0 引 言
目前，我国矿井逐渐进入深部开采，煤矿冲击地压发生频率、强度及区域都在逐年增加，造成的人员伤亡与经济损失也日益严重[1]，坚硬顶板作为诱发冲击地压发生的一种典型地质条件，由于顶板坚硬不能及时垮落，大面积悬顶导致应力和能量积聚而引起冲击地压的发生，具有发生频次高、突发而剧烈，破坏范围广等特点，给矿井安全生产带来严重威胁[2-4]。潘一山等[5]将冲击地压分为煤体压缩型、顶板断裂型和断层错动型等三种基本类型，并分别对其发生机理进行了研究；李新元等[6]首次从能量的角度，推导了弹性基础梁的能量分布计算公式，并提出产生冲击地压的震源来自坚硬顶板断裂后发生压缩、反弹的空间区域；吕进国等[7]对冲击现象的发生规律及监测数据进行了归纳分析，发现大面积坚硬顶板被断层切割后产生运动，为冲击地压的发生提供了动载条件；李新华等[8]分析了回采工作面冲击地压的能量来源和致灾机理，得出坚硬直接顶的周期破断引起的动载增大了工作面冲击地压危险的结论。因此，坚硬顶板条件下冲击地压预测预报及防治技术亟需进行深入研究。
近年来，国内外学者在冲击地压预测预报理论和方法手段的研究方面取得了丰硕成果，文献[9-12]分析了声发射系统在现场坚硬顶板条件下的监测试验结果，探讨了覆岩顶板破断过程中声发射特征，并提出了用声发射预报来压的可行性及方法；文献[13-14]介绍了微地震监测技术在监测煤矿冲击地压等灾害中的应用方法，现场实际应用表明，微地震监测技术对冲击地压能够起到较好的预测效果；文献[15-17]提出应用电磁辐射技术可以非接触监测煤岩体的受载及变形强度和变形及微破裂频次，从而对煤岩体的稳定性做出评价；文献[18-19]基于微震、电磁辐射及声发射等实时监测数据为基础，建立了冲击地压多指标监测与评价系统，取得较好效果。
华丰煤矿1411工作面顶板岩层中粉细砂岩单轴抗压强度69.5 MPa，抗拉强度3.8 MPa，属于典型坚硬顶板，笔者结合华丰煤矿坚硬顶板条件，在分析坚硬顶板型冲击地压发生机理基础上，根据工作面煤体监测结果确定了冲击地压解危措施，可为相似工程条件下冲击地压预测预报及防治提供参考。
1 坚硬顶板型冲击地压发生机理
由于坚硬顶板具有强度大、完整性好、节理裂隙不发育等特点，易于悬顶，不仅会造成采空区周边煤体形成应力集中，而且还会造成坚硬内存储大量弯曲应变能，具体如图1所示。
图1 坚硬顶板初次断裂前岩层结构及载荷分布[20]
Fig.1 Surrounding rock configuration and stress distribution before the initial fracturing of hard roof
根据坚硬顶板岩梁断裂释放弯曲应变能计算公式[21]，可得到坚硬顶板断裂后的冲击能量ΔU为
(1)
式中：x*为坚硬顶板在煤壁前方断裂位置坐标；x′为顶板初次断裂前、后的弯曲应变能密度分布曲线交点处的坐标；dU1(x)/dx为煤壁前方岩梁的弯曲应变能能量密度的分布函数；dU2(x)/dx为岩梁初次断裂之后x*位置左侧能量密度的分布函数。
据此，图2给出了坚硬顶板断裂能量释放机制示意图。
图2 坚硬顶板断裂后能量释放机制示意
Fig.2 Sketch of energy release mechanism after the initial fracturing of hard roof
在工作面前方煤体[x′，0]区段内，弹性释放能量的范围为坚硬顶板在x*处断裂后发生压缩、反弹的空间区域，是产生震动的能量来源。顶板初次断裂前后的顶板弯曲应变能量密度分布曲线之间的面积即为顶板断裂时释放的能量；工作面煤壁到顶板初次断裂前、后的弯曲应变能密度分布曲线交点x′之间为震源区域。
坚硬岩层悬露面积越大，积聚的能量越多，一旦坚硬顶板发生断裂失稳破坏，瞬间将释放巨大弹性势能和重力势能，并输入到煤岩系统中，超过煤体破坏、运动做功所需能量时，煤体发生破坏、扩容现象，产生向外的驱动运动，就会形成冲击地压。
