冲击矿压呈现快速增强的趋势，已成为煤矿开采面临的一大灾害[1]。我国急倾斜煤层开采的矿井有100多处，遍布20多个矿区，占国内煤炭总储量的15%～20%[2]。急倾斜特厚煤层水平分段综放开采是急倾斜特厚煤层实现高效开采的主要途径，在我国应用较为广泛。该类条件工作面开采过程中出现了多起冲击矿压灾害显现，对安全开采构成了较大威胁。如:华亭煤矿采用水平分段综采放顶煤开采急倾斜煤层时，出现了强烈震动，回采巷道顶底板及两帮瞬间鼓起，支护系统失效，回采巷道大型设备列车掀翻，造成人员伤亡等冲击矿压现象[3]。从2011 年开始，乌东煤矿发生了多次冲击矿压灾害现象，给矿井生产造成了严重的影响[4]。
急倾斜特厚煤层由于倾角和煤层厚度大，矿压显现规律与一般煤层截然不同[5-7]，因此冲击矿压显现规律与防治也不相同。来兴平等[8]研究了乌东煤矿急倾斜煤层群开采冲击矿压发生机理，认为多煤层开采采动应力传导至层间煤岩柱，造成煤岩柱弯曲挤压煤层诱发冲击矿压显现;鞠文君等[9]研究了华亭煤矿多层急倾斜煤层同采冲击矿压发生的原因，认为采动叠加应力与覆岩悬臂梁结构失稳冲击载荷是诱发冲击矿压的力学原因。急倾斜特厚煤层开采矿压显现规律及冲击矿压防治研究已开始成为煤矿开采矿压防治研究的热点[10-12]。
以上文献表明，目前关于急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压研究的文献还较少。已有文献对特定矿井条件顶板或多煤层煤岩柱破断失稳诱发采动应力集中区冲击显现进行了分析研究，但对采动应力沿工作面非对称分布特征、覆岩失稳类型及过程还未深入涉及。笔者以窑街三矿急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压显现案例为研究对象，系统研究覆岩运动规律、工作面应力分布规律、围岩能量释放规律，揭示覆岩结构失稳诱发工作面冲击矿压显现的机理，为急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压防治提供理论依据。
1 工程背景
1.1 区域概况及开采方法
窑街三矿五采区开采2煤层。2煤层厚度平均70.5 m，倾角平均64°，属于急倾斜特厚煤层，采用水平分段综放开采。工作面采高2.8 m，放煤8.4 m，采放比1∶3，采煤机截深0.6 m，已采至第20分段。工作面平剖面如图1，2所示。5521-20工作面开切眼长77.2 m。工作面走向长度1 030 m。走向长度较大，为了便于准备，推进方向上分为3个系统。一、二系统之间为一系统集中巷，连接1400东运输大巷。工作面推进至一系统集中巷时，启用二系统集中巷，封闭一、二系统之间集中巷，工作面连续推进至二系统。工作面液压支架型号为ZF4800/17-31。
图1 工作面平剖面
Fig.1 Layout of working face
图2 冲击显现区域剖面
Fig.2 Vertical sectional drawing of rock burst occurring place
经测试，2煤单轴抗压强度13.1 MPa、冲击能量指数4.45、弹性能指数2.86、动态破坏时间1 901 ms，具有弱冲击倾向性。根据冲击矿压显现区域527钻孔，岩层顺序及属性见表1。由表1可知，2煤上方100 m范围内对矿压影响较大的单层较厚的顶板岩层为油页岩和细砂岩。顶底板岩层力学参数见表2，其中细砂岩和油页岩为顶板岩层、粉砂岩为底板岩层。由表2可知，油页岩顶板力学强度较细砂岩略大，为五采区冲击矿压的主控岩层。冲击倾向性鉴定结果表明2煤顶板和底板均具有弱冲击倾向性。
