近淺埋多層厚硬頂板大采高綜放工作面礦壓顯現規律研究

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 開采設計事業部，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[1]，因強度高、厚度大、節理裂隙不發育、整體性強，當發生突然失穩時，可造成工作面颶風、沖擊、壓架等安全生產事故，對井下設備運行和人員安全形成嚴重威脅[2]。多年來，國內外學者對多層堅硬頂板強礦壓產生的原因及防治技術進行了大量研究。朱德仁[3]采用Winkler彈性基礎上的Kirchhoff板，對堅硬頂板結構塊體受力和運動平衡條件進行了分析；霍丙杰[4]采用“拱殼”平衡結構理論對大同礦區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、遠近場區域壓裂協同控制技術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的破斷形式與破斷次序對礦壓的影響。朱志潔[8]對巷道圍巖應力和變形周期性突變現象進行了研究。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，全面掌握強礦壓發生誘因，產生、發展和致災機制，是巖層卸壓控制取得理想效果的關鍵[9-13]。

榆神礦區是我國重要煤炭資源富集區，已探明普查地質儲量達超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]。區別于典型淺埋煤層的單一關鍵層薄基巖結構，當埋深大于250 m時，榆神礦區頂板巖層一般呈現多關鍵層結構，強礦壓發生機理呈現出一定特殊性和復雜性[15]。與此同時，6.0 m以上大采高開采工藝在榆神礦區已經普遍應用，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裝備需求將愈發迫切。

基于此，本研究以曹家灘煤礦為例，通過覆巖破斷運動、煤體應力及工作面來壓規律監測，對近淺埋多層多層厚硬頂板條件下的來壓規律進行了分析研究，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、榆林市東北部，礦區面積約2735 km2，資源儲量約480億t，設計生產能力為15.0 Mt/a，是榆神礦區主力生產礦井。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。根據井田地層垂向厚度統計結果，煤層頂板垂向100 m范圍內均賦存有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”覆巖結構特征，如圖1所示。工作面來壓存在“大小周期”現象，“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象Fig.2 Strong mine pressure behavior on support column and roadway coal pillar

1.2 工作面開采技術條件

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，相鄰工作面位置關系如圖3所示。

圖3 工作面位置關系Fig.3 Position relationship of working faces

“松散層厚、基巖多層厚硬砂巖、多關鍵層頂板”是工作面覆巖結構整體特征。以工作面中部的補47地質鉆孔為例：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層關鍵層(巖層序號分別為23、24和15)；頂板巖層層理不發育、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 數值分析

根據表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范圍內覆巖破斷運動進行了計算分析。結果表明，工作面推采后，頂板巖層出現了明顯“垂向分區下沉”：0～45 m的低位巖層表現出“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生了“突降”現象，產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，頂板巖層發生斷裂并通過階段一中的“垂向離層空間”回轉下沉；階段3，中高位巖層自重應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+井下微震聯合監測”系統，對122110工作面覆巖活動進行三維立體監測，以分析覆巖破斷能量事件與工作面礦壓顯現的內在聯系。2023年5月6日—8月6日期間內，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，并呈現“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“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。

5月5日至6月6日期間，“后峰值點1～5”所屬區域內監測到的4次方以上大能量微震事件見表2，呈現的規律有：①垂高小于80 m的厚硬關鍵層是大能量微震事件的主要聚集區。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巖層破斷活躍區內，高低厚硬巖層可經歷多輪次循環垮落。例如，表2中后峰值2區域內發生的垮落循環2、3。

表2 4次方以上大能量微震事件統計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，例如表2中微震事件8～9。同時，因循環垮落頻次高，走向破斷活躍區內的厚硬關鍵層“高+低層位組合破斷”風險較高，當發生位置距離工作面空間較近時，將可能對工作面來壓產生較大影響。

2.3 工作面來壓的關聯性分析

頂板的結構形態決定了頂板的運動特征，覆巖的破壞狀態和運動決定了工作面的礦壓顯現程度，因此理清頂板結構及其破斷運動趨勢是深入理解來壓規律的重要路徑。結合數值計算及實測分析所述巖層破斷運動特征，建立“高+低厚硬關鍵層”開采破斷模型如圖8所示，并分析引發“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，高位關鍵層“懸而未斷”，低位巖體處于高位關鍵層的“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，處于垮落帶內的低位直接頂及關鍵層內部裂隙較為發育、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”呈現出不同程度“持續距離較短、來壓范圍小”和“不規律分散交替性來壓”的特點，如圖9中區域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，頂板巖層發生“高+低位關鍵層組合破斷”，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定時間，進而增大支架受載時長和“來壓持續距離”，如圖9所示。

