单位断面矩,J=h3/12，h为砾岩厚度，m；L0,Lp为砾岩的初次断裂长度与周期断裂长度，m；E为弹性模量，取4.92×104MPa。

由上述公式知，砾岩积聚的弯曲弹性能与本身重力的平方成正比，与其厚度、弹性模量成反比，与其断裂步距的5次方成正比。

当砾岩发生破断时，能量会以震动、地震波的形式释放出来。从砾岩的破断处开始，在长度为dl的范围内，能量的变化值为dU，其变化可以写成：

-dU=λUdl

(3)

式中：-dU为能量的损失。

因此，砾岩破断产生的能量传递到巷道或工作面时，其剩余能量为：

Uf=Uweλ1

(4)

式中:Uw为l=0时的震动能量，J；λ为能量的衰减系数，与巷道和工作面类型、震中释放能量的大小有关[10]，震中释放的能量越大，λ也越大，一般取0.012～0.039。

结合公式(1)，(2)，(4)发现，4#煤层回采工作面回风巷受巨厚砾岩能量传播的主要影响因素包括：断裂步距、巷道布置方式。

1.2　巨厚砾岩断裂位置划分与能量计算

由于开采矿区深度的急剧增长，回采技术与自然因素造成的冲击地压次数逐渐增多，因此，采矿工业面临如何揭示设计、建设和管理有冲击地压危险矿井时的自然场问题。

为了查明危险的构造应力带，在矿山的设计和施工阶段需要查明原始应力场的形成机制，而原始应力场的评估工作用区域动力规划方法来进行，即依据“从一般到个别”的原则划分断块构造，对各级断块进行分类并注意高一级断块对低一级断块的主导作用。

在地形上表现不明显的活断裂是板块边界。根据从一般到个别的原则，使用适当比例尺的地图，按照地形解码特点和标高对这些活断裂进行译解。板块等级的划分与地形图比例尺之间的关系见表1。

表1　板块级别

研究中确定区域动力规划的最终目标是在1∶5 000比例尺的地形图中划分出VI级断裂块体，同时需要绘制采掘工程活动，并做出危险性预测，结果如图1所示。

区域1～6 为 沿1411工作面推进方向的6条断裂带图1　区域动力划分断裂示意Fig.1　The schematic of regional dynamic planning to differentiate fracture

在图1中标有划分出的断裂结果及正在向东开采的1411工作面。1411工作面向东推进中要经历6个断裂影响区域，从以往发生冲击地压的情况看，所有的冲击地压均受到断裂的影响，因此，本文将划分出的6条断裂带作为研究的重点。

从图1中可以看出，距离1411工作面开切眼232，377，551，899，1 189，1 566 m时，砾岩会发生6次断裂，按照公式(1)和(2)确定砾岩发生断裂时聚积的弹性能分别为1.78×105，1.22×106，1.46×106，2.93×106，2.44×106，3.17×106J。由于砾岩与煤层之间的平均距离为150 m，工作面前方的断裂角为67°，结合公式(4)确定砾岩断裂时到达工作面的能量分别为(1.4～8.3)×104，(1～5.7)×105，(1.2～6.8)×105，(2.4～13.7)×105，(2～11.4)×105，(2.6～14.8)×105J。从能量级别来看，砾岩发生断裂对采场影响的震级在1.5～2.5级之间，处于冲击地压发生的危险级别之内。

2　华丰矿接续工作面回采巷道布置优化设计

华丰煤矿所采4#煤层，煤层厚度平均6.2 m，平均倾角32°，目前回采的1411工作面埋深在-920～-1000 m，考虑到地表标高超过+100 m，因此开采深度已经超过千米。4#煤层直接顶为粉砂岩，厚度2.7 m，性脆、层理发育、易碎，极易冒落；基本顶为中砂岩，厚度9.2 m，厚层状，层理不发育。开采主要应用综合机械化放顶煤，机采高度2.3 m，放煤高度3.9 m。

从1410工作面开始，华丰矿采用错层位外错式巷道布置形式[11]。1410工作面回采后形成如图2所示的结构。由于1410工作面进风巷受垮落矸石下滑充填密实作用，理论上避免了发生冲击地压。但是开采过程中，冲击地压仍在1411工作面的巷道2中发生，故仍需对接续工作面的巷道布置形式进行优化，以期避免下区段上巷受巨厚砾岩运动影响而造成冲击地压频发的现象。

1. 1410工作面进风巷；2. 1411工作面回风巷。图2　传统接续面巷道布置形式示意Fig.2　The roadway layout diagram of traditional connecting face

分析图2中形成的巷道与围岩体系，基本顶为厚而坚硬的中砂岩，且其回转变形为给定变形，可视基本顶岩层为刚性体，是巷道围岩体系的上部边界。因此，巷道与围岩体系可视为由具有一定刚度的直接顶、支撑体和底板组成的，对图3所示接续工作面回风巷围岩建立刚度模型[12]，见公式(5)：

