劉曉剛，張 震，劉前進

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

堅硬頂板的煤層占我國煤炭賦存總量的1/3左右，且分布在50%以上的礦區(qū)[1]，因強度高、厚度大、節(jié)理裂隙不發(fā)育、整體性強，當發(fā)生突然失穩(wěn)時，可造成工作面颶風、沖擊、壓架等安全生產(chǎn)事故，對井下設(shè)備運行和人員安全形成嚴重威脅[2]。多年來，國內(nèi)外學者對多層堅硬頂板強礦壓產(chǎn)生的原因及防治技術(shù)進行了大量研究。朱德仁[3]采用Winkler彈性基礎(chǔ)上的Kirchhoff板，對堅硬頂板結(jié)構(gòu)塊體受力和運動平衡條件進行了分析；霍丙杰[4]采用“拱殼”平衡結(jié)構(gòu)理論對大同礦區(qū)多層堅硬頂板采場的覆巖運動和強礦壓特征開展了分析研究，于斌[5]等提出了井上下、遠近場區(qū)域壓裂協(xié)同控制技術(shù)解決多層厚硬頂板強礦壓問題；黃慶享[6]建立了近淺埋煤層大采高工作面頂板“雙關(guān)鍵層”理論，揭示了工作面大小周期來壓的機理。劉長友[7]等研究了多層堅硬頂?shù)钠茢嘈问脚c破斷次序?qū)ΦV壓的影響。朱志潔[8]對巷道圍巖應(yīng)力和變形周期性突變現(xiàn)象進行了研究。研究和實踐均表明，巖層弱化卸壓是堅硬頂板強礦壓防治的主要技術(shù)手段，實施方式主要是爆破和注水壓裂。然而，充分了解堅硬巖層對象本身，全面掌握強礦壓發(fā)生誘因，產(chǎn)生、發(fā)展和致災(zāi)機制，是巖層卸壓控制取得理想效果的關(guān)鍵[9-13]。

榆神礦區(qū)是我國重要煤炭資源富集區(qū)，已探明普查地質(zhì)儲量達超300億t，具有煤層厚度大(大于10 m)、埋深淺(小于450 m)，頂板堅硬(砂礫巖為主)的特點[14]。區(qū)別于典型淺埋煤層的單一關(guān)鍵層薄基巖結(jié)構(gòu)，當埋深大于250 m時，榆神礦區(qū)頂板巖層一般呈現(xiàn)多關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，強礦壓發(fā)生機理呈現(xiàn)出一定特殊性和復(fù)雜性[15]。與此同時，6.0 m以上大采高開采工藝在榆神礦區(qū)已經(jīng)普遍應(yīng)用，8.0 m以上超大采高開采工藝也在加速推進落地[16]，伴隨著覆巖開采擾動強度的增大，近淺埋堅硬頂板條件下的強礦壓的防治理論和技術(shù)裝備需求將愈發(fā)迫切。

基于此，本研究以曹家灘煤礦為例，通過覆巖破斷運動、煤體應(yīng)力及工作面來壓規(guī)律監(jiān)測，對近淺埋多層多層厚硬頂板條件下的來壓規(guī)律進行了分析研究，以期為類似條件下礦井的安全高效生產(chǎn)提供有益借鑒。

1 工程概況

1.1 礦井概況

曹家灘煤礦位于榆神礦區(qū)、榆林市東北部，礦區(qū)面積約2735 km2，資源儲量約480億t，設(shè)計生產(chǎn)能力為15.0 Mt/a，是榆神礦區(qū)主力生產(chǎn)礦井。礦井目前開采2-2煤層，煤層埋深255～348 m，可采厚度8.08～12.36 m，平均11.22 m。根據(jù)井田地層垂向厚度統(tǒng)計結(jié)果，煤層頂板垂向100 m范圍內(nèi)均賦存有15～25 m厚的厚硬砂巖、頂板整體強度較高。同時，0～30 m的低位巖層和60～100 m的高位巖層厚度峰值區(qū)間分別為25～55 m和25～65 m，具有較明顯的“高+低層位厚硬頂板”覆巖結(jié)構(gòu)特征，如圖1所示。工作面來壓存在“大小周期”現(xiàn)象，“大周期”期間厚硬頂板巖層破斷造成的采場及巷道強礦壓現(xiàn)象異常強烈，如圖2所示。

