邵红旗

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引言

任何地质灾害都是在相关致灾因子具备或达到一定阈值时才发生的，如矿井突水溃砂灾害必须同时具备饱和含水砂层、临界水动力条件、溃砂通道及容纳水砂空间4个致灾因子[1-2]；矿山水害的发生必须同时具备水源及导水通道2个致灾因子[3-4]；采空区“活化”引起的地表塌陷、矿震、地下工程结构物破坏等一系列矿山结构和地质环境采动损害，也必须在地质力和工程力2大类致灾因子综合作用下打破采空区次生相对平衡结构时才发生的[5-6]。冲击地压发生必须同时具备脆性煤岩体、积累巨大弹性能等致灾因子[7]。只要找到各种地质灾害致灾因子，也就容易找到相对应的灾害防治方法。

切顶压架灾害作为一种特殊矿井地质灾害，也必须同时具备一定致灾因子时才发生。大量实际工程案例显示，陕北侏罗纪煤田进入煤层群下组煤开采时，需采出上覆各种残留煤柱，往往伴随强烈矿压显现问题，其中尤其普遍且危害性大的动压灾害就是切顶压架灾害[8]，往往给矿山企业造成巨大经济和物力损失。

关于神府矿区侏罗纪煤田薄基岩厚风积沙型浅埋近距离煤层群开采切顶压架灾害致灾因子分析及防治技术方面的研究，前人做过并取得了丰硕成果。文献调研结果显示，压架灾害致灾因子主要集中在以下6个：残留煤柱覆岩结构失稳因子[8-15、18-21]、残留煤柱突变失稳因子[16-20]、残留煤柱覆岩弹性能积聚因子[15]、下煤层工作面覆岩回转运动因子[20，22]、残留煤柱应力集中因子[22]及基本顶大面积垮落因子[21]。防治技术主要集中在以下6个方面：煤柱边界预掘空巷[8-12]、从下煤层施工上仰孔预爆残留集中煤柱[8-14、16-22]、人工进入上覆采空区预爆残留集中煤柱[18]、充填采空区[8-12]、残留煤柱覆岩关键块体结构预爆[8-12]及注砂充填采空区[15]；还有从采煤工艺技术角度进行预防的，如合理控制采高[16、17、21]、加快推采速度[16、17、21]、工作面调斜开采[21]、调整周期来压[21]、加大支架工作阻力[21]、提高安全阀开启压力[21]。

但据工程调研结果显示，煤柱边界预掘空巷[8-12]及人工进入上覆采空区预爆残留集中煤柱[15]防治措施虽经工程实践验证，但是适用条件差，工程可借鉴性及可实施性不强，有些矿区上覆采空区已经封闭，不具备人工进入采空区的条件。从下煤层施工上仰孔预爆残留集中煤柱[8-14、16-22]防治技术，施工的钻孔较浅，必须停止工作面回采，从工作面里面朝回采方向施工上仰浅孔，实施爆破，影响回采效率。至于充填采空区[8-12]、残留煤柱覆岩关键块体结构预爆[8-12]及注砂充填采空区[15]，仅仅结合数值模拟分析对预防效果进行验证，尚未经过工程实践验证防治效果。故本文采用理论分析与工业性试验互相印证手段，提炼出顶板结构因子、煤柱动力破坏因子及层间岩层因子3大致灾因子并分析了3大致灾因子的压架致灾机理；创新性地提出一种不影响工作面正常回采而从下煤层工作面两侧顺槽施工超深(最深达133 m)、上仰钻孔，超长装药段及专利装药技术[23]综合爆破上覆采空区残留煤柱及其直接顶的降载减冲技术，既能弱化煤柱力学强度达到卸压降低静载应力集中程度目的，又能破坏煤柱覆岩完整性，达到弱化煤柱覆岩结构破坏运动形成的冲击动载扰动强度双重目的；利用该技术在大柳塔某煤矿对3301面、3302面、3303面及3304面4个工作面过上覆房柱采空区切顶压架灾害进行了成功防治。

1 三大致灾因子致灾机理

1.1 工程结构模型构建

针对神东矿区最普遍的2种采矿地质条件构建2种工程结构模型(图1)：长壁工作面采出上覆集中倾向煤柱及上覆房柱采空区下回采时。

1.2 顶板结构因子

各种类型的房柱采空区在顶板尚未垮落前，均具有一定的潜在势能，尤其煤柱覆岩中存在厚度大、整体性好、强度高、自承能力强的厚硬关键层顶板时，覆岩破断将释放大量的弹性能，主要由体应变弹性能Uv、形变弹性能Uf及顶板弯曲弹性能(初次来压时Uw1及周期来压时Uw2)。其能量大小可用下列公式计算[24-25]:

