张翔：深厚表土综放采场应力加载型冲击地压机理| “冲击地压与岩石动力学”专题

近年来，煤矿冲击地压发生的频次和强度呈现爆发增长态势，冲击地压成为我国煤矿深部开采面临的主要动力灾害之一。巨野煤田面临的冲击地压威胁尤为严峻，2015年以来先后发生“2015·7·29”、“2016·8·15”、“2018·10·20”、“2020·02·22”共4次冲击地压事故，该矿区已成为我国最严重的冲击地压矿区之一。

巨野煤田是典型的深厚表土矿区，具有表土层厚(400～800 m)，煤层赋存深(500～1 200 m)，采场上覆基岩与表土层厚度比小(0.1～0.5)、均采用综采放顶煤工艺等特点，我国学者针对深厚表土综放采场的顶板结构、矿压规律等方面进行了大量研究，如刘金海等认为厚表土层的加载是深厚表土层矿区冲击地压严重的重要原因之一；王乃国等发现深厚表土薄基岩综放采场岩层运动、地表沉陷与冲击地压存在明显的联动效应；朱斯陶等认为深厚表土薄基岩综放工作面支架支护阻力设计需要考虑厚表土层缓慢变形产生的附加载荷；李福胜等认为基载比0.9为厚表土薄基岩工作面是否发生沿煤壁台阶下沉现象的界限；方新秋等认为具有较大承载力的厚黏土层能够与薄基岩组合形成稳定的结构，降低稳定结构所需的最小基岩厚度；杜峰等认为薄基岩综放采场具有初次来压和周期来压步距小、动载系数小的特征；郭信山等认为深厚表土综放工作面支架需控岩层范围大、支架载荷具有显著的时间效应；黄庆享等认为厚沙土层下采场载荷层厚度大于关键块长度的2.5倍时，关键块上载荷的大小只与载荷层的性质和关键块的长度有关。

应力加载型冲击地压是巨野煤田特有的冲击地压类型，其显现特征与地层结构具有密切的关联性，应力加载型冲击地压是指承载基岩破断后，巨厚表土层运动成拱并通过土拱结构将自重传递至煤层中，导致煤壁前方大范围煤层应力大幅度持续升高并诱发冲击事故。然而，目前关于应力加载型冲击地压的机理研究尚属空白，围绕巨厚表土层运动成拱特征规律的相关领域也鲜有报道，导致煤矿现场面临此类型冲击地压时处于束手无策的状态，因此迫切需要针对应力加载型冲击地压的发生机理进行深入研究。

笔者以巨野煤田赵楼煤矿3304综放工作面大范围(超前100 m)长时间(持续38 d)冲击预警为工程背景，采用现场实测、相似材料试验、理论分析、数值模拟等方法，提出了基岩初次断裂时深厚表土综放采场的覆岩空间结构，揭示了深厚表土综放采场应力加载型冲击地压发生机制，以期为相似条件下的冲击地压防治提供理论参考和实践经验。

应力加载型冲击地压是深厚表土综放采场特有的冲击地压类型，其发生机理尚不清晰，导致煤矿面临此类型冲击地压时无法有效防治甚至发生严重事故。以山东巨野煤田赵楼煤矿3304(超前100 m)长时间(持续38 d)冲击预警为工程背景，采用相似材料试验、理论分析、数值模拟、现场实测等方法，研究了深厚表土综放采场应力加载型冲击地压的发生机理，得出了以下结论：

由模拟试验和理论分析提出了深厚表土综放采场的覆岩空间运动特征，基于承载基岩初次破断时厚表土的成拱性和延时加载性，推导了厚表土垮落拱和压力拱的轮廓表达式，建立了深厚表土综放采场走向覆岩传递应力估算模型。揭示了深厚表土综放采场应力加载型冲击地压机理：当承载基岩达到悬露极限发生断裂回转时，厚表土层运动下沉形成土压力拱结构，其上覆巨厚表土层自重通过拱脚传递至煤层中，导致煤壁前方大范围煤层应力在短时间内大幅度持续升高，容易诱发应力加载型冲击地压。数值模拟结果表明深厚表土综放采场承载基岩断裂后，厚表土呈现由下至上渐进式破碎、垮落的运动特征，采场以岩、土接触面为界形成2个压力拱，表土压力拱传递的表土自重导致煤壁前方大范围煤层应力高度集中。现场实测表明应力加载效应发生后采场动载释放水平较低且呈现固定位置的微震集中带，土压力拱的形成将限制表土层快速下沉，工作面位于土压力拱的支点区域进行回采工作，当工作面推过该支点加载区域后，土压力拱破坏导致采场地表整体大幅度下沉。设计并实施了深厚表土综放采场应力加载型冲击地压的防治方案，包括井下地面联合监测预警、围岩高强度钻孔弱化、显现区域支护体系补强、“监测−卸压”临界推速控制。