分層分采層間堅(jiān)硬巖層破斷致災(zāi)機(jī)理及防控技術(shù)

來興平，尉遲小騫，崔 峰，楊彥斌,霍軍鵬

（1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜西陜北礦業(yè)韓家灣煤炭有限公司，陜西 榆林 719315）

0 引 言

合理有效利用煤炭資源對于降低碳排放、實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與促進(jìn)能源穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義[1-3]。新疆作為中國“一帶一路”發(fā)展規(guī)劃下建設(shè)的主體能源基地及第14個現(xiàn)代化大型煤炭基地，其多數(shù)礦區(qū)內(nèi)可開采煤層往往不止一層，如何在保障安全的條件下，盡可能將可采煤炭資源全部回采，則是提高煤炭利用率的一大助力[4]。而對于多煤層的回采，新疆地區(qū)最為常見的回采方法就是分層分采。但由于地下極為復(fù)雜的斷層、高地應(yīng)力等地質(zhì)問題，分層分采往往會產(chǎn)生較多技術(shù)難題，尤其是多煤層間的巖層破斷失穩(wěn)更是誘發(fā)動力災(zāi)害的關(guān)鍵因素之一[5-6]。加之分層分采會使同一區(qū)域覆巖受到多次開采擾動的影響，覆巖內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征也會在擾動作用下逐漸劣化，原生裂隙延展、伴生裂隙數(shù)量增多，最終現(xiàn)場的宏觀表現(xiàn)則為覆巖局部失穩(wěn)破斷、覆巖集聚的彈性能釋放形成礦壓顯現(xiàn)、巖層時空位移及結(jié)構(gòu)畸變[7-9]。

在此情況下，國內(nèi)外大量學(xué)者對厚煤層分層分采覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律、覆巖失穩(wěn)誘發(fā)動力災(zāi)害、覆巖破斷失穩(wěn)監(jiān)測預(yù)警等進(jìn)行深入的研究，解決大量特定地質(zhì)條件下的重大難題。其中，來興平等針對急傾斜特厚煤層群層間堅(jiān)硬巖柱動態(tài)破裂致災(zāi)問題，建立急傾斜特厚煤層頂板破斷力學(xué)模型，并構(gòu)建“聲-熱”演化特征相似模擬試驗(yàn)，揭示采動應(yīng)力畸變致誘層間堅(jiān)硬巖柱破斷的動力災(zāi)害機(jī)理，形成急傾斜煤層群頂板防控體系[10-12]；張宏偉等通過研究老虎臺礦特厚煤層分層分采時的覆巖破斷高度，結(jié)合數(shù)值模擬、微震監(jiān)測等分析手段，得出撫順礦區(qū)厚煤層的覆巖破斷高度會與采出厚度呈線性相關(guān)，為老虎臺礦安全回采提供理論依據(jù)[13-14]；邵小平等聚焦陜北榆神礦區(qū)保水開采，運(yùn)用物理相似模擬試驗(yàn)，得出淺埋厚煤層分層分采覆巖裂隙演化特征規(guī)律與層間巖層穩(wěn)定性的關(guān)系，以此為基礎(chǔ)形成了覆巖導(dǎo)水帶裂隙發(fā)育規(guī)律與保水防治措施[15-17]；李寧、竇林名等運(yùn)用有限元數(shù)值模擬，討論分層分采在0,2,4 m這3種錯距下的差異性，得出下層回采面與煤柱的應(yīng)力分布關(guān)系[18]；王志強(qiáng)等針對特厚煤層分層綜采工作面的覆巖特征，運(yùn)用理論分析現(xiàn)場試驗(yàn)，得出巨厚直接頂下區(qū)段煤柱失穩(wěn)機(jī)理，給出中、下分層區(qū)段煤柱圍巖控制技術(shù)[19]；陳凱等運(yùn)用幾何分形理論與UDEC離散元數(shù)值模擬，分析新疆礦區(qū)采動覆巖裂隙分形演化規(guī)律，定量評價出厚煤層分層分采中弱膠結(jié)覆巖采動裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育特征[20]。

