冲击地压是矿山开采中发生的煤岩动力现象之一。这种动力灾害通常是在煤岩力学系统达到极限强度时，聚积在煤岩体中的弹性能量以突然、急剧、猛烈的形式释放，在井巷发生冲击事故，造成煤岩体振动和破坏，动力将煤岩抛向井巷，同时发出强烈声响，容易造成设备损坏、井巷破坏、人员伤亡等巨大损失[1,2]。根据大量冲击地压矿井统计分析，冲击地压煤层上方通常会存在厚硬顶板，尤其在地质构造发育区域易诱发冲击地压事故[3]。基于此，大量学者针对厚硬覆岩运动诱发冲击开展研究。在机理研究方面，王恩元等[4]研究了动载扰动下大型冲击地压的发生及演化过程；张传玖等[5]研究了坚硬顶板综放工作面冲击地压的主控因素和防治技术；荣海等[6]研究了坚硬覆岩的结构失稳规律，并分析了其对冲击地压的影响；高明仕等[7]研究了厚硬顶板覆岩冲击矿震影响的远近场效应。在监测预警方面，谭云亮等[8]分析了坚硬顶板型工作面的声发射及应力前兆信息特点；张宏伟等[9]认为坚硬顶板条件下当微震能量超过一定数值或微震事件的分维值低于某临界值时，易发生冲击地压；赵毅鑫等[10]结合微震监测研究了冲击地压机理及前兆信息判识。在防治技术方面，潘俊锋等[11]提出了顶板“人造解放层”防治冲击地压的方法及机理；门鸿等[12]提出了地面L型水平井分段压裂技术；夏永学等[13]开发了井下超长水平孔分段压裂防冲技术。上述研究成果推动了厚硬覆岩下的防冲工作，在此基础上，以彬长矿区孟村煤矿401102工作面为工程背景，分析覆岩空间结构演化特征，针对高位覆岩实施地面水平井压裂，并对压裂后的覆岩运动时空演化规律进行分析，以期揭示覆岩运动对工作面冲击的孕育致灾过程及诱冲机理，提高卸压解危的精准程度。

1、工程概况

彬长矿区孟村煤矿主采的4号煤层经鉴定具有强冲击倾向性，经评价具有强冲击危险性，被认定为严重冲击地压煤层。根据地质勘探及采掘揭露，4号煤401盘区赋存有礼村向斜、谢家咀背斜、塬口子向斜及DF29断层等较大的地质构造，如图1所示。当回采工作面位于地质构造区时，煤岩体应力集中程度升高，发生冲击地压风险较大。

401102工作面是孟村煤矿回采的第2个工作面，可采走向长度1 789 m, 倾向长度180 m。煤层底板标高为+265～+305 m, 采煤工艺为综采放顶煤，全部垮落法管理顶板。平均设计回采高度13 m, 其中正常割煤高度3.5 m, 放煤高度9.5 m, 采放比为1∶2.7。工作面东侧为401盘区大巷，西侧为403盘区大巷，北侧为备采的401103工作面，401102运输顺槽与401103回风顺槽间隔40 m区段煤柱，南侧为401101采空区，其与401101采空区留设75 m煤柱。工作面内发育有塬口子向斜和礼村向斜以及DF29断层。401102工作面于2021年10月初开始回采，2023年3月16日回采完毕，工作面平面布置如图2所示。工作面老顶为厚度8.26～21.1 m、平均10.3 m的粉砂岩与细砂岩，饱和抗压强度8.2～23.7 MPa, 岩层稳固性较好，不易冒落；直接顶为均厚3.36 m的砂质泥岩，饱和抗压强度0～16.5 MPa; 底板以碳质泥岩、铝质泥岩为主，其中炭碳泥岩厚度平均4.5 m, 铝质泥岩厚度平均1.8 m, 稳定性差。

图1 孟村煤矿401盘区地质构造赋存示意   

图2 401102工作面平面布置示意   

2、覆岩结构空间演化特征

随着工作面回采，上覆岩层原有的承载体形成大面积采空区，应力平衡状态被打破，当作用力超过自身岩层强度时，响应变化发生破断，寻求新的平衡。一般的岩层运动理论认为，在非充分采动阶段，工作面上方破裂岩层形成结构的最大高度约为采空区短边宽度L的1/2。因此，401102工作面上方破裂岩层形成结构的最大高度M为401101、401102采空区及其之间煤柱短边宽度之和的1/2,即

式中，M为采空区上方破裂岩层，m; L1为401102工作面短边宽度，取191 m; L2为401101工作面短边宽度，取191 m; a为401101、401102工作面之间区段煤柱宽度，取75 m。根据计算，401102工作面回采前段上方破裂岩层形成的最大高度约为229 m。

