深部巨厚承壓含水層采動疏水誘沖機理

竇林名 ， 周坤友 ， 曹安業 ， 侯 濤 ， 鞏思園 ， 闞吉亮 ， 馬小濤

(1.安徽理工大學 礦業工程學院, 安徽 淮南 232001；2.中國礦業大學 礦業工程學院, 江蘇 徐州 221116；3.安徽省煤炭安全精準開采工程實驗室,安徽 淮南 232001；4.陜西正通煤業有限責任公司, 陜西 咸陽 713600)

我國深部煤炭資源開采強度不斷增加，現有千米以深礦井47 座，未來5～10 a 還將新建千米礦井30余座[1]。受深部開采復雜環境及“三高一擾動”影響，深部開采沖擊風險顯著升高[2-3]，截至2023 年2 月，我國15 個省和自治區共有沖擊地壓礦井150 處，產能為4.056 億t[4]，其中陜蒙地區是近年來沖擊地壓礦井增長及沖擊、強礦震災害發生的重點區域[5]。陜蒙地區彬長、納林河、呼吉爾特、臺格廟、新街等大型礦區覆巖普遍賦存較厚砂巖承壓含水層[6-7]，開采過程中涌水量大且已有研究表明工作面采動應力變化、沖擊地壓及強礦震災害與頂板承壓水的疏放具有相關性[8-9]。覆巖承壓含水砂巖層對采場不僅有堅硬巖層的作用[10]，還存在覆巖承壓水運動的影響，掌握覆巖承壓水疏放對采動應力場的影響機制及其誘沖效應對陜蒙地區沖擊地壓防治具有重要意義。

目前在煤礦地下水相關研究方面，多集中于地下水對煤巖孔隙結構、力學特性的影響[11-12]。礦井承壓水相關研究多集中于頂板突水[13]、底板承壓水與底板裂隙發育特征、破壞范圍及底板突水[14-15]、斷層穩定性及防水煤柱留設[16]等方面。在上覆承壓水運動與采動應力場和沖擊地壓關系研究方面，施龍青等[17]認為采動條件下頂板突水對沖擊地壓的發生具有一定的促進作用，并從物理流變學和斷裂力學角度初步闡述了其內在機制，即頂板水流失導致礫巖粒界面附近多層次應力局部集中，造成礫巖產生新的斷裂，形成多層次沖擊地壓。SHAO 等[18]研究了頂板鉆孔疏水條件下局部圍巖應力變化特征，在疏水鉆孔周圍依次形成應力降低區、應力升高區和應力恢復區。李東[19]研究了頂板鉆孔疏水對富水區巖層物理力學性質的影響及巖層損傷對原巖應力分布的影響，揭示了深部富水工作面頂板鉆孔疏水誘發沖擊地壓機理，認為工作面頂板疏水鉆孔對上覆承壓水起到了疏放作用，在工作面超前區域形成疏水升壓帶，增加了超前區域沖擊風險。文獻[8]建立了厚表土富水采場“超前支承壓力-疏水轉移應力”疊加作用的力學計算模型，從理論上半定量分析了沖擊區域應力集中程度，得到頂板鉆孔疏水后形成的疏水升壓帶是誘發沖擊地壓的重要力源。許家林等[20]、王曉振等[21]分析了上覆承壓水位與覆巖主關鍵層運動間的聯動關系，研究了承壓水對覆巖運動的影響，認為松散承壓含水層具有一定的巖層間載荷傳遞作用，使得上覆厚松散層始終以均布載荷形式作用在下覆巖層上，導致工作面采后上覆關鍵層結構發生整體運動和破斷。以上研究僅涉及頂板承壓水靜態儲存條件下對下覆工作面礦壓顯現的影響，但工作面采動過程中，導水裂隙帶向上不斷發育，必然會導致頂板高承壓水的采場疏放，以上研究并未涉及頂板承壓水采場疏放對工作面礦壓顯現、圍巖應力演化的影響。馮國財等[22]建立了采動條件下覆巖承壓水位變化數學模型并探討了上覆承壓水對工作面覆巖變形破壞的影響，認為上覆承壓水增大可導致煤層頂板變形破壞范圍增大，在孔隙水壓達到一定值后，煤巖塑性區向承壓含水層下巖層發展。張開弦等[23]研究了承壓含水層下不同堅硬巖層厚度和不同含水層-堅硬巖層距離條件下圍巖應力和變形破壞范圍，得到在流固耦合條件下頂板承壓水的存在能夠增大采動影響范圍。