1.2 冲击矿压显现特征
五采区5521-20工作面在回采期间，多次出现“板炮”、“煤炮”，液压支架工作阻力超限等矿压显现。2016-03-24T01:50，5521-20工作面发生一起冲击矿压灾害，导致工作面靠近顶板侧至工作面中后部区域顶板下沉，共计38副综采支架被压垮，立柱折断，机尾10余架完好，显现较弱，工作面端头底臌1.5 m，中部煤壁处底板开裂100～150 mm，深度3 m以上，如图3所示。工作面两巷超前无明显破坏，仅有少量煤渣掉落。地震台记录震动震级达到2.4级，地面震感强烈。
表1 岩层属性
Table 1 Lithology parameters of strata
岩层名称厚度/m岩性描述黄土层22.6以黄褐色亚黏土为主粗砂岩18.2淡黄及粉红色,洪积粗砂层河砾石9.4花岗岩,片砾岩,变质岩为主砂质泥岩砂岩互层58.2灰绿色及紫红色,含石英砂岩,疏松,分选性差黏土岩砂岩互层16.2灰绿色,黏土岩遇水后有可塑性,中央有薄层粗砂岩粗砂岩2.3淡黄色,石英长石为主,含云母,较疏松,具有交错层理黏土岩砂岩互层25.4黏土岩具有可塑性,以石英为主,具有擦痕及滑面细砂岩10.2浅灰色,以石英为主,有交错层理油页岩43.9层理发育,含植物化石及煤线油页岩及砂岩互层14.8油页岩层理发育,砂岩以石英长石为主,较致密坚硬油页岩(3)3.3黑色,层理发育,含植物化石铝质泥岩9.8泥质胶结,下部夹薄层油页岩煤一层1.8亮煤为主,呈块状,易碎油页岩(4)6.7层理发育,含油较高,含较多煤屑细砂岩2.2石英为主,夹油页岩,含植物化石2煤54.8亮煤为主,易碎呈方块状,含黄铁矿晶片,中央含炭质泥岩、粉砂岩炭质泥岩1.0黑色,夹较多煤线及薄煤层粉砂岩1.4灰白色,底部变细砂岩,石英为主粗砂岩2.0灰白色,石英为主,下部夹砾岩
表2 顶底板岩层力学参数
Table 2 Mechanical parameters of strata
岩层密度/(g·cm-3)弹性模量/GPa单轴抗压强度/MPa抗拉强度/MPa细砂岩2.57.1024.51.7油页岩2.510.4036.64.8粉砂岩2.79.4041.44.3
此次冲击矿压显现特点:① 冲击破坏主要发生在工作面，超前两巷无明显破坏，与一般冲击矿压显现位置不同。② 冲击破坏同时表现为顶板下沉、支架立柱折断、底板开裂，冲击力源难以判别。
图3 冲击矿压显现照片
Fig.3 Photos of rock burst occurring place
2 顶底板夹持冲击型冲击矿压机理
2.1 急倾斜水平分段开采覆岩结构模型
冲击矿压一般与煤层上方的岩层运动有密切的关系[13-15]。由表1,2可知，五采区冲击矿压主要受厚度和强度较大的油页岩、油页岩及砂岩互层、细砂岩等影响。覆岩破断及其形成的空间结构失稳运动，对冲击矿压影响较大。由于工作面已开采至第20分段，工作面顶板沿倾斜方向已出现破断垮落，采区地表已出现明显下沉，同时煤层上方采空空间大，对工作面冲击矿压影响较大的近距离顶板岩层破断后容易运动进入采空区。因此，在研究顶板破断时可建立顶板岩层倾斜方向的悬臂梁模型进行分析，如图4所示。
图4 急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶板结构模型
Fig.4 Mechanical model of roof of steep and extremely thick coal seam using horizontal section top coal caving