圖1 井田頂板巖層厚度垂向分布特征Fig.1 Vertical distribution characteristics of roof rock thickness in mine field

圖2 支架立柱和巷道煤柱的強礦壓現(xiàn)象Fig.2 Strong mine pressure behavior on support column and roadway coal pillar

1.2 工作面開采技術(shù)條件

122110工作面是井田東翼開采的第3個工作面，走向長度5888 m，傾向長度330 m，開采的2-2煤厚度7.16～12.70 m，平均煤厚11.2 m，煤層傾角0°～5°，工作面地表標高+1250～+1322 m，平均+1296 m，工作面標高+964～+1002 m，平均+974.4 m，埋深286～330 m，平均313 m。工作面采用綜合機械放頂煤開采工藝，割煤高度6 m，放煤高度4 m，推進度速度10 m/d，相鄰工作面位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 工作面位置關(guān)系Fig.3 Position relationship of working faces

“松散層厚、基巖多層厚硬砂巖、多關(guān)鍵層頂板”是工作面覆巖結(jié)構(gòu)整體特征。以工作面中部的補47地質(zhì)鉆孔為例：松散層厚度142.9 m(巖層序號1～5)；基巖厚度185.76 m(巖層序號6～27)、巖層主要為粉砂巖、細粒砂或中砂巖，單層厚度1.02～25.2 m，合計占比98.8%，其中厚度大于10 m的部分占比達73.56%；垂高100 m范圍賦存有3層關(guān)鍵層(巖層序號分別為23、24和15)；頂板巖層層理不發(fā)育、完整性好、強度大，見表1。

表1 頂板巖層柱狀信息(補47鉆孔)Table 1 Roof strata columnar information(suppl-47 borehole)

2 覆巖頂板破斷運動特征

2.1 數(shù)值分析

根據(jù)表1中補47柱狀信息，采用有限元分析軟件FLAC3D5.0對122110工作面走向推進500 m范圍內(nèi)覆巖破斷運動進行了計算分析。結(jié)果表明，工作面推采后，頂板巖層出現(xiàn)了明顯“垂向分區(qū)下沉”：0～45 m的低位巖層表現(xiàn)出“加速下沉”特征，最大下沉量9.14 m；45～165 m的中高巖層則表現(xiàn)出“沉降減緩”特征，最大下沉量6.33 m。同時，在垂高45 m的巖層分界面上，高低位巖層下沉量發(fā)生了“突降”現(xiàn)象，產(chǎn)生了較大的垂向離層空間，如圖4、圖5所示。

圖4 頂板走向剖面下沉位移分布Fig.4 Sinking displacement cloud diagram of roof strike section

圖5 頂板破斷下沉位移曲線Fig.5 Roof breaking subsidence displacement curve

展開分析可知，多層厚硬頂板破斷運動可分為3個階段：階段1，低位頂板破斷下沉、支架立柱受力來壓，因強度高并遠離采動影響，中高位巖層“懸而未斷”，高低位巖層間產(chǎn)生“垂向離層空間”；階段2，工作面推進距離增加，中高位頂板懸頂距離增大并到極限破斷步距，頂板巖層發(fā)生斷裂并通過階段一中的“垂向離層空間”回轉(zhuǎn)下沉；階段3，中高位巖層自重應(yīng)力和位移與低位巖層疊加，作用在工作面支架立柱上。

2.2 實測分析

采用ARP2000P和ARAMIS M/E的“地面+井下微震聯(lián)合監(jiān)測”系統(tǒng)，對122110工作面覆巖活動進行三維立體監(jiān)測，以分析覆巖破斷能量事件與工作面礦壓顯現(xiàn)的內(nèi)在聯(lián)系。2023年5月6日—8月6日期間內(nèi)，122110工作面頂板破斷微震事件垂向和走向能量分布情況分別如圖6、圖7所示。