假设变形系统在失稳过程中释放能量为ΔE，煤岩发生动态破裂、滑移等损耗能量为ΔG，系统势能二次变分为δ2U，煤体侧向驱动力为Fxt、移动阻力为Fzt，坚硬顶板最大拉应力为σ、抗拉强度为Rt，则可给出坚硬顶板型冲击地压发生的判别准则：
-ΔE-ΔG>0
(2)
δ2U≤0
(3)
Fxt-Fzt>0
(4)
σ/Rt>1
(5)
式(2)—式(4)为冲击地压发生的充分条件。其中，式(2)为不考虑外力做功时，“围岩-煤体”系统动力失稳的判别准则；式(3)为“围岩-煤体”系统非稳定判别准则；式(4)为煤体破坏、移动判别准则；式(5)为坚硬顶板断裂失稳准则。
通过分析可知，坚硬顶板型冲击地压以能量及应力集中判据为主，其冲击地压前兆信息主要有两个特点：①坚硬岩层的下沉移动导致大量微破裂产生，能量释放增大；②应力从静态到动态的突变。根据其前兆信息特点，可采用应力在线法、声发射法、微震法、钻屑法等多种手段进行多参数监测预警。
2 坚硬顶板型冲击地压监测分析
对于坚硬顶板型冲击地压，坚硬顶板在采空区大面积悬露积聚了大量的弹性变形能，其稳定性受拉应力控制。坚硬冲击地压的本质也是重力冲击地压，由于顶板的特殊条件，使冲击地压发生的临界深度相对较小。基于以上分析，可根据能量及应力等监测参量判别坚硬顶板型冲击地压的发生。以华丰煤矿1411工作面为工程背景，采用声发射和应力在线系统对工作面煤体进行实时监测。
2.1 工程地质概况
华丰煤矿1411工作面长度137.7 m，推进长度2 160 m，煤层平均厚度为6.2 m，平均倾角为32°，普氏系数f为1.5～2.5。4号煤层基本顶岩层由下至上为3.8 m中砂岩、4.5 m细砂岩、4.8 m中砂岩、9.5 m细砂岩、0.39 m粉砂岩、1.17 m煤层和1.34 m粉砂岩，总厚度为25.5 m。顶板岩层中粉细砂岩单轴抗压强度69.5 MPa，抗拉强度3.8 MPa，可见1411工作面基本顶岩层厚度较大且坚硬。随着工作面回采，容易造成大量弹性能在顶板中积聚，此时如果顶板发生断裂或滑移，大量的弹性能突然被释放，容易导致顶板型冲击地压的发生。工作面巷道布置及由S型覆岩空间结构引起矿震的高位厚硬岩层状态如图3所示。
图3 S型空间高位厚硬岩层状态
Fig.3 S type space of high hard rock formation
2.2 监测方案
为了确定坚硬顶板工作面回采过程中动压显现及冲击地压危险区域并掌握其动态发展情况，华丰煤矿采用声发射监测系统和应力在线系统对工作面煤体进行实时监测。
1)声发射监测。声发射能量和事件数可判断监测区域的煤岩体受力状态和破坏程度，采用KJ623声发射监测系统对1411工作面煤壁240 m范围内的声发射信号进行监测。该系统采用GDD矿用本安型声发射传感器，探头灵敏度为(65±3)dB，能够采集煤岩体内频率为300～2 000 Hz的声发射事件，采样频率10 kHz，每次采集时间30 ms。将声发射专用锚杆打入煤柱两侧煤壁，起始位置距工作面40～100 m，各探头直接间距50 m左右，锚杆埋入煤体1～2 m，锚杆露出煤体15 cm左右，将声发射传感器安装在锚杆上。确定井下主要噪声设备，将设备开停传感器安装在设备供电电缆上。系统采用总线型结构，监测分站通过RS485总线连接各声发射传感器通道以及设备开停传感器。为施工方便，工作面2条巷道各安装1个声发射监测分站，将每个监测分站设置不同的分站编号。同一工作面的各个监测分站通过RS485总线把通信数据上传至接入网关，接入网关通过电口或者光口上传至交换机。
声发射活动能够直接反映煤岩材料的损伤程度，声发射事件的峰值能量与煤层冲击倾向性呈正相关关系，冲击地压发生前，声发射事件的峰值能量曲线一般出现急剧上升现象，在能量急剧增加过程中爆发冲击地压，且根据相关研究，能量指标相比其他指标更能反映岩体结构的稳定性，因此采用能量指标进行冲击地压预警。根据现场监测数据分析确定能量指标黄色预警阈值为6×105 J，红色预警阈值为3×106 J。