但由于不同礦區(qū)的煤層及其覆巖特征差異較大，從而導(dǎo)致分層分采時，層間巖層的破斷機(jī)理也各具特色，因此，針對此方面的研究尚待不斷加強(qiáng)[21-22]。根據(jù)寬溝煤礦煤層間堅(jiān)硬巖層破斷誘發(fā)的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)情況，采用物理相似模擬與微震監(jiān)測技術(shù)，深入分析上、下兩煤層雙重回采影響下，層間堅(jiān)硬巖層的破斷演化過程。在此基礎(chǔ)上，建立層間堅(jiān)硬巖層懸臂梁結(jié)構(gòu)模型，分析此巖層臨界破斷狀態(tài)下的撓度、轉(zhuǎn)角及彈性能等參量，形成層間堅(jiān)硬巖層破斷致災(zāi)總能量與其懸臂結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。最終，以此為基礎(chǔ)得出寬溝煤礦分層分采的減壓防控技術(shù)措施，保障礦井的安全生產(chǎn)。

1 礦井概況

寬溝煤礦位于昌吉市呼圖壁縣，主要回采B2與B4-1煤層，兩煤層垂向高差44 m，這2個煤層之間為厚而堅(jiān)硬的粉砂巖層，兩煤層采用分層分采，先采上部B4-1煤層，再采下部B2煤層。現(xiàn)采W1123綜放工作面位于B2煤層+1 255水平，工作面對應(yīng)地面標(biāo)高為+1 660～+1 820 m，垂向地面位置位于礦井工業(yè)廣場西側(cè)。W1123綜放面可采走向長度1 468 m，傾斜長度192 m，設(shè)計(jì)采高3.2 m，放煤厚度6.3 m，采放比為1∶1.97，可采面積282 048 m2，工作面傾角平均14°，工作面回采率90.4%，如圖1所示。

圖1 W1123工作面采掘平面示意Fig.1 Sketch of W1123 working face mining plan

依據(jù)寬溝煤礦的采掘部署，W1123工作面右側(cè)垂上方為W1145工作面采空區(qū)如圖2所示，工作面上部為B4-1煤層。因此，W1123工作面回采位置的部分區(qū)域會與上層W1145工作面采空區(qū)相互重疊。由于回采及掘進(jìn)空間相對較小，且為多分層先后開采（先采W1145工作面，再采W1123工作面），上分層W1145工作面回采形成的擾動應(yīng)力場必然通過煤、巖等介質(zhì)向下方傳遞，導(dǎo)致下方W1123工作面在回采時形成疊加應(yīng)力場，當(dāng)采區(qū)或巷道處于動態(tài)的疊加應(yīng)力場作用時，如果B2與B4-1煤層間的堅(jiān)硬巖層由此破斷，將極易導(dǎo)致下分層工作面產(chǎn)生動力災(zāi)害。

圖2 B2與B4-1煤層開采層位關(guān)系Fig.2 Relationship of B2and B4-1coal seams

2 分層分采層間堅(jiān)硬巖層破斷過程及微震能量分析

2.1 模型構(gòu)建

采用西安科技大學(xué)自行研制的平面應(yīng)力架模型。以寬溝煤礦現(xiàn)采煤層地質(zhì)特征為基礎(chǔ)進(jìn)行搭建，試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型5.0 m×1.89 m×30 cm（長×高×寬），如圖3所示。模型幾何相似比例取1∶200，開挖時間相似比1∶200，密度相似常數(shù)1.57，應(yīng)力相似常數(shù)157。

圖3 物理相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ图癝OS微震監(jiān)測儀Fig.3 Model of physical similarity simulation experiment and SOS microseismic monitor