圖6 微震事件垂向能量分布Fig.6 Vertical energy distribution of microseismic events

圖7 微震事件走向能量分布Fig.7 Energy distribution along the strike microseismic events

垂向上看，破斷能量主要聚集在厚硬頂板巖層內(nèi)，并呈現(xiàn)“高+低位巖層組合破斷”特征。其中，低位垂高5.56 m的粉砂巖(表1，序號24)和17.4 m的細粒砂巖(表1，序號23)，以及高位垂高71 m的中粒砂巖(表1，序號15)破斷能量分別為：2.88×106J、1.02×107J和8.65×106J，合計為2.16×107J，占總能量百分比達72.62%。

走向上看，采動走向影響范圍為工作面前方170 m至后方500 m；工作面后方巖層整體破斷活躍、總能量高，并呈現(xiàn)“多峰值點”特征：峰值點1～5分別位于工作面后方10、80、140、250和350 m。同時，后峰值2～3(面后80～140 m)總能量達到1.27×107J、為破斷活躍區(qū)。

5月5日至6月6日期間，“后峰值點1～5”所屬區(qū)域內(nèi)監(jiān)測到的4次方以上大能量微震事件見表2，呈現(xiàn)的規(guī)律有：①垂高小于80 m的厚硬關(guān)鍵層是大能量微震事件的主要聚集區(qū)。例如，序號24(粉砂巖，垂高5.56 m，厚度17.4 m)、23(細粒砂巖，垂高22.96 m，厚度18.7 m)和15(中粒砂巖，垂高71 m，厚度25.21 m)；②多層厚硬頂板的垮落主要依照“自下而上”順次交替的方式展開。例如，能量峰值點1～3的巖層垮落順序分別為“23→15”、“24→23→15”(“24→15”)和“23→15”；③巖層破斷活躍區(qū)內(nèi)，高低厚硬巖層可經(jīng)歷多輪次循環(huán)垮落。例如，表2中后峰值2區(qū)域內(nèi)發(fā)生的垮落循環(huán)2、3。

表2 4次方以上大能量微震事件統(tǒng)計Table 2 Statistics of large energy microseismic events over fourth power of 10

基于以上頂板巖層破斷規(guī)律，分析可知：前輪次垮落的高位巖層將先于后輪次低位巖層破斷，這孕育了多層厚硬頂板條件下“高+低層位組合破斷”的時空基礎(chǔ)，例如表2中微震事件8～9。同時，因循環(huán)垮落頻次高，走向破斷活躍區(qū)內(nèi)的厚硬關(guān)鍵層“高+低層位組合破斷”風險較高，當發(fā)生位置距離工作面空間較近時，將可能對工作面來壓產(chǎn)生較大影響。

2.3 工作面來壓的關(guān)聯(lián)性分析

頂板的結(jié)構(gòu)形態(tài)決定了頂板的運動特征，覆巖的破壞狀態(tài)和運動決定了工作面的礦壓顯現(xiàn)程度，因此理清頂板結(jié)構(gòu)及其破斷運動趨勢是深入理解來壓規(guī)律的重要路徑。結(jié)合數(shù)值計算及實測分析所述巖層破斷運動特征，建立“高+低厚硬關(guān)鍵層”開采破斷模型如圖8所示，并分析引發(fā)“大小周期”來壓差異性的原因在于：

圖8 多層厚硬頂板采動覆巖破斷模型Fig.8 Multi-layer thick and hard roof mining overburden rock breaking model

如圖8(a)所示，“小周期”來壓期間內(nèi)，高位關(guān)鍵層“懸而未斷”，低位巖體處于高位關(guān)鍵層的“保護之下”，此時：工作面支架僅需承擔基本頂及低位關(guān)鍵層周期性破斷下沉載荷，來壓強度相對較輕；同時，因受到采動影響，處于垮落帶內(nèi)的低位直接頂及關(guān)鍵層內(nèi)部裂隙較為發(fā)育、強度相對較低，因此該部分巖層的斷裂和冒落存在一定的“及時性”、“局部性”和“隨機性”，進而導致了“小周期”呈現(xiàn)出不同程度“持續(xù)距離較短、來壓范圍小”和“不規(guī)律分散交替性來壓”的特點，如圖9中區(qū)域1所示。

