0.   引言

随着开采深度、强度的不断提高，冲击地压防控形势极为严峻，而其发生过程与煤岩体赋存条件有着密切联系^[1-4]。在地质构造、煤层冲刷带、煤厚异常区及见方区域等特殊区域，煤岩体载荷孕育程度具有较大差异性，对冲击地压的发生具有显著影响，其防治任务也更加艰巨^[5-6]。

针对特殊区域易诱发冲击地压的问题，众多学者开展了大量机理方面的研究，分析了断层、褶曲等构造区域的应力分布特征、能量演化规律，揭示了其灾变机制^[7-11]。在监测预警方面：谭云亮等^[12]提出了煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术；孔令海等^[13]研究了长壁工作面见方期间微震事件动态信息与岩层运动及矿压显现间的关系；王存文等^[14]探索了基于覆岩空间结构理论的冲击地压预测方法；高家明等^[15]采用震波CT探测分析了构造区域煤岩体应力分布及其冲击危险性。在防治技术方面：曹安业等^[16]提出采用爆破卸压技术防治褶皱构造区冲击地压；陈学华等^[17]研究了断层区域的冲击地压危险性，提出了相应的防治对策；李东等^[18]研究了特厚煤层工作面推进至见方位置时的致灾机理与安全开采技术；闫耀东等^[19]提出了见方构造区的卸压解危方案；易恩兵^[20]开展了深井工作面断层区域冲击地压防治分析研究；高家明等^[21]总结了构造区的冲击地压发生类型和防治方法。

上述学者从不同角度对特殊区域的冲击地压防治进行了研究，提高了冲击地压灾害治理水平，但基于构造与见方复合影响区域地质赋存条件的特殊性、载荷孕育的复杂性，为深入分析其诱冲机理及煤岩体响应变化特征，进一步降低特殊区域的冲击危险性，本文以陕西彬长胡家河矿业有限公司（以下简称胡家河煤矿）强冲击特厚煤层见方复合构造区域为工程背景，分析特殊区域的诱冲机理，提出“区域+局部”的降载防冲技术，为类似赋存条件下的冲击地压防治提供思路与对策。

1.   工程背景

胡家河煤矿位于陕西省咸阳市西北部，地处咸阳市彬县、长武县交界地带。矿井位于彬长矿区中北部，位置如图1所示。401106工作面是胡家河煤矿在401盘区布置的第6个工作面，该工作面北侧为401105采空区，东、南侧为尚未开采的实体煤，西侧为401盘区3条大巷的保护煤柱。工作面设计走向可采长度为1 492 m，倾向长度为200 m，大巷保护煤柱宽度为255 m，区段煤柱宽度为35 m。工作面布置3条巷道，分别为运输巷、回风巷与泄水巷，区域内发育有DF6断层、A2背斜及A3向斜等地质构造。401106工作面位置如图2所示。

图  1  胡家河煤矿位置

Figure  1.  Location of Hujiahe Mine

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图  2  胡家河煤矿401106工作面位置

Figure  2.  Location of 401106 working face in Hujiahe Mine

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401106工作面主采4煤层，煤层底板埋深为592～810 m，煤层厚度为12.8～27.0 m，平均厚度约为23 m，距离煤层上方6.48 m处赋存单层厚度为36.10 m的坚硬中砂岩顶板。根据冲击倾向性鉴定结果，4煤上分层具有强冲击倾向性（动态破坏时间T=39.80 ms，弹性能量指数W_ET=6.49，冲击能量指数K_E=7.73，单轴抗压强度R_c=24.27 MPa），下分层具有强冲击倾向性（T=34.40 ms，W_ET=4.45，K_E=12.57，R_c=24.35 MPa）；4煤层顶板岩层具有弱冲击倾向性，底板岩层无冲击倾向性。工作面回采初期，由于采动影响，煤岩层稳定平衡状态被打破，而随着工作面不断向前回采，逐渐形成单面见方区域，且见方区域发育有A2背斜及DF6断层等地质构造，导致工作面回采期间具有较高的冲击危险性，易发生煤岩体结构失稳，造成围岩冲击破坏。401106工作面钻孔柱状图如图3所示。

图  3  401106工作面钻孔柱状图

Figure  3.  Column chart of drilling holes in 401106 working face

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2.   微震时空演化规律

煤岩体是一种应力介质，当其受力变形破裂、破坏时，将伴随能量释放过程。微震是这种释放过程的物理效应之一，即煤岩体在受力破坏过程中以较低频率（<100 Hz）震动波的形式释放变形能所产生的震动效应。工作面采动过程中，煤岩体在采动载荷加载作用下，发生破裂响应变化，产生微震事件，通过分析微震频次与能量、最大能量与每米释放能量及微震超前分布情况，揭示见方复合构造区域微震时空演化规律。

