急倾斜复杂难采煤层安全开采技术依然是世界性难题。急倾斜煤层属于复杂难采煤层之一，其探明储量约占世界同类煤层30%，新疆煤炭的预测储量（18180亿t）约占我国总预测储量（55600亿t）30%。2013年至今，近直立特厚煤层开采过程频繁发生冲击地压，对煤炭资源安全高效开采造成严重影响。冲击地压是很多学者研究的重要课题，作为影响矿井安全生产的煤岩动力灾害之一，已引起了新疆各集团公司和地区安全监管的关注。但由于近直立特厚煤层冲击地压灾害发生较晚，国内外煤层动力灾害防治主要针对水平、近水平和缓倾斜煤层开展研究，对急倾斜厚煤层动力灾害理论的研究还不深入，学者更多关注在地表及岩层移动、采动应力等常规矿压显现规律，对近直立特厚煤层冲击地压机理及防治、近直立特厚煤层动力灾害发生机理、监测预警技术、综合防治技术的研究还有待深入。
1 工程背景
1.1 矿井概况
乌东煤矿井田处于准南煤田东南段，位于八道湾向斜南、北两翼，其中南区和西区位于八道湾向斜南翼，北区位于八道湾向斜北翼，含煤地层为侏罗系中统西山窑组，如图1所示。井田面积约19.94km2，地质资源量12.8亿t，设计可采储量6.61亿t，乌东煤矿南区为一单斜构造，煤岩层走向自西向东N58～60°，倾向西北，倾角平均87°。井田含煤地层为西山窑组，含煤32层，编号B1～B32，现主采B1+2和B3+6组合煤层，均具有弱冲击倾向性，其中B1+2煤层平均厚度37.45m，B3+6煤层平均厚度48.87m，属近直立特厚煤层。最大水平应力最大为14.31MPa，最小水平主应力最大为8.05MPa，以近南北方向水平应力为主，最大水平主应力方向与回采巷道轴线方向夹角大于70°。B1+2和B3+6煤层直接顶为粉砂岩及灰质泥岩，直接底为粉砂岩，该煤层顶板岩石应属II类，具有弱冲击倾向性
图1 乌东煤矿煤层赋存立面示意图
1.2 冲击地压发生情况
2014年3月24日5点12分，在B3+6煤层工作面B3巷道一起动力灾害事故，冲击造成B3巷1120～1150m区域底臌变形，主要集中在B3巷南帮侧，平均底臌量为400mm；1120～1150m区域内有5副U型钢支架受到不同程度的变形，其中3副支架钢箍崩断；冲击伴随巨大声响，现场破坏情况如图2所示。
2 近直立特厚煤层中间层岩柱致灾因素分析
2.1 近直立特厚煤层中间层岩柱失稳过程分析
监测采用武汉GD3Q-G型煤矿专用数字孔内电视，该设备采用了一种特殊的反射棱镜成像的CCD光学耦合器件将钻孔孔壁图像以360°全方位连续显现出来，利用计算机来控制图像的采集和图像的处理，实现模-数之间的转换，自动地对孔壁图像进行采集、展开、拼接、记录并保存。
监测区域位于500水平B3+6工作面超前150m处岩柱。从图3（a）可以看出，由于该区域应力比较集中且矿压显现明显，导致该区域岩柱内部出现了严重的破坏，破坏范围为0.5m，破坏深度为2.1～2.9m。图3（c）～（d）中可以明显看到岩柱产生了多条裂缝，最大裂隙宽度达到2cm。在动压的影响下，巷道围岩内的应力平衡状态再次遭到破坏而产生局部应力集中，在局部，集中的应力作用下，围岩沿着其各个区域内的弱结构面发生破坏并产生新生裂隙。
为了研究近直立特厚煤层开采的采场围岩运移特征，以乌东煤矿南区地质和开采技术条件为依据，建立3DEC三维计算模型。模型的水平方向宽400m，竖直方向高380m，煤层倾角87°，岩层成层性好，与煤层近似平行，基岩上覆一层水平厚度约15m的表土层。岩体力学计算取值根据室内外岩石力学试验、实际监测数据的分析和相关文献进行确定。
如图4所示，数值模拟结果表明，围岩的破裂失稳是开采数分层的结果。随着开采深度的进一步加大，岩柱的弯曲程度进一步加大，部分顶板岩层已发生弯曲断裂，B2～B3岩柱的弯曲断裂将趋于严重，当顶底板岩层发生大面积断裂时，容易引起动力灾害。
2.2 近直立特厚煤层中间层岩柱致裂监测分析
微震是由地下开采活动诱发的，其震动能量为102～1010J；震动频率低，大约0～150Hz；影响范围从几百米到几百千米，甚至几千千米。相比大地地震，微震震中浅，强度低；震动频率高，影响范围小；而与地音相比，其为一种低频率、高能量的震动。矿井采用ARAMIS M/E微震监测系统对矿井围岩破坏过程进行监测。
矿井围岩中共发生微震事件1321次，其中，B2～B3岩柱发生微震事件743次、B6顶板产生微震事件306次、B1底板产生微震事件272次，B2～B3岩柱中的微震事件占围岩总微震事件的56%。B2～B3岩柱处于两煤层中间，同时受到两个工作面的采动影响，且两煤层上覆采空区充填不实使得B2～B3岩柱存在一定的自由度，致使B2～B3岩柱活动相对剧烈，微震事件发生较为频繁。