圖9 支架工作阻力分布Fig.9 Support working resistance cloud diagram

如圖8(b)所示，“大周期”來壓期間內(nèi)，頂板巖層發(fā)生“高+低位關(guān)鍵層組合破斷”，此時：支架立柱需要同時承擔“高位+低位”巖層自重載荷，整體來壓強度隨之上升；同時，因遠離工作面、受采動影響較小，高位關(guān)鍵層一般強度較高、整體性好，破斷步距和影響范圍隨之增大。對應(yīng)地，當高位巖層破斷載荷向下傳遞時，工作面來壓范圍也將隨之增大、立柱受力的來壓“同步性”增強；此外，各層破斷頂板之間的相互影響作用將滯后支架上方巖層整體最終穩(wěn)定時間，進而增大支架受載時長和“來壓持續(xù)距離”，如圖9所示。

3 工作面來壓及煤柱應(yīng)力顯現(xiàn)

3.1 工作面來壓特征

根據(jù)生產(chǎn)來壓統(tǒng)計數(shù)據(jù)，122110工作面來壓整體呈現(xiàn)“大小周期來壓”的特點，間隔4～18次小周期來壓出現(xiàn)一次“大周期來壓”，特征為：立柱最大下縮量590～1750 mm，平均945 mm，來壓強度高；來壓間距為62.2～298.9 m不等，平均121.0 m，步距分散；單輪“大周期來壓”可由2～5次連續(xù)性強來壓組成，影響距離長，如圖10所示。

圖10 來壓期間工作面立柱下縮量統(tǒng)計Fig.10 Shrinkage statistics of working face column during weighting

同時，單次“大周期”具有“來壓步距大、持續(xù)距離長、來壓強度高”的特點，來壓持續(xù)距離、動載系數(shù)、立柱平均和最大下縮量均值分別為18.31、12.10、1.54、621.91和1024.48 mm，與“小周期相比”相比，分增大32.39%、32.39%、6.94%、78.05%和65.47%，見表3。來壓特征與前述研究得到的頂板破斷規(guī)律基本吻合，一定程度證實了分析結(jié)論的科學性和適用性。

表3 “大小周期”來壓參數(shù)對比Table 3 Co mparison of “ large and small cycle”weighting parameters

3.2 煤柱應(yīng)力演化規(guī)律

在122110工作面距離切眼1600～1612 m輔運巷煤柱內(nèi)安裝了4組鉆孔應(yīng)力計，用于監(jiān)測頂板破斷來壓時巷道煤柱應(yīng)力變化，監(jiān)測結(jié)果見表4。分析可知，煤體應(yīng)力變化趨勢具有明顯“堅硬頂板”特征：①超前影響范圍大，工作面前方100～130 m范圍內(nèi)，均值126.3 m；②應(yīng)力集中系數(shù)較高，分布區(qū)間為1.80～2.30，均值2.0；③應(yīng)力上升周期長，峰值穩(wěn)定位置遠離工作面，滯后距離范圍為460～479 m，均值達471.3 m。同時，結(jié)合覆巖破斷實測規(guī)律可知，煤柱應(yīng)力變化的啟動、發(fā)展和終止受控于上覆巖層破斷垮落的時空演化，具體表現(xiàn)為：

表4 煤體應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果Table 4 Coal stress monitoring results

表5 壓裂前后工作面來壓特征對比Table 5 Co mparison of working face weighting characteristics before and after fracturing

1)頂板巖層破斷與煤柱應(yīng)力變化的時空關(guān)聯(lián)度高。工作面后方80～140 m范圍的頂板破斷活躍區(qū)內(nèi)(見圖7)，各深度煤柱應(yīng)力測點壓力均處于加速上升階段(見圖11)，說明頂板巖層破斷后的加速垮落引發(fā)了煤柱應(yīng)力激增。

圖11 各測點煤體應(yīng)力監(jiān)測曲線Fig.11 Coal stress monitoring curve of each measuring point

2)多層厚硬頂板的垮落滯后擴大了煤柱應(yīng)力峰值影響范圍。受到高位巖層“長懸頂”影響，多層厚硬頂板條件下，各巖層“自下而上循環(huán)順次破斷”將拉長覆巖整體最終穩(wěn)定時間，進而增大煤體應(yīng)力峰值穩(wěn)定時滯后工作面的距離。