Uv=(1-2μ)(1+μ)2ρ2H2/[6E(1-μ)2]

Uf=(1+μ)(1-2μ)2ρ2H2/[3E(1-μ)2]

Uw1=q2L2/576EJUw2=q2L2/8EJ

式中：E——岩层的弹性模量/GPa；

μ——岩层的泊松比；

H——岩层的采深/m；

ρ——岩层的密度/(kg·m-3)；

q——作用在岩梁上的均布荷载；

J——岩梁的惯性矩；

L——顶板岩梁的悬伸长度/m。

从上式可以看出,能量的聚积随采深的增大而增大,也随采空区面积即悬顶长度的增大而增大。当围岩中的弹性能积聚到足够大时,所产生的应力超过了煤岩体本身的强度,则弹性能突然释放,使煤体猛烈破坏,或产生煤的弹射和突出等冲击矿压现象,在工作面或巷道中造成动压灾害。

顶板在垮落前具有的势能为Ep=mgh，当冒落顶板岩层面积大，即质量m大时，其势能Ep则大，当采高h大时，其势能Ep也大，顶板冒落后势能转变的动能Ek=mv2/2必然也大。以神木某矿3301工作面的采矿地质条件作为算例，计算顶板垮落的冲击力大小。上覆煤层采高4.4 m，垮落岩层的厚度为5 m，周期来压步距12 m，工作面倾向宽200 m，垮落岩层密度2 300 kg/m3，则垮落岩层的势能为809.6×106J，即2.76×104t重量垮落形成的冲击力。

释放的应变能及位能(重力势能)转化为强大的冲击动载是切顶压架灾害的动力源。这种冲击动载以应力波形式向下传递给煤柱及层间岩层。

1.3 煤柱动力破坏因子

国家标准规定[26]：煤的冲击倾向性4个指标中单轴抗压强度7≤Rc<14 MPa时，煤体具有弱冲击倾向性，Rc≥14 MPa时，煤体具有强冲击倾向性，据王方田等文献数据[16-17]显示，鄂尔多斯市乌兰煤炭集团石圪台煤矿3-1-1煤Rc=14.7 MPa，3-1-2煤Rc=15.9 MPa，可知大柳塔矿区的煤质较硬，具有强冲击倾向性。

众所周知，煤岩破坏方式分脆性破坏和塑性破坏两种，具有弱冲击倾向性煤岩体易发生塑性破坏，具有强冲击倾向性煤岩体易发生脆性破坏。窦林名等[7]相关研究结果指出：煤岩是率相关材料，在加载速率较大时，本身具有弱冲击倾向性的煤岩体也会像具有强冲击倾向性的煤岩体那样发生动力冲击破坏；随着应变率增大，煤岩强度、弹性模量均呈指数关系增大，当静载占比较大时，煤岩呈剪切破坏; 当动载占比较大时，煤岩呈现劈裂甚至爆裂破坏。

由图1构建的2类工程结构模型可知，煤柱是采动影响下煤柱覆岩结构破断运动形成的强大冲击动载向下传递的介质和路径。煤柱的破坏方式决定着其覆岩断裂及破断运动传递下来的冲击动载传递至层间岩层的大小。若煤柱发生塑性破坏，延缓了冲击动载对层间岩层的作用时间，既降低并吸收大量冲击能，又减缓冲击力；若煤柱脆性破坏，则作用时间短且其传递冲击动载的能力强，会对层间岩层产生很大的冲击力。

煤柱因集中静载应力储存的能量和其覆岩断裂及破坏运动传递下来的冲击能之和可用下式表示[25]：

U=(σj+σd)2/2E

(1)

式中：σj——煤柱中的静载/MPa；

σd——煤柱覆岩传递下来的冲击动载/MPa。

式(1)中，σj可用下式计算：

σj=σj1+σj2=(k+λ)γH

(2)

式中：k——支承压力集中系数；

λ——构造应力集中系数；

γ——上覆岩层的容重/(kN·m-3)；

H——上覆岩层的厚度/m。

煤柱覆岩断裂及破坏运动，必将释放大量的能量，震源震动作用，给岩石介质施加作用力，使之发生变形(包括弹性变形和非弹性变形)。假设煤岩体为弹性各向同性连续介质，则矿震产生的应力波以两种不同的波传播，即纵波和横波，将产生两种变形。矿震扰动施加给煤柱的冲击动载峰值动载σd可用下式[25]表示：

(3)