围岩破坏是开采一定程度、分层逐渐破坏的，围岩破坏失稳从裂隙出现、扩展、破坏失稳到最终稳定的过程，岩体沿原生和新生破裂面产生滑移、错动、剪胀变形，并释放出大量的变形能。岩体破裂的萌生、发展、贯通等失稳过程，并伴随有弹性波或应力波在周围岩体快速释放和传播的动力现象。围岩破坏失稳时伴随高能量微震事件产生，极易诱发冲击地压。
2.3 近直立特厚煤层围岩失稳致灾分析
“3.24”冲击地压发生时，微震监测系统监测到岩柱活动产生的事件，通过定位和能量计算，该事件发生在中间岩柱，走向距离B3+6工作面76m，走向距离B1+2工作面130m，倾向距离B3巷55m，倾向距离B2巷44m，能量为2×107J，如图6所示。
微震监测表明，岩柱在弯曲变形过程中积聚了大量弯曲变形能，随着工作面的开采，岩柱中产生裂隙、扩展过程主要释放低能量，当岩柱破坏发展到一定程度产生大的破裂甚至失稳过程，则产生高能量微震事件，从而释放岩柱所积聚的能量造成工作面冲击地压致灾。
3 近直立特厚煤层中间层岩柱防治措施及效果
3.1 中间层岩柱防治措施
为进一步降低中间层岩柱整体性，防止岩柱中形成应力集中现象，在岩柱中每隔300m布置1石门，在石门中布置1～2个爆破硐室进行爆破预裂，在每个硐室中布置2排钻孔，每排布置10个钻孔；在岩柱2侧沿岩柱倾向方向施工顶底板爆破孔，每隔10m施工1排顶底板爆破孔，每排布置2个钻孔。爆破钻孔均采用人工进行装药，马丽散封孔技术进行封孔，具体布置如图7所示。
4 结语
本文采用钻孔窥视、数据模拟、微震监测和现场冲击案例分析的方法，研究了围岩的裂隙扩展、岩层断裂以及围岩破坏过程的微震事件，进而揭示围岩破坏失稳过程诱发冲击地压，得到主要结论如下：
（1）钻孔窥视电视探测、数值模拟结果表明，岩柱在超前工作面150m范围，岩柱内部出现了严重的破坏，破坏范围为0.5m，破坏深度为2.1～2.9m，岩柱产生了多条裂缝，最大裂隙宽度达到2cm。随着近直立特厚煤层分层数增多，围岩的破裂失稳。岩柱的弯曲一定程度，则导致岩层发生弯曲断裂，随着开采深度增大，B2～B3岩柱的弯曲断裂将趋于严重。
（2）ARAMIS M/E微震监测到围岩破坏失稳从裂隙出现、扩展、破坏失稳到最终稳定的过程产生大量微震事件，统计表明岩柱的事件比重最大，岩柱沿原生和新生破裂面产生滑移、错动、剪胀变形，并释放出大量的变形能。
（3）中间岩柱在弯曲变形过程中积聚了大量弯曲变形能，随着工作面的开采，岩柱中产生裂隙、扩展过程主要释放低能量，当岩柱破坏发展到一定程度产生大的破裂甚至失稳过程，则产生高能量微震事件，释放的能量造成了工作面冲击地压发生。
（4）采取岩柱顶底板爆破联合石门硐室中间爆破，可以有效降低岩柱中应力集中程度，但爆破的同时有少部分能量进行了不定向转移。
参考文献
[1]窦林名，何学秋．冲击地压防治理论与技术[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2001.
[2]窦林名，赵从国，杨思光，等．煤矿开采冲击矿压灾害防治[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2006.
[3]蓝航．浅埋煤层冲击地压发生类型及防治对策[J]．煤炭科学技术，2014，42（1）.
[4]蓝航，齐庆新，潘俊锋，等．我国煤矿冲击地压特点及防治技术分析[J]．煤炭科学技术，2011，39（1）.
[5]石平五，高召宁．急斜特厚煤层开采围岩与覆盖层破坏规律[J]．煤炭学报，2003，28（1）．
[6]乔元栋．急倾斜薄煤层仰斜开采覆岩应力分布特征研究[J]．煤炭科学技术，2011，39（12）.
[7]鞠文君，李文洲．急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶断裂力学模型[J]．煤炭学报，2008，33（6）．
[8]鞠文君，李前，魏东，等．急倾斜特厚煤层水平分层开采矿压特征[J]．煤炭学报，2006，31（5）．
[9]于贵良，李前，王元杰．深部急倾斜特厚煤层分层开采冲击地压防治技术[J]．煤炭科学技术，2011，39（2）.
[10]蓝航．近直立特厚两煤层同采冲击地压机理及防治[J]．煤炭学报，2014，39（S2）.
[11]黄质．新材料新工艺封孔技术的研究[J]．煤炭工程，2008，（7）.
[12]王书文，毛德兵，杜涛涛，等．基于地震CT技术的冲击地压危险性评价模型[J]．煤炭学报，2012，37（S1）.
收稿日期：2017-11-16
作者简介：张新战（1972-），男，新疆乌鲁木齐人，神华新疆能源有限责任公司安监局局长，总经理助理，工程师，硕士，研究方向：矿山灾害治理及企业管理。