按照現(xiàn)場分層分采的回采過程，模擬模型開采順序及參數(shù)為

1）回采W1145工作面。由于W1145工作面16 h回采8 m，按照相似比1∶200，計(jì)劃一次回采4 cm，單次回采時間4.8 min，總計(jì)回采60次。

2）回采W1123工作面。在完成W1145工作面回采后2 d（按照時間相似比為400 d），開始回采。由于W1123工作面16 h回采2.4 m，按照相似比1∶200，計(jì)劃一次回采1.2 cm，單次回采時間4.8 min，總計(jì)回采360次。

為監(jiān)測覆巖破斷、煤巖內(nèi)結(jié)構(gòu)面發(fā)育或圍巖內(nèi)部裂隙擴(kuò)展閉合時釋放的聲信號及能量震動，運(yùn)用波蘭SOS微震監(jiān)測儀收集圍巖產(chǎn)生的微震信號。并通過分析層間巖層破斷時刻的微震事件發(fā)生位置及能量大小，為后續(xù)致災(zāi)機(jī)理研究提供支持[23]。

而相似模擬微震事件大能量事件臨界值判定為333 J[24]，由此，將微震事件劃分為4個等級，其中，0～100 J為Ⅰ級微能量事件，100～200 J為Ⅱ級小能量事件，200～300 J為Ⅲ級中等能量事件，300 J以上為Ⅳ級大能量事件。

2.2 層間堅(jiān)硬巖層破斷過程及微震能量分析

由物理相似模擬試驗(yàn)開挖過程可知，層間巖層斷裂釋能致災(zāi)階段出現(xiàn)于W1123工作面回采至198 cm時,如圖4所示。從回采188.4 cm開始，層間巖層內(nèi)次生裂紋擴(kuò)展速度明顯加快，直至W1123煤壁與W1145開切眼完全貫通。在此過程中，層間巖層出現(xiàn)懸臂結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了極限彎曲—斷裂—壓實(shí)這一全過程。而在次生裂紋完全貫通（即45開切眼與23煤壁間巖層完全斷裂）后，這相當(dāng)于未破斷巖層其底端支座的約束消失，因此，其巖層整體沿著W1123回采位置與W1145切眼的連線下沉，而由于這部分未破斷巖層呈倒梯形分布且覆載極大，從而導(dǎo)致懸臂結(jié)構(gòu)受壓彎曲，當(dāng)覆巖載荷給予懸臂結(jié)構(gòu)的撓度超過其抗拉極限時，此段堅(jiān)硬巖層將破斷、回轉(zhuǎn)，最后向下垮落至采空區(qū)，在這一過程中，懸臂結(jié)構(gòu)之前所積蓄的大量彈性能及其重力勢能將在破斷和垮落碰撞中得以迅速釋放，最終誘發(fā)動力災(zāi)害。

圖4 層間巖層斷裂致災(zāi)階段運(yùn)移及微震特征Fig.4 Migration process and microseismic features in interlayer rock stratum fracture

從相似模擬微震事件分布特征看，當(dāng)推進(jìn)到198 cm時，層間巖層發(fā)生了破斷，覆巖發(fā)生了整個回采期間最大的一次垮落，這一段回采過程中，雖然監(jiān)測時間僅短短幾分鐘，但卻發(fā)生多次中、大能量事件，最終，在整個垮落階段監(jiān)測到事件78次，總能量0.87×104J。其中Ⅳ級大能量事件5次，Ⅲ級中等能量事件13次，Ⅱ級小能量事件18次，Ⅰ級微能量事件42次。而這5個大能量事件中，有3個位于層間巖柱與W1145開切巷斷裂處，有1個位于破斷巖層垮落撞擊采空區(qū)處，最后一個位于破斷層間巖層與周圍覆巖相互鉸接處。而Ⅰ,Ⅱ級微、小能量事件則主要分布于下沉覆巖、破斷層間巖層及大能量事件周圍。