已有研究表明礦井鉆孔疏放或采動條件下頂板承壓水的疏放對圍巖應力場、工作面礦壓顯現具有一定的影響。但目前頂板承壓含水層采動疏水對采場圍巖應力-能量場作用機制尚不明確，其誘沖機理鮮有報道。因此，筆者以陜西彬長礦區典型巨厚高承壓含水砂巖層下強涌水、沖擊地壓和強礦震頻發工作面為工程背景，聚焦覆巖承壓含水砂巖層和采動應力場，采用現場監測分析、數值模擬、理論分析及現場實踐等方法，研究覆巖承壓含水層采動疏水對圍巖應力場作用機制和主控因素，并揭示其誘沖機理，為類似條件下沖擊地壓防治提供理論指導。

1 工程概況

1.1 巨厚覆巖承壓含水層賦存特征

彬長礦區某礦是礦區內煤層埋深最大、頂板富水性最強的強沖擊地壓礦井，礦井煤層埋深800～1 000 m，實測最大主應力為38.2～44.8 MPa，最小主應力為14.4～24.8 MPa，垂直應力為21.5～24.6 MPa，煤層處于較高應力狀態。主采4 號煤層具有強沖擊傾向，其單軸抗壓強度18～20 MPa。礦井地層物理力學參數見表1。覆巖承壓含水層分布地震反演如圖1(a)所示。地層白堊系洛河組承壓含水層發育程度高，特別是洛河組上段單層厚度大，發育較厚粗顆粒砂巖，平均孔隙度為15.44%，滲透系數為0.92～1.55 m/d，富水性強，孔隙水壓最大達7.0 MPa，屬于強富水含水層，接受地下水側向徑流補給，難以疏干，連片分布，構成煤層上覆巖層的“水墻”，內部隔夾層不發育，是威脅礦井的主要含水層，其厚度為318.0～510.0 m，平均400.4 m，主采4 號煤層距洛河組底界31.8～160.3 m，平均84.0 m，如圖1(b)所示。巨厚覆巖承壓含水層下工作面涌水量大，最大至1 500 m3/h且同時覆巖承壓含水層內水位及孔隙水壓顯著降低，工作面采動對覆巖巨厚承壓含水層形成較為強烈的疏放效應。

圖1 巨厚覆巖承壓含水層分布及礦井采掘布置Fig.1 Distribution of the extra-thick Luohe aquifer and the mining layout of the test coal mine

表1 礦井煤巖物理力學參數測試結果Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock strata

1.2 采動條件下巨厚承壓含水層穩定性

巨厚覆巖承壓含水層巖性以上段粗粒砂巖為主，厚度平均200 m，下段以中粒砂巖為主，厚度平均為100 m，根據礦井煤巖物理力學參數和關鍵層判別結果，可知巨厚覆巖承壓含水層上段粗粒砂巖層和下段中粒砂巖層分別為覆巖主關鍵層和亞關鍵層結構。以試驗礦井二盤區201～205 等5 個工作面為工程背景，建立巨厚覆巖承壓含水砂巖層下多工作面盤區傾向開采物理模型，得到了204～205 工作面開采覆巖結構及巨厚覆巖承壓含水砂巖層穩定性特征，如圖2 所示。

圖2 不同開采尺度下覆巖運動破壞特征Fig.2 Movement and failure characteristics of the strata at different mining scale

由圖2 可以看出，204 工作面回采后(采場傾向尺度700 m)采動影響范圍至洛河組200 m 厚粗粒砂巖層底部，同時100 m 厚中粒砂巖層內發育垂直裂隙和傾斜貫通裂隙，此時洛河組下段100 m 厚中粒砂巖層破斷；205 工作面回采后(采場傾向尺度為900 m)采動影響范圍至洛河組200 m 厚粗粒砂巖層頂部，且在層內發育傾斜貫穿主裂隙，此時洛河組上段200 m 厚粗粒砂巖層破斷，但受其尺寸、頂底板結構加持作用影響，其并未明顯回轉下沉而是呈懸臂狀態。