(5)

式中：Ks为支撑体的刚度，kN/m；Kr为直接顶的刚度，Kr=E/M，E为直接顶的弹性模量，GPa，M为直接顶的高度，m。直接顶不同，其刚度也不同，对巷道围岩体系产生的影响也不同。底板刚度Kf可通过分析底板抗压的特性来获得，通过对底板比压的调整，可忽略其影响，故公式(5)可简化为：

(6)

1. 1410工作面进风巷；2. 1411工作面回风巷。图3　1411工作面回风巷的优化布置Fig.3　The optimization layout of the return airflow roadway in 1411 working face

图2破碎顶板的刚度按照公式(7)确定：

K=E/Σh

(7)

式中：E为弹性模量，GPa；Σh为顶板垮落带高度，m。

关于文献[13]给出相同高度破坏后的围岩刚度为破碎前的24.6%，如果进一步考虑垮落带高度的增加，整个系统的刚度会进一步降低，在此取衰减系数η，公式(6)调整为：

(8)

由于采用错层位内错式巷道布置时垮落带高度比采用外错式巷道布置时跨落高度大。故对比公式(6)和(8)发现，采用错层位内错式巷道布置显著降低了围岩的刚度，进一步对巷道围岩系统的刚度、应变与应力进行分析，见公式(9)所示：

σ=K×s=K′×s′

(9)

式中：σ为巨厚砾岩断裂对下伏巷道及围岩系统的施载；s为留煤柱系统巷道及围岩系统的变形；s′为内错式巷道布置系统变形。

对公式(9)进行分析，巨厚砾岩在向巷道传递能量过程中，图2与图3系统体现出不同的情况，图2中巷道顶板为完整的煤体与顶板，围岩变形量很小，故公式(9)中s基本为巷道变形。同时为了减小巷道变形，需要增加巷道支护强度，这样能在巷道及围岩系统与巨厚砾岩之间实现能量的平衡。但是高强支护巷道也积聚巨大的能量，这是冲击地压发生的主要原因。

如图3所示，巷道上方为采空区垮落的矸石，按照华丰矿开采厚度6.2 m并考虑煤层倾角计算，垮落带厚度为24.3 m。在巨厚砾岩作用下，主要是垮落碎涨矸石的压实作用，碎涨系数取1.3，残余碎涨系数取1.1，那么巷道顶部垮落矸石从初始碎涨到残余碎涨的变形达到4.86 m，不利于短时积聚能量，对预防冲击地压发生有利。故提出了在工作面采用前进式开采时将超前掘进的上巷拐至1410工作面采空区下方的巷道布置方案。

2.1　错层位内错式巷道布置数值模拟

为了进一步验证错层位内错式巷道布置的效果，对该巷道布置形式进行数值模拟研究。

内错式巷道布置垂直应力分布如图4所示，1410工作面开采完之后，工作面顶底板完全卸压，应力向深部转移。采用错层位内错式巷道布置下去段回风巷，即把接续工作面的进风巷道布置在图中的矩形方框的位置，此处位于卸压区，应力已经被释放不会出现应力集中现象。应力值变得很小，且大小比较均匀。

图5为接续面巷道开挖之后围岩应力分布图，由图中可以看出，1411工作面开挖后并不会出现明显的应力集中现象，有效防止冲击地压的发生对巷道和工作面造成危害。内错式巷道布置对支架承载要求不高，并且煤柱的留设，大大减少了煤炭损失，提高经济效益。

图5　内错式接续面巷道开挖垂直应力分布Fig.5　Vertical internal stress distribution diagram of internal staggered type roadway excavation

3　覆岩离层注浆控制巨厚砾岩运动的技术研究

4#煤层开采中造成导水裂隙带发育至巨厚砾岩下方，受采动影响，巨厚砾岩下方形成离层并不断扩大，这为注浆创造了条件，也为浆体顺着采动裂隙流向4#煤层采空区创造了条件，而固体材料留在离层区支撑上覆巨厚砾岩，控制砾岩的稳定。华丰矿为了综合防治冲击地压并控制地表斑裂，曾在1406工作面采用覆岩离层注浆充填减沉法，沿走向布置了3个地面注浆减沉钻孔，注浆层位选择在巨厚砾岩层下，按照理论计算得到的巨厚砾岩断裂步距，沿走向布置的3个钻孔距开切眼的距离分别为400，780，980 m。