根据工作面附近的M4-2钻孔，主关键层为距离煤层133.73 m、厚度186.1 m的复合砂岩层；亚关键层分别为距离煤层73.13 m、厚度13.3 m的砂质泥岩，距离煤层39.43 m、厚度16.95 m的粗粒砂岩和距离煤层3.38 m、厚度7.75 m的细粒砂岩，见表1。可以看出工作面上方存在厚度较大、强度较高且不易垮断的砂岩坚硬顶板，不利于冲击地压防治。

表1 401102工作面覆岩关键层统计(M4-2钻孔)

401101工作面回采时，两侧均为实体煤区域，上覆坚硬顶板以工作面两侧为承载体，顶板垮落相对稳定，逐渐形成“⨂”结构破断，后期随着401102工作面回采，一侧为实体煤区域，一侧为采空区，覆岩破断范围增大，将形成2个“⨂”结构，如图3(a)所示。

401102工作面与401101采空区之间留有75 m的煤柱，当工作面回采时，上覆岩层以实体煤区域和煤柱帮为承载体，导致煤柱侧冲击危险性升高，且工作面上方赋存强度较高、厚度较大、不易垮落的坚硬砂岩层，随着工作面回采，易在煤柱上方形成对称的“双F”悬顶结构，静载荷积聚程度升高，当悬顶突然垮断时，释放动载荷，煤柱侧将受到动静载叠加影响，增加了冲击危险性，不利于工作面安全回采。图3(b)为401102工作面覆岩破断演化规律剖面示意。

图3 401102工作面覆岩破断演化规律示意   

3、卸压防治措施

为削弱上方坚硬覆岩运动对401102工作面扰动程度，降低工作面动静载荷积聚程度。孟村煤矿针对401102工作面采用了井上、下立体协同卸压模式，如图4所示。针对高位坚硬覆岩，采用了地面水平井压裂技术，对距离401102工作面煤层上方60 m、平均厚度为25 m的安定组下段含砾中粗砂岩层实施区域压裂；但由于该工作面为国内首个采用地面L型水平井压裂防治冲击地压的工作面，施工经验不足，导致了工作面中部存在80 m宽的区域顶板岩层未覆盖压裂。针对中位坚硬顶板，采用井下定向长钻孔高压水力压裂技术，对回风顺槽两侧煤层上方40 m、平均厚度为8 m的直罗组中段粗砂岩层实施压裂。针对低位坚硬顶板，采用深孔预裂爆破技术，将煤层上方30 m范围的岩层进行弱化，钻孔深度47 m, 装药量91 kg/孔，每组布置3个钻孔，组间距为10 m。对煤层采用大直径钻孔和煤体爆破等方法进行卸压，降低煤体中的静载荷。

4、覆岩弱化规律分析

4.1 微震监测情况分析

孟村煤矿应用了ARAMIS M/E井上、下立体联合微震监测系统，微震事件平面和垂直定位误差均能够控制在20 m以内。因此，采用微震监测分析压裂后覆岩运动规律，由于能量大于5 000 J的微震事件定位精度更高，主要分析5 000 J以上能量微震事件，图5为401102工作面自初采至2022年12月的大能量微震事件分布图。由图5可知，高能微震事件频发开始于401102工作面回采至地面水力压裂盲区，且主要分布于工作面回风顺槽侧，这表明水力压裂盲区覆岩完整性较高，上覆坚硬顶板向工作面煤柱传递较多的载荷，导致了微震能量的大量释放，且在地面压裂盲区高能微震事件有明显的向上发展趋势，距离煤层50～80 m, 表明未充分致裂的高位厚硬砂岩层在工作面采动影响下发生了高能破断，形成的高能动载极容易诱发工作面内高静载煤岩体失稳破坏，从而造成冲击。在地面压裂弱化区域，微震事件以高频率、小能量的方式释放，仅偶尔有事件发生于高位覆岩，这表明压裂弱化区域内，坚硬覆岩得到充分弱化，从源头上切断了上覆岩层悬顶传递载荷的路径，降低了冲击危险性。

4.2 工作面上方地表沉降分析

采用无人机倾斜摄影技术，每月进行一次地表沉降测量，测量数据可反映工作面上方地表的沉降特征。根据测量数据，401102工作面回采约350 m地表开始有沉降现象，说明采空区上方高位关键层出现破断与弯曲下沉。根据2022年12月份的地表沉降测量数据(图6),可知工作面上方地表沉降区域为距离开切眼约200 m开始至距离开切眼约1 400 m处为止，距离工作面回采位置约100 m。工作面中部压裂盲区作为上方岩层的承载体受到弯拉作用，应力集中程度较高，下沉量较大。

图4 井上下立体协同卸压示意  

图5 401102工作面大能量微震事件分布图  

图6 401102工作面上方地表沉陷等值线(2022年12月)   

