大同双系开采强矿压显现机理及控制技术探讨

赵 军

（大同煤矿集团有限责任公司同大科技研究院，山西大同 037003）

0 引言

岩层控制是煤炭地下安全高效开采的核心，随着开采深度的增加和煤层赋存条件的越来越复杂，顶板控制技术的难度也越来越大，特别是坚硬顶板条件下的顶板控制问题一直是困扰世界采矿界多年的难题之一。大同矿区是公认的国内外最为典型的坚硬顶板矿区，其赋存的煤层为侏罗系和石炭二叠系双系煤层，煤层顶底板岩层多为整体性强的厚砂岩、砾岩，层理节理均不发育，分层厚度大，性质坚硬，f≥8；开采后顶板难以冒落，而冒落时常会造成工作面的冲击性破坏，压力显现剧烈，甚至形成飓风灾害对工作面造成冲击；而在进行煤层群开采时，受上层开采煤柱影响，集中压力大，顶板维护难度更大。

针对坚硬覆岩条件下顶板结构及工作面强矿压的显现机理，国内外众多学者做了大量的研究。坚硬顶板造成的回采工作面动力灾害现象，在上世纪八十年代以来的矿压教科书及许多矿压研究的专著都有表述，和冲击地压一样基本用一章的篇幅来进行说明；但由于其造成的灾害影响不如冲击地压大，人们对其重视程度较低，研究此类问题的专家学者越来越少，使得研究的深度和广度远远不能和冲击地压问题相提并论，解决坚硬顶板问题的手段也较少。随着人民生活水平的提高和国家对煤矿安全生产的重视程度越来越高，顶板强矿压问题越来越受到各方面的重视。多年来，大同煤矿集团联合国内外研究机构和高等院校针对大同双系特厚煤层坚硬覆岩开采中的岩层破断机理、致灾特征及控制技术等进行了有效的研究探索，取得了较好的成效，形成了以预控为主的坚硬顶板控制技术体系，可为其他矿区的坚硬顶板控制技术作为参考和依据。

1 坚硬顶板“强矿压显现”的特征及与冲击地压的区别

坚硬顶板条件下的采场发生的矿压显现比一般的矿压显现表现的突然和剧烈，并伴有动力现象的出现，过去的学者曾将其称为“坚硬顶板大面积来压”和“和非典型冲击地压”等等，和煤矿冲击地压、煤和瓦斯突出等并称为矿山三大动力现象，和冲击地压现象很类似，但又有其本质差别。根据我们多年来的经验和研究结果，我们感觉将其称为“强矿压显现”更为确切。在这里按其发生的原因及性质将其初步定义为：“矿山井巷和采场周围煤岩体，由于受上覆岩层或顶板结构的突然破断失稳使岩体结构的位能突然释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象”。发生时一般以部分岩体结构缓慢破坏为先导，岩层整体破断正是局部破裂不断发展的结果。破断的同时，已破坏岩体的位能突然转化为动能而显现弹性能的释放，变形能的释放又产生以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。发生的现象为：顶板剧烈响动，迅速下沉，底板隆起，煤壁严重偏帮，巷道堵塞，煤柱被压碎，支架损坏等等。如图1所示。

坚硬顶板强矿压与冲击地压的区别：一是动力来源不同，冲击地压是岩体内部的弹性变形能的突然释放而引起的动力灾害，强矿压是上覆岩层或顶板结构的突然破断失稳使岩体结构的位能突然释放造成的；二是显现特点不同，冲击地压发生时顶板一般不垮落，而强矿压的发生必须在上覆顶板岩层垮落的基础上。

图1 工作面和巷道的强矿压显现现象

坚硬顶板强矿压显现的特点：

（1）强矿压发生前或发生时经常伴有剧烈的响动，在工作面附近能听到咚咚的声响（井下工人俗称“闷咚”）；

（2）起支撑作用的顶板岩层以剪切形式破坏，使原有的岩层结构突然失稳，并瞬时垮落到已冒落岩石上，对周围煤壁、支护体等造成冲击性压力；

（3）埋深浅的矿区常常造成地面塌陷，地表塌陷范围多呈圆形、椭圆形或大体沿回采区域边界发展，小于开采面积，在塌陷区的周边多出现纵横交错的张口裂缝，裂缝最大宽度可达0.5 m以上。