3 層間堅(jiān)硬巖層破斷致災(zāi)機(jī)理

根據(jù)上述物理相似模擬試驗(yàn)及微震監(jiān)測結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)層間堅(jiān)硬巖層致災(zāi)機(jī)理源于其巖層形成的懸臂結(jié)構(gòu)破斷及上覆巖層的垮落。隨著層間巖層受多重開采擾動的影響，其因回采形成的懸臂結(jié)構(gòu)將逐漸增加覆載，而當(dāng)下方工作面推進(jìn)過上方工作面采空區(qū)時，懸臂結(jié)構(gòu)的破壞形式將由剪切破壞逐漸轉(zhuǎn)化為拉伸破壞，直至拉應(yīng)力超過懸臂結(jié)構(gòu)的承載極限，而在這一過程中，層間堅(jiān)硬巖層上方的倒梯形覆載會出現(xiàn)整體性下沉，下沉量接近B4-1煤層厚度，在這層間巖層破斷—覆巖載荷下沉這一動態(tài)失穩(wěn)過程中，懸臂的層間堅(jiān)硬巖層破斷會釋放出大量的因應(yīng)力集中積蓄的彈性能，而覆巖下沉?xí)r則會釋放大量重力勢能并與底板發(fā)生撞擊，由于彈性能與重力勢能的釋放時間極為接近，因此其疊加耦合后的鏈?zhǔn)街聻?zāi)效應(yīng)會極易誘發(fā)動力災(zāi)害[25]。故而，層間堅(jiān)硬巖層破斷的力學(xué)分析則是其致災(zāi)機(jī)理研究的關(guān)鍵所在，如圖5所示。

當(dāng)以支點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系后，簡化懸臂結(jié)構(gòu)的受力過程，可以運(yùn)用材料力學(xué)中的懸臂梁結(jié)構(gòu)建立力學(xué)模型，如圖6所示。

圖5 層間巖層懸臂梁結(jié)構(gòu)力學(xué)示意Fig.5 Mechanical scheme of cantilever beam structure

圖6 懸臂梁受力狀態(tài)簡化示意Fig.6 Simplified indication of cantilever beam

由此可知，懸臂結(jié)構(gòu)主要受其自重應(yīng)力（G）、上覆倒梯形未破斷巖層的覆載（Q）、2次回采擾動形成的破斷覆巖結(jié)構(gòu)對懸臂梁的作用（F1與F2）、W1145采空區(qū)內(nèi)殘余矸石與垮落巖塊對此巖梁的覆載（F3）。在此基礎(chǔ)上可得公式（1）～（3），并對懸臂梁所受載荷進(jìn)行簡化，得式（4）和式（5）。

G=G0+G1

（1）

G0=γ0h0（l-l1）z

（2）

G1=γ0h0l1z

（3）

q0（l-l1）=F2+F3+G0

（4）

q1l1=F1+Q+G1

（5）

式中G為懸臂梁結(jié)構(gòu)的自重應(yīng)力；G0為x方向（0，l-l1）段的自重應(yīng)力；G1為x方向（l-l1，l）段的自重應(yīng)力；l為懸臂梁臨界破斷長度；l1為懸臂梁端頭到W1145開切巷走向長度；F1為W1123工作面采動影響下的破斷覆巖對懸臂梁的作用力；F2為W1145工作面采動影響下的破斷覆巖對懸臂梁的作用力；F3為W1145采空區(qū)內(nèi)垮落巖塊與殘余矸石的自重；Q為懸臂梁上覆倒梯形巖層的重力；q0為簡化后的懸臂梁在（0，l-l1）段的均布載荷；q1為簡化后的懸臂梁在（l-l1，l）段的均布載荷；h0為懸臂梁自身高度；γ0為懸臂梁單位體積力；z為坐標(biāo)系z方向的深度。