当厚度为h的倾斜悬臂梁长度达到L时，悬臂梁横断面的上表面处出现最大拉应力σT，下表面处出现最大压应力σN。设断面剪应力为τ，单位长度上重力为G，煤层倾角为α，重力加速度为g，岩层密度为ρ，则当岩层与上位岩层离层破断时，有
G=Lhρg
(1)
根据力学平衡关系:
(2)
由几何关系:
(3)
由倾斜方向力学平衡:
(4)
又根据几何关系:
(5)
式(5)简化可得
(6)
由力偶平衡得
(7)
根据式(1)～(7)可解得
σN=σT+2Lρgsin α
(8)
(9)
h(σT+Lρgsin α)(σT-2Lρgsin α)=
3Lρg(σT+Lρgsin α)(Lcos α-hsin α)
(10)
对式(10)进行讨论:
(1)当σT=-Lρgsin α时，由式(8)得σN=Lρgsin α，此时岩体直立受压，α=90°。
(2)当σT≠-Lρgsin α时，即α<90°时，解得
(11)
由式(11)，当α=0°时，
为近水平煤层顶板周期来压公式，为式(11)的一个特例。
当0°<α<90°时,根据式(11)不同岩层厚度顶板倾向破断步距与煤层倾角的关系为非线性正相关关系。如图5所示，随着煤层倾角增大，倾向破断步距逐渐增加，当煤层倾角>50°后，倾向破断步距随着倾角增加而增大的幅度快速增大，尤其当倾角>60°以后，倾向破断步距出现陡增。
由式(11)、表2力学参数，当煤层倾角由0°增大至64°时，五采区2煤上方14.8 m油页岩及砂岩互层、43.9 m油页岩、10.2 m细砂岩的破断步距分别增大到1.68倍、1.82倍、1.75倍。
图5 来压步距与倾角的关系
Fig.5 Relationship between weighting interval and dip angle
2.2 急倾斜水平分段开采覆岩移动规律
顶板破断后，断块B可出现以下3种失稳运动类型:
(1)上一块体C已滑落失稳，断块B以断裂面下端为支点，在重力作用下，产生破断旋转并碰撞C断块后，倚靠在C断块上形成稳定位态，如图6(a)所示。破断旋转形成旋转冲击动载作用于工作面中部及靠近顶板侧冒矸或顶煤上。
图6 覆岩失稳运动类型
Fig.6 Movement types of overlying strata
(2)随着下分段工作面开采放煤，顶煤及采空区冒矸逐渐下沉，从而导致图6(a)中已经稳定的B断块悬空，当B断块右侧继续随着冒矸下移时，可导致B断块滑落，从而形成断块跌落冲击，如图6(b)所示，对工作面中部及靠近顶板侧煤体产生冲击动载。
(3)当破断岩层距离煤层较远，下位冒矸堆积较厚时，断块B倾倒倚靠在右侧断块或冒矸上，随着下分段开采，A块逐渐断裂。此时A,B块体形成铰接结构，随着下位煤体放出，该铰接结构也将逐步下沉。当A,B块体挤压点P靠近或越过A块体旋转支点M与B块体上位支点N的连线时，结构将瞬间失稳，A,B块体接触端将在挤压力作用下向下俯冲，形成冲击动载荷作用于工作面顶煤上方，如图6(c)所示。
如图7所示，依据表1，对高位岩层结构做适当简化后，采用UDEC数值模拟得到五采区2煤分段放顶煤开采覆岩的结构形态，验证了理论分析的顶板结构特征。
图7 倾向覆岩结构模拟结果
Fig.7 Numerical simulation result of structure of overlying strata in inclined direction
2.3 工作面应力分布规律
由于急倾斜特厚煤层水平分段开采顶底板与煤层的特殊夹持结构关系，导致工作面煤体从顶板侧至底板侧应力呈现非对称分布。
