厚煤層一次采全高低位厚硬巖層垮落致沖機(jī)理與防治

張俊文，董續(xù)凱，柴海濤，宋治祥，范文兵，王 黔，呂玉磊，鄭 波，白俊杰，劉志高，賈樂樂

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.中煤西北能源公司 烏審旗蒙大礦業(yè)，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；4. 國家衛(wèi)生健康委職業(yè)安全衛(wèi)生研究中心，北京 102308)

工作面厚硬頂板垮斷時(shí)礦壓顯現(xiàn)明顯，容易誘發(fā)煤壁前方應(yīng)力集中區(qū)域兩側(cè)回采巷道沖擊地壓災(zāi)害。工作面煤層及上方頂板具有傳遞應(yīng)力波的性質(zhì)，頂板懸露面積越大，破斷尺度越大，產(chǎn)生和傳遞的應(yīng)力波幅值越大，尤其是厚硬頂板在破斷和失穩(wěn)垮落的過程中對(duì)已達(dá)到臨界破壞載荷的煤體施加強(qiáng)烈動(dòng)載更容易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。因此，無論是厚硬頂板破斷、失穩(wěn)產(chǎn)生的震動(dòng)以應(yīng)力波的形式對(duì)煤巖體施加動(dòng)載，還是頂板失穩(wěn)引起工作面前方煤壁靜載應(yīng)力增高，都是誘發(fā)沖擊地壓的重要因素。為此，許多學(xué)者對(duì)厚硬頂板型沖擊地壓進(jìn)行了研究，證明厚硬頂板突然垮落、失穩(wěn)是誘發(fā)沖擊地壓的重要因素。牟宗龍等證實(shí)了具有一定厚度和強(qiáng)度且距離煤層較近的基本頂巖層運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊載荷使煤體沖擊礦壓危險(xiǎn)性明顯升高結(jié)論。王恩元等研究了堅(jiān)硬頂板斷裂引發(fā)的遠(yuǎn)場震動(dòng)效應(yīng)，進(jìn)而揭示了頂板擾動(dòng)型沖擊地壓動(dòng)力學(xué)機(jī)理；楊敬軒等通過分析厚硬頂板的破斷沖擊效應(yīng)，得到了堅(jiān)硬頂板破斷沖擊載荷產(chǎn)生的較大波動(dòng)對(duì)采場礦壓沖擊影響劇烈的結(jié)論。王濤等分析了受夾持煤體的沖擊失穩(wěn)過程并得出了堅(jiān)硬長懸板是誘發(fā)煤柱沖擊失穩(wěn)能量來源的結(jié)論。姜福興等探討了高位厚硬巖層離層形成條件和離層對(duì)周邊區(qū)域應(yīng)力分布的影響規(guī)律，認(rèn)為厚硬巖層頻繁發(fā)生沖擊地壓的原因是由于上部載荷傳遞到離層區(qū)周邊的緣故。楊培舉等得出了巨厚覆巖處于彎曲下沉帶給工作面帶來沖擊礦壓隱患，處于斷裂帶給工作面帶來沖擊礦壓和大面積來壓雙重隱患的結(jié)論。徐剛等得到了堅(jiān)硬頂板工作面具有來壓強(qiáng)增阻、來壓步距大、有時(shí)存在動(dòng)載沖擊等特征。吳振華等認(rèn)為頂板與巖柱共同作用提供了沖擊地壓的高靜應(yīng)力條件，頂板和巖柱的破壞是沖擊地壓發(fā)生的動(dòng)力條件。楊俊哲等揭示了堅(jiān)硬巖層回轉(zhuǎn)破斷促使動(dòng)靜疊加載荷高于災(zāi)害閾值引發(fā)的礦壓動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理,證明了頂板弱化治理強(qiáng)礦壓動(dòng)力災(zāi)害的有效性。