為監測巨厚覆巖承壓含水砂巖層穩定性，在205工作面布置了ZY1 地面鉆孔，孔口距開切眼1 034 m，距終采線411 m，鉆孔深度940 m，鉆孔垂向終孔位置距煤層約15 m，鉆孔內布置分布式光纖深度為930 m，如圖3 所示。監測結果表明覆巖運動具有顯著分層性，在工作面推過鉆孔約80 m 后，洛河組上段粗粒砂巖層頂部光纖破斷，巖層向后方采空區彎曲變形，離層裂隙已發育至洛河組巨厚砂巖層上部，此時覆巖運動影響高度約350 m，監測結果驗證了前述物理模擬結果。

圖3 205 工作面地面鉆孔光纖監測斷點演化特征Fig.3 Height of the optical fiber breakpoints in deep borehole in panel 205

1.3 巨厚覆巖承壓含水層采動疏水誘沖效應分析

寬煤柱煤層大巷礦震活動與洛河組承壓水位變化相對關系如圖4 所示。其中，圖4(a)為2018 年11月至2019 年5 月礦井停產期間礦震活動情況，可以看出在礦井無采掘擾動影響、覆巖承壓水持續疏放條件下圍巖中尤其是煤層大巷區域礦震活動頻繁，甚至發生能量大于1×105J 高能礦震事件。圖4(b)為煤層大巷區域礦震活動與覆巖承壓水運動特征對照，可以看出，煤層大巷區域礦震頻發期間均伴隨著覆巖承壓水位降低，且2018 年11 月至2019 年5 月礦井停產期間隨覆巖承壓含水層水位不斷恢復，煤層大巷區域礦震活動逐漸降低。圖4(c)為2019-06-01—07-14期間附近GL1 水位觀測孔水位變化曲線，其中2019-07-01 T 21:20:58 發生1.3×106J 礦震事件，此前(6 月30 日)GL1 觀測孔水位突然下降5.5 m；2019-07-10 T 18:50:39，發生2.1×105J 礦震事件，此前(7月9 日)，GL1 孔水位突然下降22.1 m。試驗礦井沖擊地壓主要發生在寬煤柱煤層大巷區域和二盤區采場204、205 工作面，如圖5 所示，可以看出，寬煤柱煤層大巷區域沖擊地壓均發生在巨厚覆巖洛河組承壓水位快速降低期間，而采場區域沖擊地壓均發生在井下涌水量變化開始快速上升階段，考慮采場區域涌水量變化與洛河組上段承壓水位監測處水位變化的滯后效應，可以得到巨厚覆巖承壓含水層下沖擊地壓均發生在覆巖洛河組承壓水位快速下降期間。上述現象說明覆巖巨厚洛河組強承壓含水層承壓水的采動疏放對采場圍巖產生應力擾動，一定程度上提高局煤巖體應力，增加其沖擊風險甚至誘發沖擊顯現。

圖4 煤層大巷區域礦震活動與覆巖承壓水運動特征Fig.4 Seismicity in main entry area and the movement of confined water in the extra-thick aquifer

圖5 礦井沖擊顯現與覆巖承壓水疏放相關關系Fig.5 Correlation between rockbursts and the drainage of confined water

2 覆巖承壓含水層采動疏水對圍巖應力場作用機制分析

2.1 不同孔隙水壓巖體力學行為特征

趙延林等[12]對飽水砂巖進行了不同圍巖和不同孔隙水壓條件下水-力耦合壓縮實驗，得到了不同孔隙水壓條件下飽水砂巖單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比等力學參數演化特征，如圖6 所示。

圖6 不同孔隙水壓巖體力學參數演化特征[12]Fig.6 Mechanical parameters of sandstone samples with different pore pressure[12]