2.1   频次与能量

见方复合构造区域微震事件频次与能量时序曲线如图4所示。2022年6月1日401106工作面回采至里程约86 m处时，工作面回风巷揭露A2背斜轴部，开始进入见方复合构造区域，微震频次与能量活动程度显著增强，微震事件频次由30升高至62，微震事件能量由5.1×10⁴ J升高至1.2×10⁵ J。随着工作面不断向前推进，当回采至里程约170 m处时，受见方效应影响程度明显增强，微震事件频次与能量出现跃升，煤岩体活跃程度增强，煤岩体原生微观裂隙在采动影响下进一步扩展、贯通及破裂，微震事件释放频次与能量达到峰值，频次约为82，能量约为1.6×10⁵ J。

图  4  微震事件频次与能量时序曲线

Figure  4.  Temporal variations of microseismic frequency and energy

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2.2   最大能量与每米释放能量

见方复合构造区域微震事件最大能量与每米释放能量时序曲线如图5所示。微震事件每米释放能量峰值出现在2022年7月18日，工作面回采里程约为210 m，每米释放能量达7.6×10⁴ J。单日微震事件最大能量出现在7月24日，工作面回采里程约为235 m，微震事件最大能量达9.1×10³ J，见方复合构造区域微震事件平均最大能量约为5.2×10³ J，平均每米释放能量约为2.4×10⁴ J。随着工作面逐渐远离见方复合构造区域，微震事件最大能量与每米释放能量逐渐趋于稳定，平均最大能量约为4.3×10³ J，平均每米释放能量约为1.9×10⁴ J，微震事件平均最大能量与每米释放能量分别升高了20.1%，26.3%。

图  5  微震事件最大能量与每米释放能量时序曲线

Figure  5.  Temporal variations of maximum microseismic energy and energy released per meter

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2.3   超前分布规律

见方复合构造区域和常规回采区域微震事件频次、能量与工作面之间的关系如图6所示。从微震事件分布情况可看出，见方复合构造区域微震事件频次与能量分布较集中，近似呈“抛物线”分布，常规回采区域微震事件频次与能量分布相对平缓。见方复合构造区域微震事件频次、能量峰值主要位于工作面前方60 m范围，频次峰值约为111，能量峰值约为1.9×10⁵ J；常规回采区域微震事件频次与能量峰值主要分布在工作面前方约190 m范围，频次峰值约为43，能量峰值约为7.3×10⁴ J。见方复合构造区域载荷集中程度高于常规回采区域，煤岩体破裂程度相对较高，微震事件活跃程度相对剧烈。

图  6  工作面微震超前分布

Figure  6.  Distribution of microseismic advance in working face

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3.   诱冲机理分析

3.1   见方效应影响

401106工作面开采后，随着工作面不断向前推进，直接顶和基本顶出现初次断裂垮落。随着工作面推进范围增大，上覆岩层悬露面积增大，并向下方传递载荷。当工作面走向长度与倾向长度相当时，工作面处于见方区域，受见方效应影响，顶板活动程度剧烈，引起应力场剧烈变化，煤岩体承受较多增量载荷。当载荷集中程度大于自身破坏强度极限时，发生破裂响应变化，易导致煤岩体结构失稳破坏。

3.2   构造区域孕能

构造区域应力场分布如图7所示。在煤岩层褶曲构造的向斜和背斜轴部区域应力水平较高，且最大主应力一般为水平构造应力。401106工作面发育有A2背斜，煤岩体在水平挤压载荷长期作用下发生缓慢变形，背斜附近区域煤岩体破碎程度相对较高，翼部区域受到压应力及剪应力剪切作用，煤岩体在该区域易发生剪切破坏，且背斜区域内赋存较大的残余构造应力和弹性能，受开采扰动及见方效应的叠加影响，煤岩体冲击危险性升高。

图  7  构造区域应力场分布

Figure  7.  Distribution of stress field in the construction area

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3.3   坚硬覆岩扰动

坚硬覆岩扰动诱冲原理如图8所示。401106工作面上方赋存厚度为36.10 m的坚硬中砂岩顶板，该类型顶板难以及时垮落，随着工作面向前回采，易形成大面积悬顶结构。悬顶区域以工作面为主要承载体，由上方向煤层传递应力，导致煤层静载荷集中程度升高，孕育较多弹性变形能。当工作面处于见方复合构造区域时，顶板活动程度相对剧烈，当发生回转垮断时，短时间内释放大量动载，对煤体产生剧烈扰动作用，易诱发煤体失稳冲击破坏。