（4）强矿压发生时一般会产生压缩气体，发生大量瓦斯或有害气体涌出，严重时会有空气冲击（暴风），可摧毁棚子、密闭、风桥和设备等巷道支护和通风设施，甚至造成人员伤亡，甚至造成矿井停产或临时封闭。

（5）顶板来压猛度大，支架载荷的典型曲线是：平时基本无增阻，来压时出现明显的瞬时增阻，顶板活动造成的冲击载荷，使安全阀来不及动作或泄压速度慢而发生严重损坏。

2 坚硬顶板覆岩条件下特厚煤层综放开采的强矿压显现机理研究

2.1 大同矿区开采煤层赋存的基本情况

大同矿区开采侏罗系和石炭系双系煤层，目前矿区对侏罗系煤层的开采几近完毕，以塔山、同忻为代表的千万吨级矿井已转入深部石炭系煤层的开采。侏罗系煤层的埋深一般不超过300 m，属浅埋深煤层，为近距离煤层群赋存，多为近水平中厚煤层为主，单层最大厚度7.81 m。石炭系主采3-5#煤层位于已开采侏罗系煤层采空区覆岩结构下方200 m 左右，现开采区域煤层平均厚度平均为15 m 左右，为近水平特厚煤层，采用综采放顶煤开采方法；双系层间广泛分布着细粒砂岩、粉砂岩、中粒砂岩、砾岩以及砂质泥岩等成分，其中砂质岩性岩层约占90%～95%，顶板岩层坚硬完整，双系煤层之间的柱状如图2所示。

图2 煤层柱状图

2.2 二维与三维相似材料模拟研究

为预先掌握特厚煤层综放开采时的坚硬顶板运移规律，分析强矿压显现产生的机理，开采前我们针对塔山和同忻矿的多个工作面实际煤层赋存条件进行了二维和三维的相似材料模拟研究，实验室模拟现场图片见图3、图4。

图3 二维实验模型全景图

图4 三维实验模型全景图

模拟的研究结果分析：通过实验，得到直接顶厚度约为50 m 左右，下位直接顶厚度为30 m 左右，上位直接顶厚度为20 m 左右；老顶厚度为93 m，下位老顶厚度为30 m，上位老顶厚度为63 m。实验所得下位老顶周期断裂步距15 m～20 m，上位老顶的平均周期断裂步距为40 m～50 m。当工作面推进至距离切眼31 m时，工作面下位直接顶粉砂岩和粗砂岩层初次垮落，随工作面推进，当工作面推进至距离切眼65 m 时，下部老顶岩层初垮，其后每15 m～20 m，下部老顶岩层又一次周期运动过程；当工作面推进至距离切眼205 m时，工作面上部老顶岩层初垮，其后每40 m～50 m 上部老顶垮落一次。直接顶岩层的垮落角度约为58°左右，老顶岩层垮落角度约为60°左右；正常推进时，工作面支架处于工作面正常状态。当工作面下位老顶第一次周期运动时支架压力为27 142.73 kN/架；当工作面推进到上位老顶运动时，强迫下位老顶和直接顶结构断裂，支架压力为38 543.95 kN/架，明显有动压现象发生。

2.3 基于微地震监测技术的矿压规律研究

采用高精度的微震的监测手段对塔山煤矿和同忻矿综放工作面开采过程中的覆岩破裂演化规律进行监测分析[1]，监测时在井下巷道中布置若干钻孔，每个钻孔与水平面的夹角都不同。布置在钻孔的传感器与井下巷道内的监控设备相连，然后通过光缆与地面的监控设备和计算机相连。通过采集到的微震事件信息分析不同时间、不同地点、不同岩层高度的岩层损伤情况，最终总结出采场周边岩层的岩层运动情况。

塔山矿8103 工作面监测结果如图5 所示，微震事件显现规律再现了岩层运动破裂的整个过程，揭示了岩层运动的范围和围岩应力分布规律。监测结果表明微震事件密集分布区域主要集中在煤层以上50 m 直接顶范围之内，正常破裂高度约100 m，最大破裂高度至上位老顶达200 m以上。