2)应力在线监测。应用冲击地压应力在线监测系统对工作面的应力变化情况进行实时监测。监测系统测点从距离工作面30 m处开始布置测点，每组测点安设深度分别为8、14 m两个应力计，组间距25 m。随着工作面的回采将测点逐渐后移，始终保持工作面前方250 m左右的监测距离。
应力在线监测系统主要是揭示覆岩运动、支承压力与钻孔围岩应力之间的内在关系，其监测的参数是煤体中垂直应力，采用“单点预警”方法进行冲击危险性的预警，指监测区域内应力监测点的应力值到达设定预警值时进行预警。根据1411工作面矿压规律，初步确定应力监测预警阀值，具体见表1。
表1 应力预警阈值
Table 1 Stress warning value setting
2.3 监测数据分析
工作面回风巷声发射监测结果如图4所示。从2017年4月16日开始，2～3号声发射探头所监测的能量值呈现逐渐上升趋势，与此同时该探头相应的频次值反而出现下降趋势，表明声发射2～3号探头所监测的范围内具有一定的危险性。这是由于该区域坚硬顶板在采空区悬露较大长度，导致该区域的能量值异常且频次值波动明显，需要对该区域采取一定卸压措施并加强支护，防止动力破坏现象发生。
工作面应力监测结果如图5所示，随着工作面回采，超前支承压力也随之向前转移，且在工作面回采过程中，传感器所监测的数据发生周期性变化，这是由于对工作面附近应力集中区域采取卸压措施所造成的。从2017年4月16日开始，由于坚硬顶板悬空长度较大，煤体中应力持续升高形成应力集中，煤体中积聚大量弹性能，应力增长持续时间达3 d，而采取强制放顶措施后该区域应力值显著减小。
图4 工作面超前10～30 m声发射信号变化规律
Fig.4 Change law of AE signal ahead 10～30 m of longwall face
图5 工作面应力变化规律
Fig.5 Stress change law of mining face
由上述监测结果可知，监测得到的声发射能量变化规律与应力在线监测系统所得结果基本相同，即冲击地压发生前由于坚硬顶板悬空长度大，煤体内部集中应力持续升高并积聚大量弹性能，煤体内积聚弹性能如果不能通过有效途径得以安全释放，将会导致冲击地压的发生。因此，采用声发射监测配合应力在线监测技术，可得到坚硬顶板工作面回采过程中煤体应力及能量动态发展情况，对坚硬顶板型冲击地压危险进行及时预警。
3 坚硬顶板型冲击地压解危应用
通过声发射及应力在线的监测结果表明，在1411工作面回采过程中，煤体受到周期性高应力的影响，顶板断裂期间，煤体内产生明显的高应力集中，此时具有较大冲击危险性，结合现场施工条件，确定采用大直径钻孔和深孔断顶爆破进行卸压解危。
3.1 卸压解危方案
大直径钻孔卸压方案：从距离工作面煤壁10 m开始，在工作面巷道内，布置间距3 m、孔深大于17 m、直径大于110 mm的大直径钻孔卸压。钻孔距煤层底板2.3 m，工作面巷道内钻孔垂直于巷帮沿煤层倾角方向布置。采用CMQS1-400/5.2S煤矿用气动深孔钻车进行钻孔作业，钻杆选用直径76 mm高效螺旋钴杆，钻头选用直径113 mm平顶烧结钻头。
深孔断顶爆破方案：自工作面最后一次来压位置起，每隔30 m在2条巷道内布置1组断顶钻孔，2条巷道各布置5个爆破孔，垂直孔深30 m，布置如图6所示。采用ZLJ-650型钻机、ø75 mm钻头进行钻孔作业。炸药选用矿用水胶炸药(其中每个药卷长度为400 mm，质量300 g)。每孔装药数量为50卷、15 kg，孔内装药长度为10 m，孔内均匀布置18个并联的雷管，孔外串联连线，正向装药，装药装在孔底。每孔炸药由18发毫秒延时电雷管引爆，未装药段用速凝水泥封堵不少于10 m。将药卷装入ø50 mm塑料管内部上端，规格ø50 mm×11 000 mm，18个毫秒延时电雷管，正向定炮，雷管间距1 200 mm。管子下端用速凝水泥充填。管子送入炮眼内后，用速凝水泥封堵不少于10 m。爆破方式采用群孔爆破，一次起爆4个钻孔。