由圖6 可以看出，隨孔隙水壓升高，飽水砂巖單軸抗壓強度和彈性模量基本呈線性降低趨勢，而飽水砂巖泊松比基本呈線性升高趨勢。以圍巖10 MPa 為例，孔隙水壓由0 增加至9 MPa 過程中，單軸抗壓強度和彈性模量分別降低55.7%和23.3%，泊松比升高228.57%?？芍皫r內部孔隙水壓能夠顯著弱化飽水砂巖體強度。

滲透壓作用下巖石裂紋處于雙向應力狀態如圖7 所示。文獻[24]采用壓剪破壞準則和最大軸向應力準則分析了孔隙水壓對壓剪巖石裂紋初裂強度影響，得到了2 種準則下巖石裂紋初裂強度與孔隙水壓p的關系，即

圖7 滲透壓作用下巖石裂紋的雙向應力狀態Fig.7 Bidirectional stress state of cracks in rock samples with pore pressure

式中，σ1max為壓剪破壞準則下巖石裂紋初裂強度，MPa；為軸向應力準則下巖石裂紋初裂強度，MPa；σ3為圍壓，MPa。

可知，不論采用壓剪斷裂準則還是最大周向應力準則，巖石裂紋的初裂強度與滲透壓均具有負相關的線性關系，初裂強度均隨孔隙水壓增加而線性降低。這是由于裂紋內孔隙水壓的存在使裂紋表面正應力減小，增大了裂紋面的有效剪切驅動力，與無孔隙水壓相比，考慮裂紋孔隙水壓的影響，巖石裂紋起裂應力和初裂強度降低，整體強度和承載能力降低。因此，采場對覆巖承壓水的疏放效應導致采場周圍巨厚覆巖承壓含水巖層孔隙水壓降低，一定程度上促使覆巖承壓含水巖層強度及其承載能力升高。

2.2 覆巖承壓含水層采動疏水誘導應力場演化特征

采動條件下覆巖承壓含水巖層受力如圖8 所示。由井下涌水及承壓水位變化可知，工作面采動形成對覆巖承壓水的采場疏放效應；隨采場尺度增大，其疏放效應影響增強，導致覆巖承壓含水層孔隙壓力分布呈漏斗狀不斷降深，如圖8(b)所示。由于含水層孔隙度大、補給性強，在采場疏放與側向補給相對平衡狀態下承壓含水層內則形成相對穩定的水頭分布，如圖8(c)所示。圖中，σr為頂板承壓水未疏放條件下承壓含水巖層對上覆巖層的作用力；p為頂板承壓水未疏放條件下承壓含水層孔隙水壓；σ′r為頂板承壓水疏放條件下承壓含水巖層對上覆巖層的作用力；p′頂板承壓水疏放條件下承壓含水層孔隙水壓；σamax為采場支承壓力峰值。

圖8 采動條件下頂板巨厚含水層巖層受力分析模型Fig.8 Mechanical analysis model of extra-thick key strata in aquifer during coal mining

由于洛河組巨厚承壓含水層同時又是煤層頂板的關鍵層結構，且其上部具有相對穩定的華池組隔水層分布，因此，巨厚承壓含水巖層頂部載荷保持不變。而采場疏放效應作用下，巨厚承壓含水巖層內孔隙水壓(p)不斷降低甚至降為0，由2.1 節不同孔隙水壓砂巖力學行為特征可知，隨砂巖層內部孔隙水壓降低，砂巖層強度不斷增大，其整體強度和承載能力增大，這將顯著降低采動條件下頂板承壓含水層變形破壞程度及應力釋放程度，導致采場圍巖承載的頂板載荷增大，從而提高圍巖應力集中和彈性能積聚程度，增加采場圍巖沖擊風險。

利用流固耦合數值模擬方法對比分析了采動條件下覆巖承壓含水層未疏放和疏放條件下圍巖滲流場、變形場、應力場和能量場分布的變化特征，如圖9所示。

圖9 頂板承壓水未疏放與疏放條件下圍巖多場變化特征Fig.9 Comparison of multi-field before and after the confined water in aquifer is drained