上述學(xué)者對(duì)高位堅(jiān)硬覆巖垮落及失穩(wěn)的影響進(jìn)行了大量研究，并在高位厚硬巖層破斷型沖擊地壓防治方面取得了豐碩成果。然而，本文研究的某礦31103回采工作面盡管提前對(duì)高位巖層(距離煤層超過200 m)采取了分段壓裂措施，但在工作面回采過程中，仍發(fā)生了大量的沖擊地壓事件。通過微震監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該礦的低位厚硬巖層垮落是該礦致沖的主要原因。尤其是厚煤層一次采全高后，頂板在采空區(qū)具有更大的運(yùn)動(dòng)空間，低位厚硬巖層斷裂失穩(wěn)產(chǎn)生的動(dòng)載將是誘發(fā)臨界應(yīng)力狀態(tài)煤體沖擊災(zāi)害的重要因素。因此，對(duì)于低位厚硬巖層的開采工作面，縮短其厚硬巖層垮落步距，控制垮落期間的礦壓顯現(xiàn)顯得尤為重要。大量學(xué)者對(duì)控制頂板垮落做了深入研究，深孔爆破、定向水力壓裂、鉆孔切頂?shù)燃夹g(shù)在巖層垮落控制中亦取得了豐碩的成果。然而，上述頂板處理措施都存在一定的局限性。其中，水力壓裂技術(shù)由于無法控制壓裂縫隙的走向?qū)е缕溥m用范圍有限；爆破預(yù)裂技術(shù)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境、安全具有一定的影響；鉆孔切頂施工強(qiáng)度大且耗時(shí)長。因此，為消除采掘活動(dòng)后煤巖體本身性質(zhì)變化的影響，筆者以某礦31103工作面開采頂板垮落控制為工程背景，根據(jù)兩側(cè)回采巷道的地質(zhì)條件及開采環(huán)境特征，選擇淺孔壓裂工藝(煤巖體完整的運(yùn)輸巷)與爆破工藝(煤巖體破碎的回風(fēng)巷)協(xié)同控制低位厚硬關(guān)鍵巖層的垮落，保證工作面的順利開采，研究結(jié)論可豐富沖擊地壓的發(fā)生類型及防治技術(shù)，并為類似工作面安全生產(chǎn)提供借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工作面概況

31103工作面為某礦礦井31盤區(qū)南翼的第3個(gè)工作面，工作面長度300 m，平均埋深560 m，區(qū)段煤柱25 m，為近水平煤層。其北部為已經(jīng)回采完畢的31101，31102工作面，容易誘發(fā)巷道嚴(yán)重變形，炸幫等動(dòng)力現(xiàn)象。工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面概況

工作面煤層平均厚度為5.6 m，煤層為厚煤層，層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，根據(jù)31103工作面施工獲取的取芯孔柱狀(表1)，工作面煤層上部存在多層厚硬巖層，包括4.5 m厚的粉砂巖、8.3 m厚的粉砂巖、7.4 m厚的砂質(zhì)泥巖和5.2 m厚的細(xì)粒砂巖。工作面的開采方式為一次采全高。

表1 工作面裂隙帶頂板綜合柱狀

1.2 已發(fā)生沖擊事件案例

31103工作面受厚硬頂板垮斷、臨采空區(qū)等因素影響，發(fā)生過2起沖擊事件，工作面基本情況如圖2所示。

圖2 工作面回風(fēng)巷沖擊事件示意

2019-08-01，工作面回風(fēng)巷超前40 m發(fā)生1起沖擊事件，附近現(xiàn)場有明顯震感，底板積水飛揚(yáng)，巷道內(nèi)垛架至煤柱區(qū)域(0.8～1.3 m)頂板出現(xiàn)破碎，局部形成網(wǎng)包，同時(shí)單元支架中有2臺(tái)單元支架損壞，無法升降。

2019-08-11，工作面回風(fēng)巷超前60 m發(fā)生一起沖擊事件，造成回風(fēng)巷超前60 m范圍幫處0.25～0.55 m(頂板以下2 m)崩落，工作面垛架與單元支架銜接處向外8臺(tái)單元架損壞(無法正常升降)，同時(shí)第6臺(tái)垛式支架向外5 m范圍副幫垮落，自幫部1.4 m位置以上2 m范圍垮落，垮落深度0.8～1.2 m。