通过布置在地面的观测站实测表明，注浆充填减沉效果并不理想。结合华丰矿地质与开采技术条件，原有覆岩离层注浆技术在控制地表下沉与上巷冲击地压预防中的应用存在几个问题，包括：工作面倾斜长度短，沿倾斜方向的覆岩采动程度不充分，离层充填体对上覆砾岩的支撑效果有限；通过华丰矿钻孔揭露资料来看，砾岩随着开采范围的增加，其厚度增加，不能按照常规的方法确定其断裂步距；为了实现离层分区注浆，按照实测覆岩移动角65°和70°计算，工作面之间需留设近170 m宽的永久煤柱，华丰矿资源储量的现状无法满足要求。

3.1　覆岩倾向离层注浆钻孔的布置

针对覆岩离层注浆充填的研究现状，结合巷道布置的优化，提出如图6所示的技术优化方案。

图6　覆岩倾向离层连续注浆技术示意Fig.6　The schematic of overburden tendency separation continuous grouting technology

如图6所示，首采工作面开采时，受覆岩运动影响而产生离层区，沿倾向会逐渐形成覆岩离层区A，通过预先布置的注浆钻孔向离层区A进行注浆，始终控制离层区A沿倾向的尺寸小于砾岩的倾斜方向的断裂步距，保证其稳定性。当工作面采用内错式巷道布置时，相邻工作面上覆岩层的运动形成一个整体，体现出单一工作面的开采特点。因此，接续工作面开采期间，随着离层区B出现即仍通过图中的钻孔继续进行注浆，始终保证砾岩倾斜方向的悬露步距小于其极限断裂步距。图6中所示覆岩离层区域进行注浆充填减沉具有如下特点:倾斜方向的采动更充分，充填效果更好；采动影响与注浆工作的衔接更合理；注浆量大；钻孔工程量小。

3.2　覆岩走向离层注浆钻孔布置

区域动力规划结果及注浆钻孔走向布置如图7所示，划分板块边界后，在沿工作面推进方向上布置注浆钻孔，考虑到砾岩距离煤层150 m以及上覆岩层移动角55°的影响，在工作面上巷外侧80 m处沿走向在划分出的断裂边界布置6个注浆钻孔。在1411工作面推进过程中，当图7中所划出的断裂下方出现离层即进行注浆，从而保证砾岩的稳定性，预防冲击地压的发生。

区域1～6 为 1411工作面推进方向上的6个断裂影响区域图7　区域动力规划结果及注浆钻孔走向布置示意Fig.7　the schematic of regional dynamic planning results and grouting drill striking layout

4　工程应用效果分析

在区域动力规划的基础上，采用错层位内错式巷道布置及覆岩离层注浆控制巨厚砾岩运动2项技术对冲击地压现象进行防治。从实际生产情况来看，2012年6月之前，1411工作面与1410工作面之间留5 m小煤柱，工作面平均月推进速度44.8 m，但是在1411工作面回风巷仍然有较大影响的冲击地压事件发生；2012年6月后，工作面开始采用错层位内错式巷道布置回采，截止到2013年3月，工作面平均月推进速度达到58.5 m，1411工作面回风巷再无冲击地压事件发生。通过井下实际观测，采用内错式布置后的1411工作面回风巷维护状况要好于之前留5 m煤柱时的情况。因此，认为错层位内错式巷道布置对于回风巷防冲有利。

同时，根据实际离层连续一体化注浆技术情况，对覆岩离层连续注浆效果分析如下：

1)减沉效果方面。根据现场实测，倾向主断面观测线上最大下沉值为2 640 mm，而受1410工作面采动影响，1411工作面开采之前地表下沉约410 mm，即1411工作面注浆充填开采条件下地表发生的下沉值为:2 640 mm-410 mm=2 230 mm，则离层注浆条件下，地表下沉系数为:2 230/(6 200×cos 32°)=0.42。结合现场实测，与之前1406工作面地表下沉系数0.62进行对比，认为1410，1411工作面采用倾向离层连续注浆技术后，地表下沉率降低为：(正常开采下沉系数-注浆开采下沉系数)×100%/正常开采下沉系数=(0.62-0.42)×100%/0.62=32.2%。

2)注浆量方面。1410与1411工作面注浆孔持续注浆时间最长6a，累计注入浆体7.99×104m3，注入固体(粉煤灰)1.23×104m3。1406工作面的注浆孔持续注浆时间为18个月，注入浆体5.2×104m3，注入固体0.47×104m3。由于1406工作面的长度及推进度均较短，且采动程度低，形成离层的体积较小，充填以工作面倾斜下半部形成的离层空间为主，因此充填时间与注浆量少。

3)钻孔工程量方面。按照1406工作面钻孔布置情况，至少还需要布置1组钻孔，累计钻孔工程量约1 780 m，而采用离层连续一体化注浆技术相邻2个工作面倾斜方向注浆钻孔工程量约850 m，可节省钻孔工程量930 m，按照走向布置的6个钻孔，累计可节省钻孔工程量5 580 m。