图5 工作面覆岩垂直断裂特征

2.4 基于地面钻孔高精度数字全景成像实测技术的现场矿压规律研究

为着更直观、更切近实际的掌握顶板运动规律，我们利用现场1：1实体模型采用全景式数字成像技术进行全过程不间断观测研究[2]；在距切巷270 m 和500 m处布置了两个钻孔，分别位于工作面的中部和1/3处。避开了盘区煤柱和区段的影响，全方位的观测了顶板的变化情况。工作面推进到距钻孔30 m时，工作面每两天观测一次。从工作面推进至钻孔前后30m，每天观测一次。过钻孔30 m到距离钻孔100 m这一区段范围内，工作面每两天观测一次，后到工作面结束，工作面每周观测一次。通过数字全景成像技术直观的观察了塔山矿综放工作面采面开采过程中顶板变化全过程，分析和掌握了特厚煤层顶板岩层运移规律，为顶板控制研究提供基础数据，对进一步研究岩层运移规律提供理论基础与技术支持。观测的3D 变化和典型截图结果如图6、图7所示。

图6 钻孔典型3D变化图

图7 1号钻孔典型截图

经过对塔山地面钻孔长达4 个多月的观测，通过分析整理，随工作面推进钻孔塌落高度见图8所示。

图8 钻孔塌落高度曲线

从钻孔塌落高度曲线情况来看，显然塌孔高度和工作面与钻孔相对位置呈正相关关系，即随着工作面的推进，塌孔高度呈台阶跳跃型升高。可见，岩层在这里确实出现了“破坏拱”，而整个曲线的平台段是离层发生——发展的阶段，顶板岩层发生冒落、裂隙、弯曲都是先产生离层，然后在进一步发展为冒落、裂隙、弯曲带。第一平台在工作面推过钻孔8 m 左右，高度大约50 m 左右，分析推断此处为直接顶与老顶的分界处，是中砂岩和粉砂岩的分界处。第二平台在工作面推过钻孔10 m～20 m左右，高度大约在70 m左右，分析推断此处为老顶第一岩梁，是粗砂岩和粉砂岩的分界处，为下部老顶；第三平台在推过钻孔25 m～50 m 处，高度已上升到150 m左右，此处为老顶第二岩梁内，是细砂岩和粉砂岩的分界处，应为上部老顶岩层。当工作面推过钻孔70m 后处，垮裂带高度已经到达200 m以上，此处为上二叠系上石盒子组内中部不稳定岩层和下部稳定岩层的分界处是粗砂岩和粉砂岩的分界处。随着工作面推进，上部破裂岩层高度已到达250 m 甚至300 m 以上，接近上部侏罗系岩层。而在形成平台的过程中，也就是顶板发生离层导致突然冒落的过程中，会在井下工作面附近的区域产生冲击性的压力并发出咚咚的巨响。随工作面开采的越来越远，后方的影响也会逐步减少。

2.5 综放工作面支架阻力实测研究

在塔山矿和同忻矿已开采的二十多个工作面全部进行了液压支架支架工作阻力在线监控系统结合并结合每架上双针压力表等其他手段的矿压观测研究，经统计分析，工作面初次来压步距为45 m～80 m之间，周期来压步距在15 m～30 m 之间；工作面普遍存在大小来压现象，一般在2～3次小的周期来压后，将有一次大的周期来压，老顶分次垮落的迹象明显；多数工作面在将近见方时压力显现明显加剧，在已有采空区形成大对方时，也有压力显现增加的现象。其来压特点如下：

⑴从工作面长度上来看，呈现分几段来压的特点，工作面头、中、尾不同时来压，分析认为这是由于工作面的加长和地质构造的原因，顶板不可能是完整的板状结构，中间会存在很多的弱面或节理裂隙，断裂时分段断裂。

⑵工作面来压时基本上是中部先来压，然后向两边扩展；如果头尾不平行推进，则靠超前一侧的中部先来压，后向两边扩展。

⑶由于工作面较长，又呈现分段来压的特点，造成每次来压到结束时间较长。

⑷平时情况下，前柱压力大于后柱压力，每次来压时，后柱压力高于前柱。分析其原因是由于顶煤厚度高，平时情况下支架后部上方的顶煤已松动，顶板传递到后柱压力明显小于前柱；而来压时折断后的岩梁倒转压到支架的后方，因此支架后立柱比支架的前立柱在来压时承受的压力大，由于顶煤的作用，来压时，放顶煤工作面的煤壁片帮比一次采全高工作面程度小。