4.3 采场覆岩结构运动演化分析

401102工作面在地面分段水力压裂弱化区域下方回采时的覆岩结构如图7所示。由于水力割缝的存在，位于安定组下方复合砂岩层呈现出按照割缝布局的周期性破断运动，大大降低了其长距离悬顶的可能性，在一定程度上阻断了上方覆岩对于工作面煤体的应力传递，降低了工作面煤体压力，使工作面冲击危险性得到了一定程度的降低。同时，由于水力割缝措施提前释放了硬厚复合砂岩层内部的弹性能，发生在该层位的高能微震事件数量与频率得到有效降低，减弱了因中高位岩层破断产生的高能微震事件诱发工作面冲击显现的可能性。在地面分段水力压裂区域下方回采时，高能微震事件主要来自于与煤层距离较近的厚硬复合砂岩直接顶的破断及煤层内部的煤体破坏。结合地表沉降分布结果可知，当401102工作面处于地面分段水力压裂区域时，工作面上方的地表沉降十分及时，表明了中高位复合砂岩层长距离悬顶的消失使其上方各岩层进行了充分的断裂与运动。

图7 回采期间走向覆岩破断与地表沉降示意   

图8为401102工作面在地面水力压裂弱化区下方回采期间的倾向覆岩破断与地表沉降示意。由于水力割缝扇面的存在，安定组下方的硬厚复合砂岩层已基本破碎，已基本丧失承载能力，致使其上方覆岩压力转移至采场深处，在一定程度上降低了401102工作面煤岩体的整体压力，煤体应力集中现象在一定程度上得到了缓解。对中高位复合砂岩层顶板进行水力压裂过后，采场中发生的高能微震事件将会有明显降低，且大都位于距离煤层较近的复合砂岩基本顶以及煤层内部，冲击动载与工作面冲击危险性在一定程度上得到了降低。

图8 回采期间倾向覆岩破断与地表沉降示意  

401102工作面中部存在一处地面分段水力压裂盲区，推采该区域时其覆岩结构如图9所示。由于地面分段水力压裂目标层位为安定组下方硬厚复合砂岩层，致裂盲区的存在将使其出现较长悬顶，压裂目标层上方岩层将以水力压裂盲区为通道对工作面煤体进一步施加载荷，造成工作面煤体整体的应力集中程度显著增高，冲击危险性快速增加，为401102工作面回采至该阶段的主要冲击静载力源。地面分段水力压裂盲区具有厚硬和长悬顶两大特点，随着工作面推采逐渐远离致裂盲区，其完整复合砂岩层终将破断，其诱发的高能矿震将对工作面两巷围岩产生强烈动载，与工作面或煤柱内的高临界静载荷叠加，极易超过煤岩体承载强度而发生冲击显现，这也是401102工作面在地面分段水力压裂盲区回采期间的高能微震事件与动力显现频发的根本原因。

图9 回采至地面水力压裂盲区期间走向覆岩 破断与地表沉降示意   

图10为401102工作面回采至地面水力压裂盲区期间倾向覆岩破断与地表沉降示意。

图10 回采至地面水力压裂盲区期间倾向 覆岩破断与地表沉降示意   

由图10可知，由于存在较为完整的安定组下方硬厚复合砂岩层，工作面的回采将使该岩层在工作面两侧煤柱上方形成一定程度的悬顶，造成工作面侧向支承压力显著增加，使两巷煤柱侧应力集中程度进一步增高，具备了发生冲击地压的高静载条件。同时，地面水力致裂盲区由于其硬厚复合砂岩层弹性能没有得到提前释放，导致工作面开采至下方时会诱发岩层的突然断裂与运动，形成高能微震事件并释放巨大的微震能量，并以震动波的形式对两巷围岩施加动载，在高静载的夹持下就有可能发生动力显现，造成冲击破坏。

5、结论

(1)强冲击特厚煤层上方存在多层厚度大、强度高、不易垮落的砂岩顶板。随着工作面回采，覆岩破断范围增大，形成“⨂”结构破断，且在煤柱上方形成对称的“双F”悬顶结构。

(2)为削弱上方坚硬覆岩运动对401102工作面扰动程度，降低工作面动静载荷积聚程度，实施井上、下立体协同卸压。地面压裂弱化区内周围煤岩体较为稳定，鲜有高能微震事件发生，释放了厚硬覆岩中积聚的部分弹性能，使安定组下方复合砂岩层破碎且基本丧失承载能力，呈现出按照割缝布局的周期性破断运动，大大降低了其长距离悬顶的可能性，在一定程度上阻断了上方覆岩对于工作面煤体的应力传递，减少了工作面煤体压力，起到了降震减灾作用，降低了冲击危险性。

(3)地面压裂盲区频繁发生高能微震事件，煤岩体处于极不稳定状态，由于压裂盲区内坚硬覆岩未得到弱化，导致顶板保持了一定的完整性，形成悬顶结构，向煤体传递动、静载荷，冲击危险性升高。

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文章来源:邓辉.强冲击特厚煤层地面压裂覆岩运动规律[J].陕西煤炭,2024,43(06):5-10.