再采用截面法，并由式（4）與（5）可得懸臂梁受覆載作用下任一橫截面的力矩M（x）

（6）

在此基礎(chǔ)上可形成懸臂梁的撓曲線方程

（7）

式中EI為懸臂梁的彎曲剛度。

聯(lián)立式（6）與式（7），進(jìn)行積分可得

（8）

（9）

式中ω（x）為懸臂梁某一點(diǎn)的撓度；θ為懸臂梁某一點(diǎn)的轉(zhuǎn)角。

帶入邊界條件，在懸臂梁支點(diǎn)O處的撓度與轉(zhuǎn)角都為0，則意味著x=0時，θ0=0，ω（0）=0。代入式（8）與（9）中，可得C1與C2均為0。

由此可得撓曲線方程與轉(zhuǎn)角方程

（10）

（11）

而當(dāng)x=l時，懸臂梁的撓度最大，代入式（10）可得

（12）

而懸臂梁力矩最大處則發(fā)生于其臨界斷裂位置，即x=0時，代入式（6）可得

（13）

在此基礎(chǔ)上結(jié)合懸臂梁內(nèi)的彎曲應(yīng)變能公式，代入最大力矩Mmax，可得出懸臂梁破斷時的彈性能釋放量

（14）

式中Vet為懸臂梁臨界破斷狀態(tài)下的彎曲應(yīng)變能。

由此，結(jié)合物理相似模擬試驗(yàn)中覆巖運(yùn)移規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)懸臂梁破斷釋放的彎曲應(yīng)變能Vet和覆巖因懸臂梁破斷而下沉產(chǎn)生的重力勢能VG是整個致災(zāi)過程的主要能量來源，故

（15）

式中V為整個破斷過程誘發(fā)的總致災(zāi)能量；VG為倒梯形覆載下沉產(chǎn)生的重力勢能；hs為覆巖的下沉距離。

通過對整個運(yùn)算過程加以分析，可知無論是懸臂梁的彎曲變形程度關(guān)系式（撓度ω,轉(zhuǎn)角θ）、承受極限力矩Mmax的關(guān)系式，還是懸臂梁臨界破斷釋放彈性能Vet的表達(dá)式，其推導(dǎo)過程中均包含了懸臂梁長度l、懸臂梁所承受的載荷q0與q1、以及懸臂梁本身抗彎曲能力（彎曲剛度EI）這3個角度的巖層參量，再結(jié)合工作面開采情況則可以得出。

首先，層間巖層懸臂梁結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，來源于B4-1與B2煤層開采擾動導(dǎo)致的覆巖空間結(jié)構(gòu)重新分布，其梁結(jié)構(gòu)懸露長度l會隨著W1123工作面的推進(jìn)而增長（圖5），結(jié)合懸臂梁撓度臨界式（12）及彈性能釋放表達(dá)式（14）可知，懸臂梁長度l與其極限撓度ωmax和釋放的彈性能Vet成正比關(guān)系，即在其余參量不變的情況下，懸臂梁極限長度l越長，懸臂梁彎曲聚集的彈性能Vet就越多。

而懸臂梁所承受均布載荷q0與q1與其懸長度l的乘積則為懸臂梁的所有覆載（圖6），這其中，上覆倒梯形未破斷巖層的載荷Q是所有覆載中最為主要的力源所在，且全部施加于懸臂梁的左部l1處（圖5）。再結(jié)合式（13）可知，只有覆載的下壓力足夠大，才會形成最大力矩Mmax，從而使懸臂梁彎曲破斷。而最大力矩Mmax也與彈性能釋放量Vet呈正比關(guān)系，見式（14）。因此，上覆巖層越重，其施加于懸臂結(jié)構(gòu)的致災(zāi)彈性能就越大。