式中，σdp，τds——P波、S波产生的动载/MPa；

ρ——煤岩介质密度/(kg·m-3)；

vp，vs——P波、S波传播的速度/(m·s-1)；

(vpp)p，(vpp)s——质点由P波、S波传播引起的质点峰值振动速度/(m·s-1)。

根据岩体动力破坏的最小能量原理[27]，煤柱发生动态冲击破坏(即脆性破坏)时消耗的最小能量可用下式表示:

(4)

式中：σli——煤柱发生动态冲击破坏的临界应力。

故根据式(1)及式(4)，可建立煤柱是否发生动态冲击破坏的判据公式，即必须满足下式煤柱才发生动态冲击破坏：

σj+σd>σli

(5)

从上述分析可知，煤柱动力失稳破坏是切顶压架灾害的一大致灾因子，若能弱化其传递冲击能的能力或切断冲击动载的传递路径，则能很好地防治切顶压架灾害。

1.4 层间岩层因子

层间岩层因子是指，综采面与上组煤的层间岩层较薄，不足以抵抗煤柱覆岩空间结构失稳破坏传递下来的冲击动载，以剪切破断的形式发生破坏，在工作面实煤体顶板发生切顶下沉，若液压支架不足以抵抗切顶下沉载荷，即会发生所谓的切顶压架灾害。

关于层间岩层越厚，切顶压架灾害发生的概率越小的原因，不仅仅是因层间距的增大而增强了层间岩层抵抗冲击动载的能力，更重要的是，可利用煤矿开采覆岩破坏移动破坏规律，使工作面避开传递下来的冲击动载，而使其作用在工作面后面的采空区矸石上；原理可从覆岩破断角方面进行分析[11]：从图2可以看出，层间距较小时，工作面推至煤柱边界附近(位置a)即会波及上覆煤柱边界，造成顶板直接沿破断线切落，导致压架发生；而层间距较大时，工作面推进至相同位置处(位置b)，覆岩的破断仍位于煤柱内部，直至工作面推至一定距离时(位置c)，才波及到煤柱边界，而此时由于工作面距煤柱边界的距离已很远，传递下来的冲击动载仅能作用于采空区矸石之上，对工作面支架影响很小，从而降低发生切顶压架灾害的概率。

图2 不同煤层间距覆岩运动示意图[11]Fig.2 Strata movement in different seam interval condition

层间岩层致灾因子是客观条件，人为改变该因子的方法较少或效果不显著，不能像矿井水害防治那样可通过注浆改造原理把含水层改造成有效隔水层，层间岩层厚度一定不可改变，通过注浆加固层间岩层也只是徒然增大人力和经济成本，且收效甚微。

2 基于弱化原理的压架灾害防治技术

从切顶压架灾害的三大致灾因子致灾机理分析可知，采空区残留煤柱动力失稳破坏是诱因，顶板结构破断运动是力源，层间岩层是承载体。如果层间岩层越厚，压架概率越小；采空区残留煤柱若由脆性破坏趋向于塑性破坏，则冲击动载作用时间变长，对顶板运动破坏形成的冲击动载形成缓冲作用，压架概率变小；顶板运动破坏的面积和尺度越小，形成的冲击动载也越小，则压架概率变小。但层间岩层(承载体)的岩性、厚度及结构是客观存在且不易人为改变，只能从残留煤柱动力失稳破坏因子及顶板结构因子2个方面寻求压架灾害防治方法。

2.1 技术原理

从扰动响应失稳理论[28]角度来看切顶压架灾害的话，三大致灾因子中，煤柱覆岩结构因子是扰动量，煤柱动力破坏因子是控制量，层间岩层因子是响应量。本文基于弱化原理，创新性地提出一种技术可行经济合理且不影响下层煤工作面正常回采的综合爆破煤柱及其直接顶防治技术，是一种既针对扰动量又针对控制量的综合防治方法。具体实施方法为：从工作面两侧顺槽施工超深(最深达133 m)上仰定向钻孔，准确打中上覆残留集中宽大煤柱并进入煤柱直接顶一定深度，在钻孔穿过煤柱段至孔底部分装药，既爆破综采工作面上覆残留煤柱，又爆破煤柱直接顶，对压架灾害进行有效防治，技术原理详见图3所示。

图3 综合爆破防治技术原理图Fig.3 Technical schematic of comprehensive blasting control technology