采用数值模拟得到倾向剖面剪切应力分布如图8所示。由图8可知，煤层在垂直于顶底板方向及煤层与底板交界面处受到强烈剪切应力作用。底板侧煤体虽然受到顶底板夹持，但在垂直于顶底板方向上处于采空区下，不能传递压力，属于开放夹持状态。在开放夹持作用下，底板侧煤体产生较大的剪切应力。在剪切应力作用下产生塑性破坏，导致该区域煤体松软，不易积聚弹性变形能，发生冲击矿压的可能性较小。垂直顶底板方向上形成的剪切应力带处于弹塑性交界区域，煤体处于极限强度状态，位于顶板侧煤体处于弹性变形积聚能量状态。
图8 最大剪切应力云图
Fig.8 Cloud picture of maximum shear stress
煤层该受力特征是顶底板悬顶向采空区弯曲形成的夹持作用导致的结果。如图9所示，由于顶底板弯曲夹持作用，工作面顶、底板侧沿倾斜方向形成非对称支承压力分布，即:煤层顶底板侧应力峰值区在倾斜方向上不对应。由于非对称支承压力作用，工作面中部至顶板侧处于顶底板侧支撑压力峰值区形成的剪切应力区。同时随着煤体分段采出，工作面底煤将产生一定塑性破坏区，在顶底板非对称夹持作用下，顶板侧塑性区较浅，底板侧塑性区较深，因此工作面中部至顶板侧煤体又处于煤体弹塑性交界区。该区域煤体处于破坏的临界状态，稳定性较差，冲击危险性较高。
图9 倾向受力分析
Fig.9 Stress analysis on the inclined section
2.4 能量转移释放规律
冲击矿压的发生与瞬间释放的强大能量有密切的关系[16-17]。因此，分析确定能量的来源与转移释放规律对于冲击矿压机理揭示与防治具有重要意义。根据文献[9]，急倾斜煤层倾向悬顶弯曲变形积聚的能量为
(12)
式中，W为顶板弯曲积聚的弹性变形能;q为顶板的载荷集度;α为煤层倾角;L为悬顶长度;EI为顶板岩层抗弯刚度。
结合式(11)，(12)分析，当煤层倾角由0°增大至64°时，2煤上方14.8 m油页岩及砂岩互层、43.9 m油页岩、10.2 m细砂岩倾向周期性破断释放的弹性变形能分别增大到2.58倍、3.79倍、3.19倍。随着煤层倾角的增大，顶板岩层沿倾斜方向的破断步距加大，顶板岩层由重力势能转化为弹性变形能成倍增加，岩层在破断过程中，单位时间内释放的能量增强，扰动更强烈。
2.5 冲击矿压显现机理
以上研究表明，由于顶底板向采空区产生旋转夹持作用，急倾斜特厚煤层水平分段综放工作面顶底板侧倾斜方向上形成非对称的支承压力分布。工作面靠近顶板一侧受到封闭夹持作用，煤体处于三向应力状态，破坏强度大，应力集中程度高，形成垂直于顶底板方向、近似水平的集中应力作用，积聚大量弹性变形能;工作面靠近底板侧煤体受到开放夹持作用，在垂直底板层面方向的运动趋势下，煤体形成平行于岩层倾斜方向的剪切应力作用，导致底板侧煤体破坏卸压。
由于急倾斜特厚煤层分段综放开采覆岩结构的特殊性，工作面上方覆岩形成拱形结构，在下位分段开采放煤过程中，可导致顶板破断旋转、断块跌落、挤压俯冲等3种失稳冲击类型，形成强烈冲击动载扰动，在此过程中通过动能的形式释放覆岩重力势能。当冲击动载叠加工作面底煤集中静载达到冲击临界载荷时[18-19]，将诱发顶底板夹持冲击型冲击矿压灾害。
由于急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶底板夹持作用下煤层集中应力主要分布在工作面中部至顶板侧煤体上，覆岩冲击动载也主要集中在该区域，因此冲击矿压主要在该区域显现。窑街三矿5521-20工作面“3·24”冲击矿压主要显现在工作面顶板侧至工作面中部，冲击显现特征表现出强烈的顶板冲击特征，顶板瞬间下沉，工作面支架冲击弯折，工作面底煤破坏开裂释放能量。此次冲击矿压显现位置、显现特征与理论研究结果吻合。
3 实测验证
3.1 工作面支架工作阻力监测分析验证