根据采矿和矿压理论，结合前述二维三维相似材料模拟实验、数字全景成像技术和微地震监测技术和工作面现场的矿压观测实测研究，我们得到了如图9所示的大同矿区双系特厚煤层综放开采的大空间覆岩结构模型[3-5]。

图9 特厚煤层综放开采上覆岩层结构模型

该模型由两部分组成，其上部侏罗系煤层开采后遗留的煤柱形成的类似“工”字型结构，下部是工作面基本顶范围内形成“悬臂梁+砌体梁”的结构。即石炭系特厚煤层开采的采场矿压不仅仅受低位岩层的破断影响，更受到高位空间范围内岩层运动的影响，同时与煤层开采厚度有关。在没有上方侏罗系煤柱的情况下，工作面矿压显现受“悬臂梁”和“砌体梁”周期性复合破断的影响，“悬臂梁”结构的破断块体及其控制的上覆载荷完全由工作面支架承担，支架静载荷较大，当上位“砌体梁”结构发生失稳破断时，上方的破断块体将下部“悬臂梁”结构折断，并在巨大载荷的作用下发生迅速回转作用于工作面支架，支架所承受载荷由单一“悬臂梁”结构变成“悬臂梁+砌体梁”结构，来压强度增大，工作面强矿压显现剧烈。工作面小周期来压步距受悬臂梁破断影响，大周期来压步距受上位砌体梁结构破断影响。而在侏罗系遗留的煤柱下方开采时，煤柱对于石炭系煤层开采有较大影响，经研究当上覆煤柱宽度在30 m～120 m 之间时，影响较大，其中煤柱宽度在80 m时影响最大。

3 协同弱化改性的坚硬顶板预控技术

大空间坚硬覆岩结构对采场的强矿压作用对工作面的安全高效生产带来了严重的危害，提出合理的基于协同弱化改性的坚硬顶板预控技术体系显得尤为重要。在预知工作面强矿压显现机理的基础上，针对不同的来压影响因素，必须采取合理的预控技术措施，通过改变岩层特性和结构来改变大空间坚硬覆岩结构的特性、空间分布、破断特性以及应力场分布，减小顶板破断时积聚能量的释放强度，以达到降低工作面强矿压显现强度的目的，实现安全高效预控。根据坚硬顶板预控技术体系，研发了顶板防治的关键技术：井下近场基本顶预裂、地面远场压裂弱化改性、解放层泄压开采等。

3.1 区域性的预控技术

首先要从开采环境入手，进行区域性的预控技术，使开采时的顶板岩层难以形成大空间的覆岩结构或减小覆岩结构的空间范围，以减少对工作面生产的影响。区域性的预控技术主要在有条件的区域进行解放层开采，使上部的大空间覆岩结构事前破坏或减弱，以减小对工作面的影响。

解放层开采技术一般常在预防冲击地压或煤与瓦斯突出时采用，而预防工作面顶板强矿压还尚未见在其他矿区采用过的公开报道。为解决石炭系3～5#特厚综放开采大结构顶板强矿压控制技术难题，首先开采3-5#煤层上方的薄及劣质煤层(山4#煤层)，即所谓的解放层。由于山4#煤层厚度小，开采时的影响范围小，形成的覆岩结构空间小，相对比较而言开采时的来压强度不大。而等山4#煤层开采后，上方的岩层经过不断移动，使得地层应力发生重新分布，在采空区上方形成自然冒落拱，压力则传递给采空区以外的岩层承受；尤其是在解放层开采后，煤层上方的侏罗系遗留煤柱的集中应力就会自动消失，采动影响范围内，地层应力(包括地质构造应力)降低，3-5#煤层及顶板层将会卸压，在垂直煤层层面方向呈现膨胀变形，而在煤层和岩层内，不仅产生出新裂缝，而且原有裂缝也有扩大，这就使得煤层及岩层应力状态大大降低，从而达到了特厚煤层综放开采大结构顶板控制难题。