對(duì)微震事件識(shí)別分析發(fā)現(xiàn)，微震事件主要分布工作面沿空側(cè)的煤層及20 m范圍內(nèi)的細(xì)砂巖和粉砂巖中(圖3)，主要為8.3 m的粉砂巖、3.2 m的細(xì)粒砂巖、4.5 m的粉砂巖。沖擊事件發(fā)生時(shí)微震事件單日能量及頻次均大幅度上升。因此，需要針對(duì)煤層上方低位厚硬巖層，尤其是臨空側(cè)頂板進(jìn)行預(yù)處理措施。

圖3 微震事件分布

2 厚煤層一次采全高低位厚硬巖層垮落致沖機(jī)理

2.1 頂板巖層力學(xué)性質(zhì)

3-1號(hào)煤層上方存在3種巖性的頂板，分別為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和細(xì)粒砂巖，根據(jù)3-1煤層及頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)測試報(bào)告，3-1煤層頂板巖層具有強(qiáng)沖擊傾向性，其不同巖性巖層力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 工作面裂隙帶覆巖力學(xué)性質(zhì)

2.2 工作面頂板支托層及隨動(dòng)層分析

煤層上方100 m范圍內(nèi)的巖層是影響沖擊地壓發(fā)生的主要巖層，其中單軸抗壓強(qiáng)度超過60 MPa、厚度超過10 m的巖層起決定性作用；同時(shí)也存在著組合砂巖層同步垮落誘發(fā)的沖擊地壓災(zāi)害。煤層上方垮落帶范圍內(nèi)厚層堅(jiān)硬巖層容易產(chǎn)生大面積懸頂，在垮落時(shí)容易釋放大量能量誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。

采動(dòng)覆巖中的任一巖層所受載荷除其自重外，一般還受上覆鄰近巖層的相互作用產(chǎn)生的載荷。工作面上方頂板某幾層臨近巖層產(chǎn)生同步變形形成組合梁，其中下層對(duì)所有同步變形巖層起控制作用的厚硬巖層稱為支托層，其他巖層稱為隨動(dòng)層，如圖4所示。

圖4 組合梁同步變形示意

為分析方便，假設(shè)巖層所受載荷均勻分布，計(jì)算每層巖層的自重以及上層對(duì)下層巖層的載荷：

(1)

式中，()為第層巖層對(duì)第1層巖層的載荷；為彈性模量；為巖層的厚度；為巖層容重。

(1)第1支托層確定。第1層巖層本身載荷=26.62 kPa；考慮第2層對(duì)第1層的作用()，則

()=31.12 kPa

考慮第3層對(duì)第1層的作用()，則

()=2.46 kPa，()<()

因此第1層砂質(zhì)泥巖作為1，2層的支托層，第2層細(xì)粒砂巖為隨動(dòng)層。但是支托層較薄，在開采過程中容易隨采隨冒，不容易積累能量。

(2)第2支托層確定。第3層本身載荷=110.79 kPa；考慮第4層對(duì)第3層的作用()，則

()=114.1 kPa

考慮第5層對(duì)第3層的作用()，則

()=49.3 kPa，()<()

因此第3層粉砂巖作為3,4層的支托層，第4層為隨動(dòng)層?？偤穸容^厚(7.8 m)，在開采過程中不容易隨采隨冒，也不容易引起大的動(dòng)力現(xiàn)象。

(3)第3支托層確定。第5層本身載荷=204.4 kPa；考慮第6層對(duì)第5層的作用()，則

()=252.9 kPa

考慮第7層對(duì)第5層的作用()，則

()=240.8 kPa，()<()

因此，第5層粉砂巖作為5,6層的支托層，第6層為隨動(dòng)層。總厚度較厚(11.3 m)，總厚度大于10 m，在開采過程中不容易隨采隨冒，容易引起大的動(dòng)力現(xiàn)象。

(4)第4支托層確定。第7層本身載荷=179.1 kPa；考慮第8層對(duì)第7層的作用()，則

()=196.7 kPa

考慮第9層對(duì)第7層的作用()，則

()=211 kPa

考慮第10層對(duì)第7層的作用()，則

()=240.5 kPa

考慮第11層對(duì)第7層的作用()，則

()=156.5 kPa，()<()

因此，第7層砂質(zhì)泥巖作為7～10層的支托層，8～10層為隨動(dòng)層?？偤穸?16 m)較厚，在開采過程中，隨著支托層的斷裂、垮落，隨動(dòng)層也發(fā)生同步變形，厚度為16 m的組合梁大面積懸頂垮落容易造成大能量動(dòng)力現(xiàn)象。