3 工作面來壓及煤柱應力顯現

3.1 工作面來壓特征

根據生產來壓統計數據，122110工作面來壓整體呈現“大小周期來壓”的特點，間隔4～18次小周期來壓出現一次“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、持續距離長、來壓強度高”的特點，來壓持續距離、動載系數、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律基本吻合，一定程度證實了分析結論的科學性和適用性。

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

3.2 煤柱應力演化規律

在122110工作面距離切眼1600～1612 m輔運巷煤柱內安裝了4組鉆孔應力計，用于監測頂板破斷來壓時巷道煤柱應力變化，監測結果見表4。分析可知，煤體應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，均值126.3 m；②應力集中系數較高，分布區間為1.80～2.30，均值2.0；③應力上升周期長，峰值穩定位置遠離工作面，滯后距離范圍為460～479 m，均值達471.3 m。同時，結合覆巖破斷實測規律可知，煤柱應力變化的啟動、發展和終止受控于上覆巖層破斷垮落的時空演化，具體表現為：

表4 煤體應力監測結果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力變化的時空關聯度高。工作面后方80～140 m范圍的頂板破斷活躍區內(見圖7)，各深度煤柱應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了煤柱應力激增。

圖11 各測點煤體應力監測曲線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“自下而上循環順次破斷”將拉長覆巖整體最終穩定時間，進而增大煤體應力峰值穩定時滯后工作面的距離。

3)煤柱應力變化的開始和結束受控于上覆巖層破斷垮落的啟動和終止。煤柱應力超前影響范圍為126.3～-471.3 m，而頂板破斷走向影響距離170～-500 m，應力超前影響范圍和峰值穩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，因此解決多層厚硬頂板強礦壓問題的關鍵可以是對巖層“破斷結構”或“破斷順序”進行改造。針對該巖層結構下工作面和巷道煤柱的強礦壓問題，提出防治技術思路如下：

1)弱化低位頂板、優化“破斷結構”，弱化“大周期”強度。在高位關鍵層破斷前，對低位厚硬巖層采取弱化措施，增強低位直接頂和關鍵層的“冒落性”，這將提高采空區充實率、壓縮高位巖層破斷回轉運動空間(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，破壞頂板巖層間發生“組合破斷”的時空基礎，降低“大周期”頻次。

4.2 應用效果

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范圍內的厚硬頂板巖層進行弱化改造。根據工作面補47地質鉆孔，壓裂區內垂高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，對應巖層為垂高50 m范圍內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

進入壓裂區前后200 m里程范圍內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(里程2800～3000 m)進入壓裂區(里程2600～2800 m)的過程中，頂板巖層破斷特征發生了較為明顯變化：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 垂向區域內頂板破斷能量對比Fig.14 Co mparison of roof breaking energy in vertical area

上述監測結果表明，當低位厚硬頂板壓裂強度弱化后，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。

根據井下生產記錄情況，非壓裂區內(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現象較為普遍，采空區空洞體積大、充實程度較低，圖15(a)所示；壓裂區內(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，采空區充實的及時性和有效性明顯改善，圖15(b)所示，生產實際情況與監測結果基本吻合。

圖15 工作面輔運巷側采空區頂板冒落情況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 論

1)榆神礦區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”結構；工作面來壓呈現“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，持續距離單輪“大周期來壓”由2～5次連續性強來壓組成；高、低層位厚硬關鍵層破斷的時空疊加是“大周期”來壓強度高、影響范圍大、持續距離長的重要地質結構誘因。

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；對應地，受采動影響下的煤柱應力具有“大影響范圍、高應力集中系數、長上升周期”特點：煤柱應力超前影響范圍為126.3～-471.3 m，應力集中系數達到1.80～2.30，峰值穩定位置滯后工作面460～479 m；煤柱應力變化受控于上覆巖層破斷，它的啟動、發展和終止與頂板厚硬巖層破斷呈現了較高時空關聯性。

3)針對高低厚硬巖層頂板結構，提出了“弱化低位頂板、優化破斷結構”和“弱化高位頂板、改變破斷次序”的技術思路。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。