2.2 集中静载应力弱化原理

由上述对煤柱动力破坏致灾因子的分析可知，煤柱发生脆性破坏，是在一定的静载应力作用基础上，在一定程度的冲击动载强力扰动下，超过了煤柱由塑性破坏转变为脆性破坏的临界条件而发生了动力破坏，基本原理如图1中的2个工程结构模型所示，静载应力水平越高，所需的冲击动载扰动程度越小即可发生脆性破坏；静载应力作用水平越低，所需要的动力扰动程度越大，才能发生脆性破坏。爆破残留煤柱正是利用集中静载应力弱化原理，人为对煤柱制造大量裂隙，既弱化煤柱的物理力学强度，降低集中静载应力的作用水平，又能减弱煤柱传递冲击动载的能力，对冲击动载形成一定的缓冲垫层作用，切断冲击动载向层间岩层的能量传递路径。

2.3 冲击动载扰动强度弱化原理

爆破煤柱直接顶，就是基于冲击动载扰动强度弱化原理，既破坏煤柱顶板的完整性，人为制造裂隙面或缺陷体，减小顶板运动破坏的尺度，消化吸收冲击能，使冲击能传递至煤柱之前被消化吸收一部分，又释放顶板变形积累的弹性能，综合弱化顶板破断运动形成的冲击动载的扰动强度，达到减冲消能的双重目的。理论依据为震动波在煤岩介质中的传播呈幂函数衰减规律，可表示为[25]：

v=v0L-λ

(6)

式中：v——震动波传播处的质点振动速度/(m·s-1)；

v0——震源边界处的质点振动速度/(m·s-1)；

L——距震源边界处的距离/m；

λ——衰减系数，与传播介质有关。

由冲击动载能量传播衰减规律可知，煤柱覆岩破断及运动形成的冲击动载能量在传递至煤柱之前，弱化煤柱直接顶的强度，降低传递冲击能量的能力，加大冲击能量的衰减，增加裂隙面消化吸收该冲击能量，减少对煤柱的冲击动载。

2.4 防治效果评价

针对爆破防治技术的弱化原理，有针对性地构建了集微震监测技术、震动波CT技术、地表岩移观测及矿压观测于一体的综合防治效果评价技术，微震监测能对冲击动载扰动强度进行监测及效果评价，CT透视反演技术能对集中静载应力弱化程度及防治效果进行评价，地表岩移观测及矿压观测对综合防治效果提供直观的评价，对该工程技术的成功工程应用提供了全面保障。

利用该防治技术在神木某矿3个工作面的压架灾害防治工程中得以成功应用[29]。

(1)如图4及图5所示，3302工作面从开始回采至推采经历爆破防治区域，微震监测结果显示，虽然大能量事件多分布在爆破防治区域，但是释放总能量较小，未发生大能量冲击动载事件，达到了缓慢释放能量，弱化冲击动载扰动强度目的。

图4 3302面微震监测震动事件分布图Fig.4 Distribution of micro-seismic monitoring seismic events in 3302 working face

图5 3302面微震事件总能量释放统计表Fig.5 Table of total energy release of seismic events in 3302 working face

(2)煤岩体中震动波波速与应力存在正相关关系，故由图6、7、8所示的震动波CT技术监测结果可知，实施综合爆破后，残留煤柱高集中静载应力区域的应力水平降低了约20%，达到了弱化集中静载应力目的。

图6 爆破前CT技术波速分布图Fig.6 Distribution of wave velocity of seismic computed tomography before blast

图7 爆破后CT技术波速分布图Fig.7 Distribution of wave velocity of seismic computed tomography after blast

图8 爆破前、后CT技术波速差值分布图Fig.8 The wave velocity difference distribution of seismic computed tomography before and after blast

(3)由图9所示的地表移动观测结果显示，实施综合爆破后，在工作面尚未回采到爆破区域之前，对应地表已发生了沉降变形，达到了降载减冲的双重目的。

(4)由图10可知，工作面回采经历爆破区域时，井下矿压观测结果显示，顶板来压平缓，动载系数小，为综合防治技术提供了直观的效果评价。

图9 推采至爆破区域之前地面沉降变形Fig.9 Settlement deformation of surface before mining to the blast area

图10 推采至爆破区域时矿压显现Fig.10 The display of mine stress when mining under the blast area

3 结论

(1)由切顶压架灾害机理分析可知，残留煤柱顶板结构因子是扰动力源，残留煤柱动力破坏因子是灾害发生的诱因，层间岩层因子是响应量，是灾害发生的体现。

(2)基于集中静载应力弱化原理及冲击动载扰动强度弱化原理提出了一种降载减冲的综合爆破防治技术，并得到了工业性试验验证。

(3)有针对性地构建了一种集微震监测技术、震动波CT技术、地表岩移观测及矿压监测于一体的综合防治效果评价技术。