對(duì)工作面低位頂板巖層分析得到：工作面低位巖層共有4層支托層。其中，3，4支托層屬于厚硬巖層且隨動(dòng)層較厚，這2層支托層及控制的隨動(dòng)層的總厚度均超過10 m，如圖5所示。

圖5 工作面支托層分布示意

2.3 頂板垮落充填程度計(jì)算

垮落帶巖層厚度是垮落碎脹后能充滿采空區(qū)自由空間的巖層總厚度。在緩斜、傾斜煤層綜采開采中，理論垮落帶巖層厚度(高度)按下式確定：

(2)

式中，為采煤有效高度；∑為直接頂垮落高度；為垮落帶巖層平均碎脹系數(shù)。

常見巖石碎脹系數(shù)見表3，工作面頂板巖層碎脹系數(shù)及充填程度見表4。

表3 常見巖石碎脹系數(shù)

表4 31103工作面頂板巖層碎脹系數(shù)及充填程度

根據(jù)表4的理論計(jì)算結(jié)果，第1，2，3層支托層及隨動(dòng)層垮落后充滿采空區(qū)(累計(jì)碎脹高度>累計(jì)高度)。因此，第4支托層及隨動(dòng)層不參與破斷運(yùn)動(dòng)。但厚硬關(guān)鍵層垮落后容易形成有序的排列巖塊，不規(guī)則垮落巖塊則進(jìn)一步被壓實(shí)，都會(huì)造成碎脹系數(shù)減小，垮落巖塊充填采空區(qū)不充分。因此，在充分計(jì)算累計(jì)碎脹高度的同時(shí)也應(yīng)考慮殘余碎脹系數(shù)對(duì)采空區(qū)充填的影響，在垮落巖石被壓實(shí)后，容易造成第4支托層及隨動(dòng)層的垮落。

2.4 頂板垮落步距分析驗(yàn)算

根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算驗(yàn)證頂板垮落步距：由于頂板抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，頂板最常見的破壞形式是頂板拉應(yīng)力超過抗拉極限產(chǎn)生的拉伸破壞。此時(shí)，頂板模型由固支梁變?yōu)楹喼Я骸Ｒ虼?，采用簡支梁模型?jì)算頂板垮落步距，即

(3)

式中，為單軸抗壓強(qiáng)度；為第層巖層所受上覆載荷。

由式(3)計(jì)算可得：第1支托層為12 m，第2支托層為28 m，第3支托層為32 m，第4支托層為31 m。

隨著工作面的推進(jìn)，直接頂初次垮落后形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成支架-巖梁結(jié)構(gòu)支承基本頂，易造成基本頂來壓步距′超過實(shí)際垮落步距，如圖6所示。因此，計(jì)算結(jié)果較符合工作面頂板實(shí)際垮落情況：工作面直接頂垮落步距9.8 m(第1支托層)，基本頂垮落步距37 m(第2支托層)。

圖6 頂板垮落步距示意

2.5 采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布研究

31103工作面臨側(cè)為31102，31101工作面采空區(qū)，通過地表沉降量及工作面來壓分析，31103工作面開采過程中未達(dá)到充分采動(dòng)，建立采空區(qū)側(cè)向支承壓力計(jì)算模型，如圖7所示，其中，為第層支托層的厚度；2為臨側(cè)采空區(qū)寬度；為第層關(guān)鍵層厚度中心位置在采空區(qū)的懸露長度；為采深；為第層支托層厚度中心到煤層底板的距離。

圖7 采空區(qū)側(cè)向支承壓力計(jì)算模型

采空區(qū)側(cè)向懸頂部分傳遞到煤柱一側(cè)的應(yīng)力為其自重應(yīng)力的一半，傳遞到煤柱一側(cè)的應(yīng)力增量呈等腰梯形分布，則第個(gè)支托巖層傳遞到煤柱一側(cè)煤體的應(yīng)力增量Δ為

(4)