3.2 工作面周边的预控技术

主要是通过工程手段，改变工作面上方覆岩的特性，从而改变开采时上方的直接顶和基本顶的悬顶长度、厚度，改变大空间覆岩的结构特性，以减轻采场支架上的压力。主要分为在井下工作面附近进行近场的控制技术和在地面打钻孔对侏罗系煤层遗留煤柱或煤柱下方的坚硬岩层进行弱化处理两种技术。

（1）井下近场岩层预裂技术为保证对基本顶的预裂效果，在井下工作面附近，通过向工作面（或相邻采空区）顶板岩层打钻，用特高压水压致裂技术[6,8]和爆破预裂顶板技术[7,8]，增加了顶板的裂隙，减小了岩层强度，降低了来压步距和来压强度。对临近采空区顶板注水压裂示意图如图10所示，爆破切顶示意图如图11所示。

图10 工作面压裂钻孔布置剖面图

图11 爆破切顶示意图

经压裂和爆破处理后经过钻孔窥视，表明岩层裂隙明显增加，开采时巷道压力和变形较前明显减小；在对工作面顶板实施压裂后，工作面周期来压步距和强度都有所减小，效果明显。

（2）地面远场压裂弱化改性技术

基于地面钻孔的远场坚硬覆岩控制技术是通过地面钻井复合压裂技术弱化上覆岩体的整体强度，主要通过水压裂缝的产生和扩展，改造岩体的宏细观结构，降低岩体的力学性能。通过弱化岩体的力学性能，降低顶板岩石的整体强度，使顶板及时垮落，减小顶板来压强度，防止因顶板突然大面积折断垮落而产生应力集中释放现象。高位关键层的失稳破断是强矿压发生的主控因素，为降低高位关键层破断时的能量释放、压力传递，减小高位岩层的活动范围，采用地面水平孔分段压裂及垂直孔分层压裂技术实现了对坚硬顶板岩层物理力学性质的弱化，改变了高位关键层的破断特性和强度，地面压裂岩层示意图如图12所示。

图12 地面水平和垂直协同压裂技术

综上对坚硬顶板预控技术及其体系的详述可知，井下基本顶的预裂应用较为普遍，对强矿压显现的控制效果显著，地面压裂技术则根据具体高位关键层及上覆煤柱的存在有针对性的实施，从开采角度出发，卸压开采是工作面强矿压控制的有效技术途径，但受控于泄压可采煤层的存在，受开采条件制约。因此，因地制宜，通过多角度、全方位的协同作用，选择合理的预控技术实现对大空间坚硬覆岩的强矿压显现的主动控制，达到工作面的安全高效生产。

4 主要结论

通过大同煤矿集团多年来对坚硬顶板特厚煤层条件下综放工作面采场强矿压显现机理研究和对大空间覆岩结构的预控技术多年实践，可得到如下主要结论：

（1）本文对坚硬顶板采场的强矿压显现的特点进行了分析，说明了强矿压显现是一种与冲击地压、煤与瓦斯突出相类似的矿井动力灾害，与后两种灾害既有相同点即都是动力灾害，又有本质上的区别即是由开采后的坚硬覆岩结构垮落或失稳造成的，对矿井安全生产危害极大，应该引起各方面的足够重视，特别是我国东部地区，随着矿井开采深度的增大，煤层上方坚硬顶板岩层的可能性增大，坚硬顶板强矿压显现的有效控制将对矿井的安全生产和经济社会效益提高产生重大影响。

（2）坚硬覆岩采场强矿压显现机理为多因素共同作用的结果。和煤层顶板结构、矿区地质动力环境、开采顺序、采煤方法等有直接关系，要根据不同的矿井开采条件采用多种研究方法进行深入的研究，才能找到最为关键的影响因素，最终找到治理坚硬顶板的方法。

（3）大同矿区多年来针对大空间坚硬覆岩采场的强矿压显现难题实施的基于协同弱化改性的坚硬顶板预控技术体系，即：区域性解压（解放层泄压开采）技术、针对坚硬岩层改性的井下近场预裂与地面钻孔远场弱化技术等都对坚硬覆岩采场强矿压的控制起到了重要作用，降低了工作面来压强度，保证工作面的安全高效生产，可供其他矿区有针对性的选择与参考。