由圖9 可以看出，頂板承壓水采動疏放后，覆巖承壓含水層塑性區發育高度和頂板位移量明顯降低，說明承壓水疏放后，含水巖層強度增大，破壞程度和應力釋放程度低；覆巖承壓水疏放后，臨近區域煤層三向應力均不同程度升高，說明覆巖承壓水采場疏放下，頂板載荷轉移至采場兩側圍巖中，導致應力集中，彈性應變能和沖擊風險也相應增加，進而形成覆巖承壓含水層采動疏水對圍巖應力場的作用效應。

2.3 覆巖承壓含水層采動疏水對應力場作用效應主控因素分析

為明確覆巖承壓含水層采動疏水對圍巖應力場作用效應的主控因素及其作用規律，分別建立不同疏水程度、不同煤層-覆巖承壓含水層距離、不同采空區尺度、不同含水層厚度及不同覆巖承壓含水層強度條件下流固耦合數值計算模型，分析不同因素作用下圍巖應力場-能量場分布及變化特征，其中各模型應力邊界按試驗礦井實測地應力進行賦值。

(1)覆巖承壓含水層疏水程度。

將覆巖承壓含水層最大孔隙水壓設為6 MPa，采空區對應含水層下邊界孔隙水壓分別設為不透水、5、3、1 MPa，分別模擬覆巖承壓含水層不疏放、疏放1 MPa、疏放3 MPa 和疏放5 MPa 情況下圍巖應力和彈性能演化情況，如圖10 所示。

圖10 覆巖承壓含水層不同疏放程度下圍巖應力-能量變化特征Fig.10 Stress and elastic energy evolution under the condition of different drainage degree of the confined water

隨疏水程度增加，采場兩側煤體水平應力及彈性應變能密度均不同程度升高，對于垂直應力，在臨近采空區一定范圍內(此處為30 m)升高，而深部煤體區域垂直應力有所降低。相對于頂板承壓水不疏放，在疏放1 MPa 時，采場兩側垂直應力、水平應力及彈性應變能密度變化量較小，而在疏放3 MPa 和疏放5 MPa 時圍巖應力、能量密度變化較為明顯，其中垂直應力增量峰值分別為1.6 和4.0 MPa，最大水平主應力增量峰值分別為1.7 和3.0 MPa，最小水平主應力增量峰值分別為0.6 和1.4 MPa，彈性應變能密度增量峰值分別為18 和39 kJ/m3?？芍?，隨覆巖承壓水疏放程度增加，其對圍巖應力場的作用效應不斷增強，覆巖承壓含水層采動疏水對圍巖應力場作用效應與其疏水程度正相關。

(2)煤層-覆巖承壓含水層距離。

將煤層-承壓含水層距離設為0、20 和40 m，承壓含水層兩側施加最大6 MPa 梯度孔隙水壓，采空區開挖后在對應承壓含水層底部設置水壓為0，得到3 種間距條件下圍巖應力-能量變化如圖11 所示。

圖11 不同煤層-承壓含水層間距承壓水疏放圍巖應力-能量變化特征Fig.11 Stress and elastic energy evolution during the drainage of the confined water under the condition of different distance between the aquifer and coal seam

在煤層-承壓含水層間距0、20 和40 m 條件下，圍巖垂直應力SZZ 峰值分別為4.0、2.0 和0.3 MPa，水平應力SXX 分別為2.8、1.0 和0.2 MPa；水平應力SYY峰值分別為1.4、0.5 和0.2 MPa；彈性應變能密度峰值分別為39.0、10.0 和1.6 kJ/m3。隨煤層-承壓含水層間距不斷增大，覆巖承壓水疏放導致的圍巖應力和能量增量不斷降低，覆巖承壓含水層采動疏水對圍巖應力場作用效應與煤層-覆巖承壓含水層距離負相關。