3)煤柱應(yīng)力變化的開始和結(jié)束受控于上覆巖層破斷垮落的啟動和終止。煤柱應(yīng)力超前影響范圍為126.3～-471.3 m，而頂板破斷走向影響距離170～-500 m，應(yīng)力超前影響范圍和峰值穩(wěn)定位置分別比頂板破斷走向影響范圍縮小27～62 m和21～40 m。這表明，煤柱應(yīng)力上升不僅因覆巖頂板的破斷而開始，也因覆巖頂板垮落的終止而結(jié)束。

4 強礦壓防治工程實踐

4.1 防治對策

綜上分析可知，“高+低層位頂板”的“組合破斷”是“大周期”來壓增強的關(guān)鍵誘因，而較大的“垂向離層空間”和“自下而上”的順次交替垮落孕育了頂板巖層間“組合破斷”的時空基礎(chǔ)，因此解決多層厚硬頂板強礦壓問題的關(guān)鍵可以是對巖層“破斷結(jié)構(gòu)”或“破斷順序”進行改造。針對該巖層結(jié)構(gòu)下工作面和巷道煤柱的強礦壓問題，提出防治技術(shù)思路如下：

1)弱化低位頂板、優(yōu)化“破斷結(jié)構(gòu)”，弱化“大周期”強度。在高位關(guān)鍵層破斷前，對低位厚硬巖層采取弱化措施，增強低位直接頂和關(guān)鍵層的“冒落性”，這將提高采空區(qū)充實率、壓縮高位巖層破斷回轉(zhuǎn)運動空間(見圖8(a)中“垂向離層空間”)，進而增強低位垮落巖體對高位頂板的支撐性、降低高位巖層破斷后的擾動烈度，弱化“大周期”強度。

2)預(yù)裂高位頂板、改變“破斷次序”，降低“大周期”頻次。在低位巖層垮落前，提前對高層位厚硬頂板進行預(yù)裂破壞，這將從一定程度上改變高低厚硬巖層“自下而上”破裂順序，破壞頂板巖層間發(fā)生“組合破斷”的時空基礎(chǔ)，降低“大周期”頻次。

4.2 應(yīng)用效果

4.2.1 工程實施情況

自2022年11月中旬開始(里程小于3600 m以后)，122110工作面“大周期”頻次和強度顯著上升：發(fā)生頻次平均達到1.78次/100 m，立柱最大下縮量超過1750 mm(2022/12/26—27)。為有效緩解工作面強礦壓問題，決定采用定向長鉆孔壓裂施工方式，對工作面走向里程0～2800 m范圍內(nèi)的厚硬頂板巖層進行弱化改造。根據(jù)工作面補47地質(zhì)鉆孔，壓裂區(qū)內(nèi)垂高100 m范圍的厚硬巖層主要為：垂高5.56 m、厚度17.4 m的粉砂巖，垂高22.96 m、厚度18.7 m的細粒砂巖以及垂高71.85 m、厚度25.21 m的中粒砂巖。受限于工期及現(xiàn)場施工條件，本次壓裂僅針對低位厚硬頂板展開，鉆孔垂向高為15 m和36 m，對應(yīng)巖層為垂高50 m范圍內(nèi)的中低位的細粒砂巖和粉砂巖，如圖12所示。

圖12 壓裂施工基本情況Fig.12 Basic situation of fracturing construction

4.2.2 覆巖破斷特征

進入壓裂區(qū)前后200 m里程范圍內(nèi)的頂板破斷微震事件垂向能量分布如圖13和圖14所示。中低位厚硬頂板巖層壓裂后，工作面在由非壓裂區(qū)(里程2800～3000 m)進入壓裂區(qū)(里程2600～2800 m)的過程中，頂板巖層破斷特征發(fā)生了較為明顯變化：0～70 m中低層位巖層破斷微震事件能量由1.53×106J上升至2.81×106J，增幅83.63%，破斷活躍程度顯著增強；然而，70～120 m中高位巖層及垂高大于120 m高位巖層微震事件能量分別由4.88×105J下降至2.46×105J，以及由3.20×105J下降至2.28×105J，降幅分別達到49.53%和28.90%，破斷活躍程度呈降低趨勢。