但就覆巖自身結(jié)構(gòu)特性而言，懸臂梁自身抗彎曲能力的強(qiáng)弱，才是懸臂梁在破斷時釋放彈性能多少的關(guān)鍵所在，由式（7）可知，在懸臂梁極限撓度不變ω的情況下，其彎曲剛度EI越大，懸臂梁所承受的極限力矩Mmax就越大，懸臂梁可儲存的彈性能Vet就越多。

總而言之，隨著上、下2個工作面的先后回采，覆巖在運(yùn)移過程中逐漸產(chǎn)生了層間巖層懸臂結(jié)構(gòu)，而且懸臂結(jié)構(gòu)長度會隨著工作面的推進(jìn)而增大，加之上覆倒梯形巖層載荷主要集中于懸臂結(jié)構(gòu)的一端，致使此覆載形成的力矩與懸臂梁受力彎曲集聚的彈性能也隨之不斷增大。除此之外，寬溝煤礦的層間巖層巖性較為堅(jiān)硬，抗彎曲能力較強(qiáng)，因此，其受彎破斷的極限也較高，這也導(dǎo)致其如果破斷，也會釋放出更多的彈性能。因此，致災(zāi)能量與懸臂結(jié)構(gòu)的長度、懸臂梁本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其上覆巖層的總重量息息相關(guān)，這三者的相互作用，致使分層分采時層間堅(jiān)硬巖層破斷極易誘發(fā)動力災(zāi)害。

4 分層分采減壓防控技術(shù)

基于上述緩傾斜厚煤層分層分采層間堅(jiān)硬巖層破斷演化過程，得出了層間巖層破斷產(chǎn)生的誘因及機(jī)理。這一過程會隨著懸臂巖層的破斷，而釋放出大量因應(yīng)力集中集聚的彈性能，導(dǎo)致強(qiáng)礦壓的顯現(xiàn)。因此，如何加快層間堅(jiān)硬巖層的破斷過程，弱化其巖性強(qiáng)度，減少此部分巖層的懸頂長度，對于減壓防控具有極為重要的意義。

4.1 防控措施

由之前試驗(yàn)研究及微震監(jiān)測可知，寬溝煤礦B2煤層與B4-1煤層之間是致密度高且強(qiáng)度較大的粉砂巖層，其間夾雜有少量炭質(zhì)泥巖，總厚度達(dá)44 m，因此，只有采用爆破切頂措施，才能有效破壞堅(jiān)硬巖層的完整性，使需要破斷巖層內(nèi)部裂隙及結(jié)構(gòu)弱面沿著爆破切向迅速擴(kuò)展，從而降低巖體軸向強(qiáng)度，達(dá)到工作面礦壓減壓防控的要求。

由于W1145采空區(qū)位于W1123工作面右上方，因此W1123上順槽開展爆破對卸載作用極小，而僅在W1123下順槽的施工大量爆破孔又會影響巷道的服務(wù)回采任務(wù)，因此在工作面中間掘進(jìn)爆破工藝巷輔助開展爆破切頂工作，如圖7所示。負(fù)責(zé)爆破切頂工作的爆破孔施工位置為W1123下順槽與爆破工藝巷，切頂爆破孔的施工要求是超前工作面50 m開始布置，每次布置6組斷面，每組斷面施工炮孔6個，3個在W1123上順槽，3個在爆破工藝巷，相鄰2組斷面間隔10 m。爆破孔采用ZDY-6000S型全液壓坑道鉆機(jī)施工，鉆孔直徑100 mm，孔深35 m，采用3號乳化炸藥爆破，炸藥藥卷直徑90 mm，裝藥長度為25 m，封孔長度10 m，裝藥密度為1.27×103kg/m3。施工完成后在工作面回采前完成爆破，等工作面推進(jìn)50 m再次超前施工，從而確保切頂爆破工作超前煤壁50 m。在此基礎(chǔ)上，輔以工作面煤壁預(yù)裂爆破、大直徑空孔卸壓、鉆孔注水弱化等相關(guān)技術(shù)，從多個方面弱化W1123工作面堅(jiān)硬頂板的強(qiáng)度。