(3)采空區尺度。

將采空區尺度設置為60、120 和180 m，覆巖承壓含水層兩側施加最大為6 MPa 的梯度水壓，采空區開挖后在對應承壓含水層底部設置孔隙水壓為0，得到3 種采空區尺度條件下圍巖應力-能量變化如圖12所示。在采空區尺度分別為60、120 和180 m 條件下，圍巖垂直應力SZZ 峰值分別為0.4、1.2 和2.0 MPa，水平應力SXX 峰值分別為0.1、0.7 和1.9 MPa；SYY峰值分別為0.1、0.4 和0.7 MPa；彈性應變能密度峰值分別為1.6、8.8 和12.0 kJ/m3?？芍?，隨采空區尺度增大，覆巖承壓水疏放導致的圍巖應力和能量增量不斷升高，在一定范圍內覆巖承壓含水層采動疏水對圍巖應力場作用效應與采空區尺度正相關。

圖12 不同采空區尺度條件下圍巖應力-能量變化特征Fig.12 Stress and energy evolution during the drainage of the confined water under the condition of different goaf scale

(4)覆巖承壓含水層厚度。

依次將覆巖承壓含水層厚度設為50 和100 m，承壓含水層兩側施加最大為6 MPa 的梯度水壓，采空區開挖后在對應承壓含水層底部設置孔隙水壓為0，得到不同覆巖承壓含水層厚度下圍巖應力-能量變化如圖13 所示。

圖13 不同承壓含水層厚度條件下圍巖應力-能量變化Fig.13 Stress and elastic energy evolution during the drainage of the confined water under the condition of different thickness of the aquifer

在覆巖承壓含水層厚度為50 和100 m 時，圍巖垂直應力SZZ 峰值分別為2.0 和0.4 MPa，水平應力SXX 峰值1.9 和1.5 MPa，水平應力SYY 峰值分別為0.7和0.3 MPa，彈性應變能峰值分別為12.0 和8.1 kJ/m3?？芍?，隨覆巖承壓含水層厚度增加，覆巖承壓含水層采動疏水導致的圍巖應力和能量增量不斷降低，覆巖承壓含水層采動疏水對圍巖應力場作用效應與覆巖承壓含水層厚度負相關。

(5)覆巖承壓含水層巖層強度。

將覆巖承壓含水巖層彈性模量設為2.0、6.0 和10.0 GPa，承壓含水層兩側施加最大為6 MPa 的梯度水壓，采空區開挖后在對應承壓含水層底部設置孔隙水壓為0，得到不同覆巖承壓含水層強度下圍巖應力-能量變化如圖14 所示。

圖14 不同覆巖承壓含水層巖層強度圍巖應力-能量變化Fig.14 Stress and elastic energy evolution during the drainage of the confined water under the condition of different strength of the aquifer

在覆巖承壓含水層彈性模量分別為2.0、6.0 和10.0 GPa 時，圍巖垂直應力SZZ 峰值分別為0.6、0.9和0.9 MPa 和，水平應力SXX 峰值1.1、0.9 和0.8 MPa，水平應力SYY 峰值分別為0.27、0.27 和0.26 MPa，彈性應變能密度峰值分別為8.1、8.0 和7.0 kJ/m3?？芍?，隨承壓含水層強度增加，覆巖承壓含水層采動疏水導致的垂直應力增量有所增加，而水平應力及彈性應變能密度增量不斷降低，覆巖承壓含水層采動疏水對圍巖應力場作用效應與覆巖承壓含水層強度負相關。

3 巨厚承壓含水層采動疏水誘沖機理

3.1 巨厚覆巖對圍巖應力的作用效應

(1)靜載應力。根據相似材料模擬結果，試驗礦井巨厚覆巖承壓含水砂巖層下二盤區201～205 工作面回采過程中兩側支承壓力峰值演化如圖15 所示。隨采場傾向尺度增大，采場兩側支承壓力峰值均不斷增大，204工作面和205 工作面回采后，采場側支承壓力值顯著升高。說明巨厚覆巖承壓含水砂巖層變形破斷形成的尺度的懸臂-鉸接梁結構能夠顯著提高圍巖靜載應力。

圖15 二盤區工作面過程中垂向采動影響范圍及側向支承壓力峰值演化Fig.15 Mining influence range in vertical direction and the peak abutment stress evolution in the 2nd panel