为了验证急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压发生的机理，5521-20工作面每5副液压支架抽取1架，在其前后立柱安装液压表监测液压支架载荷的变化规律。
图10为2016年6月至11月支架压力监测结果。图10显示在此期间支架平均压力仅为11～22 MPa，而最大压力达到20～60 MPa;动载系数达到1.74～3.25，远大于近水平煤层动载系数。由材料力学理论，非悬空状态物体跌落动载系数为2[18]，且近水平煤层开采工作面动载系数一般小于2，处于1.3～1.6，一般1.4左右[19-20]，这说明急倾斜特厚煤层水平分段综放开采覆岩形成了悬空式结构失稳，形成了较强烈动载。从动载系数相对大小分析，工作面顶板侧至中部动载系数整体>2，最大值达到3.2，而工作面尾部靠近底板侧整体<2。整体上工作面中部至顶板侧的动载系数大于底板侧，说明覆岩结构失稳主要影响工作面顶板侧至中部，与理论分析结果一致，验证了理论分析的正确性。
图10 工作面液压支架压力监测结果
Fig.10 Pressure monitoring results of hydraulic support
3.2 微震监测分析验证
图11为55211-20工作面2016年12月采用SOS微震监测系统监测的矿震沿倾斜剖面的分布图。在此期间工作面矿压平稳，未出现冲击危险。
图11 工作面倾向矿震分布
Fig.11 Seismicities distribution around working face in inclined direction
由图11可知，正常开采阶段由于顶底板的夹持作用，顶板弯曲破断，矿震主要出现在顶板侧岩层断裂线附近，说明顶板弯曲弹性能主要在顶板的断裂区释放;工作面上方，由于结构失稳出现大量矿震活动;工作面底板侧受底板向上夹持弯曲，该区域处于开放夹持状态，煤岩容易破坏释放能量，出现了大量矿震活动，煤岩弹性能量逐渐释放，不易积聚;工作面中部至靠近顶板侧底煤处于封闭夹持状态，煤岩不易破坏，容易积聚能量，矿震活动较少。微震监测从矿震活动的侧面，印证了急倾斜特厚煤层水平分段开采煤岩应力分布及覆岩运动规律。
4 结 论
(1)急倾斜特厚煤层水平分段综放开采，顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系，当倾角>60°时，破断步距出现陡增，对工作矿压显现产生较大影响。
(2)急倾斜特厚煤层水平分段综放开采，覆岩下位坚硬岩层沿倾向形成平衡结构，随着下分段开采和放煤，平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、挤压俯冲等3种类型的失稳冲击过程，对工作面形成动态冲击。
(3)急倾斜特厚煤层水平分段综放开采，顶底板夹持作用下，形成非对称倾向支承压力分布。工作面靠近顶板侧封闭夹持，煤体处于三向应力状态，应力集中程度高，积聚大量弹性变形能;靠底板侧煤体处于开放夹持状态，煤体易破坏卸压，释放弹性变形能。
(4)急倾斜特厚煤层水平分段综放开采，覆岩破断步距大，相较于近水平煤层顶板破裂瞬间释放弹性变形能成倍增加，且采空区覆岩结构失稳释放的重力势能成倍增加，增大了冲击危险性。
(5)急倾斜特厚煤层水平分段综放开采，冲击矿压是由覆岩结构在下位分段开采放煤过程中，导致的结构破断旋转、跌落、挤压俯冲等冲击动载与工作面底煤集中静载叠加达到冲击临界载荷时诱发的夹持冲击型动力灾害。
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