圖13 壓裂前后頂板微震事件能量垂向分布Fig.13 Vertical distribution of roof microseismic event energy before and after fracturing

圖14 垂向區(qū)域內(nèi)頂板破斷能量對比Fig.14 Co mparison of roof breaking energy in vertical area

上述監(jiān)測結(jié)果表明，當?shù)臀缓裼岔敯鍓毫褟姸热趸?，巖層的“冒落性”得到了增強，破斷活躍程度上升，懸頂長度縮小。這將有利于提升采空區(qū)充實率、增強對上覆巖層的支撐作用，并降低中高位厚硬頂板巖層的破斷動載烈度。

根據(jù)井下生產(chǎn)記錄情況，非壓裂區(qū)內(nèi)(里程2800～3000 m)，工作面后方巖層冒落性較差、懸頂距離超過20 m現(xiàn)象較為普遍，采空區(qū)空洞體積大、充實程度較低，圖15(a)所示；壓裂區(qū)內(nèi)(里程2600～2800 m)，工作面機頭后方隨采隨落的低位巖層體積大幅增加，懸頂距離基本小于10 m，采空區(qū)充實的及時性和有效性明顯改善，圖15(b)所示，生產(chǎn)實際情況與監(jiān)測結(jié)果基本吻合。

圖15 工作面輔運巷側(cè)采空區(qū)頂板冒落情況Fig.15 Roof caving in goaf at the side of auxiliary haulage roadway in working face

4.2.3 壓裂前后來壓情況

頂板壓裂施工后，工作面來壓強度發(fā)生明顯變化：來壓步距由18.72 m降低至16.88 m，降幅9.86%，說明低位低位巖層的完整性和強度明顯降低，破斷步距縮短；來壓持續(xù)距離由13.65 m降低至8.83 m，降幅35.31%，與此同時，大周期來壓頻次降低至0.78次/100 m，一定程度說明，高位厚硬頂板破斷對工作面的影響程度降低。安全閥開啟比例、立柱平均下縮量和最大下縮量分別降低21.06%、16.28%和18.04%，說明來壓強度明顯降低，低層厚硬頂板弱化的強礦壓防治效果明顯。

5 結(jié) 論

1)榆神礦區(qū)曹家灘礦頂板整體強度高、完整性好，具有典型的“高+低層位厚硬頂板”結(jié)構(gòu)；工作面來壓呈現(xiàn)“小大周期”特征：“大周期”間距62.2～298.9 m不等，平均121.0 m，來壓期間立柱最大下縮量590～1750 mm，平均945 mm，持續(xù)距離單輪“大周期來壓”由2～5次連續(xù)性強來壓組成；高、低層位厚硬關(guān)鍵層破斷的時空疊加是“大周期”來壓強度高、影響范圍大、持續(xù)距離長的重要地質(zhì)結(jié)構(gòu)誘因。

2)多層厚硬頂板垮落依照“自下而上”順次交替的方式展開，超前工作面影響范圍達到170～-500 m；對應(yīng)地，受采動影響下的煤柱應(yīng)力具有“大影響范圍、高應(yīng)力集中系數(shù)、長上升周期”特點：煤柱應(yīng)力超前影響范圍為126.3～-471.3 m，應(yīng)力集中系數(shù)達到1.80～2.30，峰值穩(wěn)定位置滯后工作面460～479 m；煤柱應(yīng)力變化受控于上覆巖層破斷，它的啟動、發(fā)展和終止與頂板厚硬巖層破斷呈現(xiàn)了較高時空關(guān)聯(lián)性。

3)針對高低厚硬巖層頂板結(jié)構(gòu)，提出了“弱化低位頂板、優(yōu)化破斷結(jié)構(gòu)”和“弱化高位頂板、改變破斷次序”的技術(shù)思路。其中，低位厚硬巖層強度弱化后，高、低層位厚硬頂板破斷活躍程度分別呈現(xiàn)下降和上升趨勢，高低頂板巖層的離層空間縮小、低位巖層對高位頂板支撐性增強，工作面“大周期”來壓強度顯著降低，強礦壓防治效果明顯。