(2)動載應力。數值模擬了試驗礦井二盤區204和205 工作面覆巖大尺度懸臂-鉸接結構失穩破斷前后圍巖能量場分布特征，如圖16 所示。

圖16 大尺度懸臂-鉸接結構失穩前后圍巖能量場分布Fig.16 Energy field before and after the overall collapse of the large-scale cantilever-articulated structures

204 工作面回采過程中共監測到8 個能量超過1.0×106J 的礦震，205 工作面回采過程中共監測到2個能量超過1.0×106J 的礦震。由礦震剖面與大尺度鉸接-懸臂結構失穩前后圍巖能量場對照可知，上述大能量礦震均位于大尺度懸臂-鉸接結構破斷形成的裂縫附近區域，大尺度結構失穩導致此前積聚的彈性能突然釋放從而誘發高能礦震對圍巖產生強動載作用。

3.2 巨厚承壓含水層采動疏水誘沖判據

根據前述研究，在動靜載疊加誘沖原理[25]基礎上，考慮覆巖承壓含水層采動疏水對圍巖應力-能量場的作用效應，巨厚覆巖承壓含水層下煤-巖系統沖擊地壓發生的能量機制可用式(3)進行描述，即

其中，U為煤-巖體力學系統總能量；UR、UC為圍巖和煤體中積聚的能量；UD為礦震等外部動載輸入的能量；Uw為覆巖承壓含水層采動疏水導致的能量增量；Ub為沖擊發生時煤巖體變形破壞所消耗的能量。

式中，σs為采動應力作用下煤巖體靜載荷；σd為礦震誘發的動載荷；σw為覆巖承壓含水層采動疏水導致的應力增量；E為彈性模量。

巨厚承壓含水關鍵層下沖擊地壓發生時煤巖體所消耗的最小能量可用式(5)來表示，其中σbmin為沖擊地壓發生時煤-巖系統所承受的最小載荷。

因此，巨厚承壓含水關鍵層下沖擊地壓的發生需要滿足式(6)的應力條件：

式(3)～(6)表明，當地應力、采動應力引起的圍巖靜載荷(σs)、外部礦震等引起的動載荷(σd)及覆巖承壓水疏放導致的應力增量(σw)3 者疊加超過煤巖沖擊破壞臨界應力(σbmin)時，則該煤-巖系統失穩破壞，釋放能量，其中除煤巖破壞所需能量外，剩余將轉化為破碎煤巖體動能，誘發沖擊顯現。巨厚承壓含水層采動疏水誘沖機理如圖17 所示，高靜載是沖擊地壓發生的應力基礎，礦震等動載和覆巖承壓含水層采動疏水導致的應力擾動是沖擊地壓發生的重要誘因。

圖17 巨厚覆巖承壓含水層采動疏水誘沖原理Fig.17 Rockburst mechanism caused by the mining-induced drainage of the confined water in extra-thick aquifer

4 巨厚覆巖承壓含水層下沖擊地壓防治

4.1 防治方案

試驗礦井沖擊地壓靜載荷主要包括構造應力場、采動應力場等，動載荷主要包括礦震、覆巖承壓含水層采動疏水導致的動態應力擾動等。因此，深部巨厚砂巖承壓含水層下沖擊地壓的防控也應針對靜載和動載2 個致災源頭從區域措施和局部措施2 個維度同時進行，如圖18 所示。

圖18 巨厚砂巖承壓含水層下沖擊地壓防治體系Fig.18 Prevention strategy of rockburst under extra-thick aquifer

4.2 防治實踐

為有效防控巨厚承壓含水層下沖擊地壓風險，除工作面煤體大直徑鉆孔卸壓、頂板預裂爆破外、調整主要大巷布置層位及優化工作面推采速度等措施外，針對覆巖承壓含水層采動疏水及巨厚承壓含水層覆巖結構對沖擊風險的影響特征，提出了巨厚覆巖承壓水含水層注漿堵水和優化盤區尺寸的防沖措施，并進行了現場實踐。

(1)巨厚承壓含水層注漿堵水。由2.2 節可知，覆巖承壓含水層采動疏水對圍巖應力場具有擾動作用，對高靜載條件下沖擊地壓的發生有促進作用。因此，可通過在巨厚砂巖含水層進行注漿堵水[26]措施降低采場對覆巖巨厚承壓含水層的疏放程度。采用地面豎直井+多分支水平井對204 和205 工作面后期回采階段巨厚洛河組承壓含水層進行注漿堵水，如圖19所示。