图  8  坚硬覆岩扰动诱冲原理

Figure  8.  Principle of rockburst induced by hard overlying strata disturbance

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3.4   相邻采空区影响

相邻采空区影响如图9所示。401106工作面与401105采空区相邻，之间留设35 m宽的区段煤柱。由于工作面回采，围岩空间结构发生改变，应力重新分布。煤柱作为工作面侧向顶板的承载区，应力集中程度较高，在本工作面顶板和侧向顶板叠加作用下，形成高能储能空间，积聚大量弹性变形能，因此围岩稳定性和完整性相对较差。当煤柱区域受到相邻采空区孕育的增量载荷扰动和加载影响时，极易到达冲击启动阶段。

图  9  相邻采空区影响

Figure  9.  Impact of adjacent goafs

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4.   降载防冲技术

为有效降低见方复合构造区域冲击危险性，根据“分源、分类防治”思想，综合采用“区域+局部”的降载防冲技术，如图10所示。针对孕育动静载源的坚硬覆岩，采用井下长孔区域压裂和顶板预裂爆破技术协同防控；针对积聚静载源的见方复合构造区域的煤体，采用帮部、底板松动爆破技术，从载荷源头进行防控，使其丧失冲击启动条件。

图  10  降载防冲技术

Figure  10.  Load reduction and rockburst prevention technology

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4.1   区域压裂降载

为弱化煤层上方的坚硬顶板，实现安全回采，对煤层上方厚度为36.10 m的坚硬中砂岩顶板实施井下长孔压裂，切断临空侧采空区厚层坚硬顶板的侧向悬顶，进而降低坚硬顶板对工作面扰动程度。压裂层位布置在煤层上方30 m处，每段长度为30 m，压裂时间不少于30 min。

4.2   顶板预裂爆破

在工作面超前区域沿工作面走向、倾向布置预裂爆破钻孔，强化顶板预裂效果，如图11所示。炮孔在垂向的投影均为42 m。工作面深孔预裂爆破步距设定为10 m，采用被筒炸药（ϕ60 mm，400 mm，1.2 kg），每米装药量为3.0 kg，单孔装药量为60 kg，封孔材料为机制炮泥，封严封实。使用煤矿许用数码电子雷管，每孔装2发雷管，采用并联连线。

图  11  顶板预裂爆破

Figure  11.  Roof pre-splitting blasting

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4.3   煤层松动爆破

针对煤层帮部和底板，采用松动爆破方式，释放积聚在煤体内的弹性变形能，降低其冲击危险性。爆破孔孔径为42 mm，采用煤矿用三级乳化炸药（ϕ32 mm，200 mm，0.2 kg），帮部爆破孔孔深为11 m，装药量为4.4 kg，封孔长度为6.6 m。底板爆破孔孔深为11 m，装药量为5.0 kg，封孔长度为5.5 m。使用煤矿许用数码电子雷管，每孔装2发雷管，采用并联连线，正向爆破，如图12所示。

图  12  煤层松动爆破

Figure  12.  Coal seam destress blasting

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4.4   效果分析

对401106工作面回采期间周期来压步距和动载系数进行统计分析，对比降载防冲卸压弱化效果，结果如图13所示。工作面回采初期，周期来压步距为8.0～22.4 m，均值为10.6 m；动载系数为1.1～1.9，均值为1.6。进入见方复合构造区域后，周期来压步距为8.0～25.6 m，均值为13.7 m；动载系数为1.3～2.5，均值为1.89。降载弱化后，顶板完整性和强度有效降低，平均周期来压步距降低为9.6 m，动载系数降低至1.26。井下长孔区域压裂、爆破弱化破坏了顶板的完整性，提前释放了顶板内的弯曲弹性能，降低了孕育在煤层内的弹性变形能积聚程度，减弱了采动增量载荷对工作面的扰动影响，为作业空间提供了低应力作业环境，提升了回采安全性。

图  13  周期来压步距与动载系数

Figure  13.  Periodic weighting and dynamic load coefficient

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5.   结论

1） 工作面见方复合构造区域微震事件频次与能量出现跃升，煤岩体活跃程度增强，相比常规回采区域，微震事件平均最大能量与每米释放能量分别升高了20.1%，26.3%。见方复合构造区域载荷集中程度高于常规回采区域，煤岩体破裂程度相对较高，微震事件活跃程度相对剧烈，近似呈“抛物线”分布。

2） 煤岩体在见方效应、构造作用、坚硬覆岩及相邻采空区等因素叠加影响下，载荷集中程度升高，孕育较多弹性变形能和弯曲变形能，极易到达冲击启动条件，冲击危险性升高。

3） 根据“分源、分类防治”思想，提出“区域+局部”的降载防冲技术，针对孕育动静载源的坚硬覆岩，采用井下长孔区域压裂和顶板预裂爆破技术协同防控；针对积聚静载源的见方复合构造区域的煤体，采用帮部、底板松动爆破技术，降低了周期来压步距和动载系数，提高了回采期间作业安全性。