图6 断顶钻孔布置
Fig.6 Layout drawing of hard roof cutting
3.2 卸压效果监测
1)钻屑法。1411工作面开始回采之前，在轨道巷进行了钻屑法试验，共获得12组钻粉量数据，对12组数据平均后得出无冲击危险时每米正常煤粉量，具体结果如图7所示，无冲击危险时每米正常煤粉量为2.26 kg/m。
图7 正常煤粉量
Fig.7 Normal amount of drilling powder
工作面钻屑法临界指标采用式(6)进行计算：
G1=GKα
(6)
式中：G1为临界煤粉量；G为标准煤粉量，取2.26 kg/m；K为钻粉率指数，根据规定取1.5；α为修正系数。
考虑华丰煤矿现场工作条件、工人钻屑时因钻孔习惯对钻粉量的损失及1411工作面生产条件，α取1.1，可得到钻屑法临界煤粉量为3.73 kg/m，即钻屑量指标取3.68 kg/m。采用钻屑法进行冲击危险区域识别时，若得到的钻粉量大于该值时，说明钻孔附近有冲击危险性。
采用钻屑法对卸压前后支承压力分布情况进行了监测，工作面煤壁前方30 m处监测结果如图8所示。从图中可以看出，卸压前，工作面煤壁前方30 m处，钻粉量最大约为4 kg/m，具有一定冲击危险；采用钻孔卸压后，该处的钻粉量明显降低，钻粉量最大约为3 kg/m，无冲击危险，说明该处应力集中得到有效缓解。
图8 工作面卸压前后钻粉量对比
Fig.8 Comparison of the amount of drilling powder before and after pressure relief
2)应力监测。由于工作面超前250 m范围内始终布置应力在线监测点，在工作面施工卸压钻孔后，为了进一步确认高集中应力是否被解除，采用钻孔应力在线监测系统对卸压前后工作面超前支承压力进行了实时监测，具体结果如图9所示。
图9 工作面卸压前后支承压力对比
Fig.9 Comparison of the abutment pressure before and after pressure relief
从图9中可以看出，卸压前，工作面超前支承压力峰值约为20.6 MPa，位于工作面前方30～35 m，最大应力集中系数约为2.03；采取爆破断顶措施后，超前支承压力峰值下降为18.1 MPa，位于工作面前方41～46 m，最大应力集中系数约为1.72，有效降低了工作面超前支承压力，且卸压后的支承压力峰值位置较卸压前深入煤体更远。与此同时，声发射及应力在线的监测结果也表明，采取卸压措施后，声发射事件的峰值能量一直稳定在较低水平，与应力监测结果基本吻合，说明大直径钻孔和深孔断顶爆破防冲措施有效降低了工作面冲击危险性。
4 结 论
1)坚硬顶板型冲击地压以能量及应力判据为主；能量增大和应力突变是该类冲击地压前兆信息的两个主要特点，可根据能量及应力等监测参量，来判别坚硬顶板型冲击地压的发生。
2)冲击地压发生前由于坚硬顶板悬空长度大，导致煤体内部集中应力持续升高并积聚大量弹性能，与现场应力及能量监测结果吻合；煤体内积聚的大量弹性若不能通过有效途径得以安全释放，将会导致冲击地压的发生。
3)声发射和应力监测手段可及时得到坚硬顶板工作面回采过程中煤体应力及能量动态发展情况，对冲击危险进行预警；设计采用大直径钻孔和深孔断顶爆破进行卸压解危后，最大钻粉量由4 kg/m降低为3 kg/m，应力集中系数由2.03降低为1.72，且支承压力峰值向深部转移，煤体应力集中得到有效改善，卸压效果较好。
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