综合上述实际情况，认为采用覆岩离层连续注浆技术具有显著提高充填减沉效率，增加离层的注浆量以及降低钻孔工程量等优势。

5　结论

1)采用区域动力规划方法对砾岩断裂位置进行划分，得到了砾岩断裂步距并计算了断裂后释放能量的大小，通过释放能量的计算方法认为可调整断裂步距与巷道布置2可控因素对冲击地压进行区域性防治。

2)通过对1411工作面回风巷及围岩建立力学模型，对比1411工作面采用内错式巷道布置形式与原留5 m煤柱上巷及围岩力学系统，认为原有巷道布置形式会使巷道围岩积聚大量的弹性能，是冲击地压发生的根本原因；而内错式巷道布置力学系统巷道周围不易积聚能量，利于冲击地压的防治。

3)为了进一步控制巨厚砾岩的运动，在内错式巷道布置的基础上，提出覆岩离层倾斜方向连续注浆方法，并提出相应的注浆充填方案。

4)对所提出方案进行了现场观测，发现1411工作面回风巷虽然采用U型钢支护，但维护效果好，工作面月进尺提高13.7 m，回风巷未发生冲击地压事故；离层注浆方面与同类技术对比发现地表沉陷值进一步降低，实际的注浆量大，而钻孔工程量大幅度降低。

[1]窦林名,何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001.

[2]兰天伟,张宏伟,李胜,等. 矿井冲击地压危险性预测的多因素模式识别[J].中国安全生产科学技术,2013,23(3):33-38.

LAN Tianwei, ZHANG Hongwei, LI Sheng, et al. Multi-factor pattern recognition method for predicting mine rock burst risk[J]. Journal of Safety Science and Technology,2013,23(3):33-38.

[3]姜耀东,赵毅鑫.我国煤矿冲击地压的研究现状:机制、预警与控制[J]. 岩石力学与工程学报,2015,34(11):2188-2204.

JIANG Yaodong,ZHAO Yixin. State of the art：investigation on mechanism，forecastand control of coal bumps in china[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015,34(11):2188-2204.

[4]杨随木,张宁博,刘军,等. 断层冲击地压发生机理研究[J]. 煤炭科学技术,2014,42(10):6-9,27.

YANG Suimu, ZHANG Ningbo, LIU Jun,et al.Research on mechanism of fault rock burst[J]. Coal Science and Technology, 2014,42(10):6-9，27.

[5]齐庆新,李晓璐,赵善坤. 煤矿冲击地压应力控制理论与实践[J]. 煤炭科学技术,2013,41(6):1-5.

QI Qingxin, LI Xiaolu,ZHAO Shankun.Theory and practices on stress control of mine pressure bumping[J].Coal Science and Technology, 2013,41(6):1-5.

[6]李少刚.综放采场覆岩大结构运动规律及失稳冲击灾害防治研究[D].青岛：山东科技大学,2006.

[7]王志强,郭晓菲,高运,等. 华丰煤矿覆岩离层注浆减沉技术研究[J]. 岩石力学与工程学报,2014,33(S1):3249-3255.

WANG Zhiqiang, GUO Xiaofei, GAO Yun,et al. Study of grouting technology of overburden-separation to reduce ground subsidence in huafeng coal mine[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014,33(S1):3249-3255.

[8]王志强,范新民,赵景礼.一种采场覆岩离层的注浆减沉方法:201310079476.4[P]. 2013-07-24.

[9]布霍依诺 G.矿山压力和冲击地压[M].李玉生译.北京：煤炭工业出版社，1985.

[10]王志强,赵景礼,张宝优,等.错层位巷道布置放顶煤开采关键层的稳定特征[J].煤炭学报,2008,33(9):961-965.

WANG Zhiqiang，ZHAO Jingli，ZHANG Baoyou,et al. Stable characters of key stratum in stagger arrangement roadway layout top-coal caving mining[J]. Journal of China Coal Society，2008,33(9):961-965.

[11]赵景礼，吴健.厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法:ZL98100544.6[P].1998-02-18.

[12]牟宗龙,窦林名,李慧民,等. 顶板岩层特性对煤体冲击影响的数值模拟[J]. 采矿与安全工程学报,2009,26(1):25-30.

MOU Zonglong, DOU Linming, LI Huimin,et al. Numerical simulation of roof stratum effect on coal mass burst[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2009,26(1):25-30.

[13]窦林名,许家林,陆菜平,等. 离层注浆控制冲击矿压危险机理探讨[J]. 中国矿业大学学报,2004,33(2):145-149.

DOU Linming, XU Jialin, LU Caiping,et al..Study of controlling rock burst with grouting bed separation[J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2004,33(2):145-149.