式中，max為第層支托層在煤柱一側(cè)產(chǎn)生的最大支承壓力；為巖層移動(dòng)角；為距離該采空區(qū)邊界的距離。

根據(jù)31103工作面實(shí)際地質(zhì)和開采情況，取=560 m，2=600 m，=84°。將采空區(qū)破裂范圍以上的巖層作為一組關(guān)鍵層，其厚度、高度及跨度分別為= 260 m，=430 m，=627.4 m，將采空區(qū)側(cè)向支承壓力在煤柱一側(cè)產(chǎn)生的應(yīng)力增量與自重應(yīng)力疊加得到煤柱一側(cè)應(yīng)力分布，如式(5)和圖8所示。其中，為動(dòng)靜疊加應(yīng)力；[]為煤體單軸抗壓強(qiáng)度。

圖8 煤柱一側(cè)靜載疊加支承壓力曲線

(5)

從圖8可以看出，采空區(qū)側(cè)向支承壓力峰值位置距采空區(qū)邊緣約為45 m，支承壓力峰值約為55 MPa。采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響范圍約為90 m。由式(5)和圖8可知，31103工作面回風(fēng)巷應(yīng)力集中程度大于2[]。因此，在采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響下的回風(fēng)巷周圍煤巖體應(yīng)力已達(dá)到發(fā)生沖擊地壓的應(yīng)力水平。

2.6 低位厚硬巖層垮落沖擊機(jī)理

通過第2.2和2.3小節(jié)計(jì)算結(jié)果可知，工作面頂板第1，2支托層及隨動(dòng)層垮落未完全充填采空區(qū)，第3，4支托層控制的隨動(dòng)層較厚，均超過10 m。第3，4支托層與隨動(dòng)層的突然垮落容易對(duì)已達(dá)到?jīng)_擊條件的煤巖體施加強(qiáng)烈動(dòng)載，造成工作面發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害，如圖9所示。

圖9 低位厚硬巖層垮落致沖示意

一般而言，采場每推進(jìn)一個(gè)低位厚硬巖層破斷距離，采場及工作面就會(huì)產(chǎn)生一次較大的動(dòng)壓，并且表征低位巖層破斷垮落特征最直觀的現(xiàn)象是工作面來壓時(shí)的支架阻力的變化。因此，在本文中采用類比來壓前后的支架阻力變化表征沖擊擾動(dòng)特征。根據(jù)工作面正常推采期間支架阻力與來壓期間工作阻力的對(duì)比關(guān)系，取動(dòng)載系數(shù)為1.26。將其代入式(5)求得回風(fēng)巷動(dòng)靜載疊加應(yīng)力，如式(6)和圖10所示。受動(dòng)載影響，31103工作面回風(fēng)巷應(yīng)力集中程度瞬時(shí)大于3[]，此時(shí)，低位厚硬巖層垮落對(duì)煤體施加動(dòng)載將誘發(fā)臨界應(yīng)力煤體沖擊地壓。

圖10 煤柱一側(cè)動(dòng)、靜載疊加支承壓力曲線

(6)

綜上分析可知，31103工作面同時(shí)具有高地壓、強(qiáng)擾動(dòng)、復(fù)合型厚煤層等特征。3-1煤31103工作面發(fā)生沖擊地壓的機(jī)制為：31101，31102工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力形成的高應(yīng)力靜載是主要沖擊力源，31103回采工作面厚硬支托層與其隨動(dòng)層同時(shí)垮落造成的擾動(dòng)動(dòng)載是主要誘發(fā)力源，兩者疊加影響導(dǎo)致沖擊地壓事故。

3 厚煤層一次采全高低位厚硬巖層垮落致沖防治措施

3.1 低位厚硬巖層垮落致沖防治措施

由前述支托層、隨動(dòng)層厚度計(jì)算結(jié)果可知，工作面低位巖層存在厚度超過10 m的組合梁，且支托層較為堅(jiān)硬。之后，再根據(jù)本工作面的微震事件辨識(shí)與分析，微震事件主要分布在煤層及20 m范圍內(nèi)的低位頂板巖層中。綜上，對(duì)煤壁前方造成動(dòng)載影響的是低位厚硬組合巖層垮斷形成的擾動(dòng)。因此，需要對(duì)低位厚硬巖層實(shí)施斷頂措施，切斷應(yīng)力和能量的傳遞路徑。