圖7 爆破切頂工藝示意Fig.7 Sketch of blasting cutting roof

4.2 效果檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)防控措施的有效性，運(yùn)用寬溝煤礦ARAMIS微震監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測分析開展防控措施以來的礦壓顯現(xiàn)情況，整個微震監(jiān)測過程從W1123工作面推進(jìn)625 m時開始，直至推進(jìn)至850 m時監(jiān)測結(jié)束。其中，W1123工作面推進(jìn)至748 m時進(jìn)入W1145采空區(qū)下方。而防控措施是在W1123工作面推進(jìn)至680 m時開始實(shí)施，在推進(jìn)至780 m時結(jié)束。微震監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同位置微震事件能量特征Fig.8 Energy characteristics of microseismic events on different sites

從圖8可以看出，在未采取減災(zāi)防控措施以前，106J以上的大能量微震事件明顯較多，表明層間堅(jiān)硬巖層隨著工作面回采擾動的影響會釋放出較多彈性能。隨著實(shí)施相應(yīng)防控措施，即使在人為爆破的影響下，所出現(xiàn)的106J以上大能量事件也依然小于前者，直至工作面推進(jìn)過780 m時，層間堅(jiān)硬巖層破斷，出現(xiàn)監(jiān)測期間最大的微震能量事件，能量大小為9.1×106J，但由于之前多重卸壓措施的作用，致使井下未出現(xiàn)明顯的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，僅在工作面煤壁后方有大量矸石落下。而在減壓防控措施實(shí)施之后，可以看到監(jiān)測到的微震能量事件能級明顯降低，106J以上的大能量微震事件也僅出現(xiàn)一次，這表明通過采取爆破切頂、大直徑空孔卸壓及鉆孔注水弱化等措施，能有效地降低工作面頂板堅(jiān)硬巖層的彈性能集聚程度，使堅(jiān)硬巖層能平穩(wěn)地釋放彈性能，消除層間堅(jiān)硬巖層大范圍懸頂?shù)奈ｋU(xiǎn)性，為下階段類似分層分采提供技術(shù)參考。

5 結(jié) 論

1）分層分采層間堅(jiān)硬巖層破斷致災(zāi)機(jī)理源于其懸臂結(jié)構(gòu)的破斷釋能，而其破斷過程產(chǎn)生的中、大型能量事件會分布在覆巖破斷線、垮落巖層與采空區(qū)松散巖體碰撞處、破斷巖層與周圍覆巖相互鉸接處等3個區(qū)域，微小能量事件則分布于覆巖破斷線前方的完整巖層、采場及采空區(qū)附近。

2）建立層間巖層懸臂結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，得出此巖層臨界破斷狀態(tài)下的撓曲線及轉(zhuǎn)角方程，給出層間巖層破斷致災(zāi)總能量與懸臂結(jié)構(gòu)和上覆巖層載荷的關(guān)系。研究表明，上覆巖層越重，其施加于懸臂結(jié)構(gòu)的致災(zāi)能量就越大，懸臂梁長度越長，其聚集的彈性能就越多，而懸臂梁本身結(jié)構(gòu)越堅(jiān)硬，則其可承受的能量就越多，破斷釋能就越大，從而極易誘發(fā)動力災(zāi)害。

3）提出減少層間巖層懸頂長度是降低上覆巖層下沉沖擊載荷的關(guān)鍵因素。并以此為基礎(chǔ)，提出爆破切頂措施，有針對性地?cái)U(kuò)展需破斷巖體的原生裂隙及結(jié)構(gòu)弱面，降低堅(jiān)硬巖層的軸向強(qiáng)度，破壞巖層的完整性，使得大范圍懸頂事件基本杜絕，實(shí)現(xiàn)礦井減壓防控的目的。