圖19 巨厚承壓含水層地面注漿堵水Fig.19 Water plugging of the extra-thick and water-bearing key strata by ground grouting

注漿材料為水泥漿、粉煤灰或水玻璃。注漿高度為煤層頂板180～220 m，注漿層位為洛河組下部中粒砂巖含水層。2019 年8 月—2020 年5 月在204 工作面距撤面巷160～730 m 區域累計注漿約13 570 t，205 工作面在其距撤面巷650 m 范圍內累計注漿量約33 280 t。此后204 工作面和205 工作面在推采至地面注漿堵水區域時工作面涌水量顯著降低，未發生沖擊地壓顯現。

(2)優化盤區尺寸。根據巨厚承壓含水層穩定性監測及物理模擬結果，試驗礦井巨厚覆巖承壓含水層下采場布置應減小盤區尺度傾向尺度至700 m 以內，從而降低采動空間影響范圍、避免巨厚覆巖形成懸臂-鉸接結構并降低對覆巖承壓含水層采動疏水程度。優化后續三盤區工作面數量為3 個、盤區尺度550 m，形成大煤柱-小盤區布置，如圖20 所示，三盤區工作面回采過程中未發生過沖擊顯現現象，實現了巨厚覆巖承壓含水層下安全開采。

圖20 礦井盤區尺寸優化Fig.20 Optimization of mine layout in the test coal mine

5 結 論

(1)彬長礦區試驗礦井覆巖強富水巨厚承壓含水砂巖層條件下，當采空區傾向尺度超過700 m 后，覆巖巨厚承壓含水砂巖層逐漸失穩破斷，采動過程中工作面涌水量大且覆巖承壓含水層內水位顯著降低，工作面采動對覆巖巨厚承壓含水層形成較為強烈的疏放效應；巨厚覆巖承壓含水層下沖擊地壓和高能礦震均發生在覆巖承壓水位快速下降期間，覆巖承壓含水層采動疏水對圍巖應力場產生擾動作用，增加高應力煤巖體沖擊風險。

(2)開展了不同采動疏水條件下圍巖多場響應數值模擬，揭示了覆巖承壓含水砂巖層采動疏水對圍巖應力場作用機制并得到了其影響因素及規律。采動疏水條件下覆巖承壓含水巖層孔隙水壓降低，巖層強度和承載能力增大，頂部載荷向兩側轉移，導致圍巖應力和彈性能增加；其對圍巖應力場作用程度與采場尺度和疏放程度正相關，與煤層-承壓含水層距離、承壓含水層巖層厚度及強度負相關。

(3)分析了巨厚覆巖對圍巖動靜載應力作用效應，得到巨厚覆巖承壓含水層下頂板大尺度懸臂-鉸接結構是采場高靜載和強動載產生的原因；考慮覆巖承壓含水層采動疏水對圍巖應力場作用效應，提出了覆巖承壓含水層采動疏水誘沖機理，并建立了其誘沖力學模型和誘沖判據，在覆巖承壓含水層采動疏水作用下，煤巖體中疊加應力超過其臨界載荷且釋放的總能量超過其破壞所消耗的能量時誘發沖擊地壓，其中高靜載是沖擊地壓發生的應力基礎，礦震動載和覆巖承壓含水層采動疏水導致的應力擾動是重要誘因。

(4)針對覆巖承壓含水層采動疏水及巨厚承壓含水層覆巖結構對沖擊風險的影響特征，提出了巨厚承壓含水層注漿堵水和優化盤區尺寸的防沖措施并進行了現場實踐。結果表明，試驗礦井巨厚覆巖承壓含水層下采場傾向尺度應不超過700 m，通過地面注漿和降低采場尺寸能夠降低覆巖承壓含水層采動疏水對圍巖應力場的作用效應、避免巨厚覆巖形成大尺度懸臂-鉸接結構，從而降低巨厚承壓含水層下沖擊地壓風險。