由于爆破沖擊的能量遠(yuǎn)超于巖層所能承受極限，爆破的大部分沖擊能作用在近距離巖體中，使得炮孔周圍巖體劇烈粉碎；水力壓裂技術(shù)本質(zhì)安全，安全環(huán)保，不產(chǎn)生有害物質(zhì)(例如炮煙、CO)。然而，若壓裂區(qū)域附近巖體損傷嚴(yán)重，存在眾多導(dǎo)水裂隙或斷層，將會(huì)造成壓裂液體流失、壓力消散，進(jìn)而導(dǎo)致壓裂失效。

31103工作面運(yùn)輸巷是實(shí)體煤掘進(jìn)巷道，其圍巖完整，采用水力壓裂技術(shù)預(yù)裂頂板可保證巷道的安全穩(wěn)定。31103工作面回風(fēng)巷受31102工作面開采影響，導(dǎo)致巷道圍巖損傷嚴(yán)重、裂隙發(fā)育顯著，采用爆破技術(shù)能夠使回風(fēng)巷上覆懸頂?shù)膸r層及時(shí)垮落，削弱寬煤柱高應(yīng)力集中程度。如圖11所示，基于對(duì)現(xiàn)場施工難易程度、厚硬巖層的層位和高度、爆破孔的破碎有效范圍等考慮，在回風(fēng)巷向煤柱一側(cè)施工高、低位爆破孔，爆破孔角度分別為60°和35°，長度為40 m；在回風(fēng)巷向工作面一側(cè)施工一個(gè)高位爆破孔，角度為50°，長度為46 m；在運(yùn)輸巷一側(cè)向工作面施工水力壓裂措施，角度60°，長度40 m，分2段壓裂，分別壓裂2層厚硬支托巖層；水力壓裂孔與爆破孔沿工作面走向間距10 m一組，超前工作面不少于90 m，一直到工作面回采結(jié)束。從巷道向煤柱一側(cè)高、低位爆破能夠使采空區(qū)側(cè)向懸臂梁及時(shí)垮落，縮小側(cè)向懸頂長度，同時(shí)能夠使更高位巖層及時(shí)垮落，縮減煤柱側(cè)高應(yīng)力集中靜載。另外，從巷道向煤壁側(cè)施工的水力壓裂和爆破措施能夠?qū)⒌臀缓裼仓袑宇A(yù)裂，縮短其垮落步距，保證工作面頂板能夠及時(shí)垮落，縮減厚硬支托層及隨動(dòng)層同時(shí)運(yùn)動(dòng)造成強(qiáng)烈的動(dòng)載擾動(dòng)。

圖11 水力壓裂與爆破施工示意

由于采空區(qū)一側(cè)側(cè)向懸頂面積是產(chǎn)生集中應(yīng)力的根本原因，工作面寬煤柱是集中應(yīng)力峰值分布在巷道圍巖附近的直接原因。因此，在相鄰31104工作面采取小煤柱護(hù)巷的布置方式，并在工作面沿空側(cè)向采空區(qū)實(shí)施高位爆破鉆孔，從源頭上杜絕巷道圍巖高應(yīng)力集中，如圖12所示。

圖12 小煤柱護(hù)巷與爆破施工示意

3.2 沖擊地壓防治措施效果檢驗(yàn)

經(jīng)過水力壓裂與爆破協(xié)同控制工作面及臨側(cè)采空區(qū)厚硬支托巖層，工作面在來壓期間的微震事件基本控制在10J級(jí)以下，總體呈現(xiàn)為微震頻次降低、單次能量減小、總能量減小的特征，如圖13(a)，(b)所示。與此同時(shí)，根據(jù)支架阻力顯示結(jié)果可知，采取措施前，來壓期間工作面及兩側(cè)回采巷道支架工作面阻力都達(dá)到了40 MPa，來壓面積大；采取措施后，來壓期間工作面中部支架阻力超過40 MPa，但兩側(cè)回采巷道區(qū)域支架阻力基本穩(wěn)定在20～30 MPa，如圖13(c)所示。這些實(shí)測數(shù)據(jù)說明了卸壓措施合理，保證了兩側(cè)回采巷道的穩(wěn)定性；此外，根據(jù)工作面頂板垮落現(xiàn)場觀測情況，工作面直接頂垮落較為及時(shí)，且頂板垮落期間無颶風(fēng)、壓架情況發(fā)生。

圖13 31103工作面采取措施前、后效果對(duì)比

將采取小煤柱護(hù)巷和高位爆破卸壓的31104工作面與未采取卸壓措施的31103工作面監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，隨著工作面的推采距離增加，31104工作面微震能量和頻次的增幅明顯低于31103工作面，如圖14(a)所示。與此同時(shí)，31104工作面的平均能量和頻次也基本小于31103工作面。當(dāng)31104工作面微震平均能量較大時(shí)，頻次也相應(yīng)增加，這說明工作面總能量通過多次小能量微震事件釋放，并不會(huì)形成大能量動(dòng)力事件，如圖14(b)所示。

圖14 相鄰工作面微震事件能量及頻次對(duì)比

將采取小煤柱護(hù)巷和高位爆破的31104工作面與采取高、低位爆破工藝的31103工作面對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，31104工作面微震事件的能量和頻次都有明顯降低。此外，相比于卸壓后的31103工作面而言，31104工作面的單次事件平均微震能量下降了587.37 J，如圖15所示。

圖15 相鄰工作面單次微震事件平均能量對(duì)比

通過現(xiàn)場觀測，自開采31104工作面以來，回風(fēng)巷沒有出現(xiàn)大的動(dòng)力現(xiàn)象和預(yù)警信息，采用小煤柱護(hù)巷更有利于防治低位巖層垮落誘發(fā)的沖擊地壓事故。因此，自31104工作面開始，該礦同等條件下的接續(xù)工作面全部采取小煤柱護(hù)巷技術(shù)。

綜上可得，厚硬支托層及隨動(dòng)層垮落未造成工作面兩側(cè)巷道及超前大范圍的應(yīng)力突增現(xiàn)象。因此，工作面采取2種卸壓措施后實(shí)現(xiàn)了工作面沖擊地壓災(zāi)害的有效控制，基本消除了工作面回采巷道沖擊災(zāi)害，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)工作面上方頂板進(jìn)行了支托層與隨動(dòng)層分析，并通過對(duì)頂板巖層垮落充填程度計(jì)算，得出工作面上方第1、2支托層與隨動(dòng)層的垮落不足以完全充填采空區(qū)，進(jìn)而造成更上部厚硬支托巖層的垮落，垮落步距的計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際生產(chǎn)情況。

(2)對(duì)臨側(cè)采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布進(jìn)行了研究，分析了低位厚硬巖層垮落沖擊機(jī)理：臨側(cè)工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力形成的高應(yīng)力靜載是主要沖擊力源，回采工作面厚硬支托層與其隨動(dòng)層同時(shí)垮落造成的擾動(dòng)動(dòng)載是主要誘發(fā)力源，兩者疊加作用導(dǎo)致沖擊地壓事故。

(3)根據(jù)低位厚硬巖層垮落沖擊機(jī)理，在本工作面制定了針對(duì)性的防治措施：在31103工作面回風(fēng)巷一側(cè)采用高、低位爆破技術(shù)，在運(yùn)輸巷一側(cè)則采用水力壓裂技術(shù)，進(jìn)而使低位厚硬支托層達(dá)到預(yù)裂效果，從而縮短其垮落步距，保證了工作面頂板能夠及時(shí)垮落，緩解了厚硬支托層及隨動(dòng)層同時(shí)運(yùn)動(dòng)造成強(qiáng)烈的動(dòng)載擾動(dòng)作用，此舉基本消除了工作面兩巷的沖擊災(zāi)害事故。

(4)采空區(qū)一側(cè)側(cè)向懸頂面積是產(chǎn)生集中應(yīng)力的根本原因，工作面寬煤柱是集中應(yīng)力峰值分布在巷道圍巖附近的直接原因。因此，在下一臨側(cè)工作面采取小煤柱護(hù)巷的布置方式，并在工作面沿空側(cè)向采空區(qū)實(shí)施高位爆破鉆孔，從源頭上杜絕巷道圍巖高應(yīng)力集中，消除了工作面兩巷的沖擊災(zāi)害事故，保證了工作面的安全生產(chǎn)。