随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加，矿井冲击地压等动力灾害日益加剧，严重地威胁着煤矿开采的安全[1]。在我国多个矿区分布有巨厚坚硬岩层，巨厚坚硬岩层运动导致的强矿震和强冲击地压致灾后果严重，治理难度大，已经成为这些矿区矿井安全生产的主要障碍[2-3]。
对于巨厚坚硬顶板岩层失稳引发的冲击地压灾害防治已有大量学者做了研究，如蒋金泉等[4]揭示了高位硬厚岩层在上、下煤层重复采动时的微震活动时空规律，有效防治了硬厚岩层下的动力灾害;窦林名等[5-6]提出了针对巨厚坚硬岩层与下方岩层间离层位置进行注浆的防冲措施;姜福兴等[7]提出采场覆岩空间结构模型，研究了断层控制型冲击地压机制，提出改变巷道位置等防治措施;杨伟利等[8]提出了巨厚岩浆岩失稳导致的孤岛工作面冲击地压类型为自发型和诱发型，自发型冲击机制为巨厚岩浆岩失稳导致自身及其上覆载荷层重力向下传递，使得被影响区域煤岩应力逐渐集聚到冲击的应力水平，诱发型冲击机制为巨厚岩浆岩断裂强动载使得被影响区域煤岩应力突跃至冲击的应力水平;郭维嘉等[9]对强冲击地压矿井地表非连续移动变形特征进行了研究，认为工作面上方覆岩体内软岩层出现明显离层，为巨厚覆岩层提供一定运动空间，进而造成巨厚覆岩层的破断，由于瞬间的能量释放，对围岩造成强冲击性，同时造成地表呈现斑裂等非连续性特征;齐庆新等[10]提出了深孔断顶爆破促使厚硬顶板及时垮落的防治冲击地压方法;张明等[11]基于厚硬关键层破断及能量传播规律，提出了“震动损害边界”观点，提出了矿震引起地面震动损害的防控思路;潘一山等[12]基于巨厚坚硬岩层矿震震波传播规律建立了三维模型，实现对矿震灾害的预测预报。上述研究成果对巨厚坚硬岩层下工作面冲击地压灾害的防治具有现实意义，但对巨厚坚硬岩层下工作面的防冲开采设计鲜有系统研究。
笔者基于覆岩空间结构理论，提出了保护层开采、负煤柱设计、关键工作面的确定及参数设计、震动损害边界开采设计等综合方法，通过分析和介绍山东能源集团权属的华丰煤矿、高庄煤矿和滕东煤矿防治此类灾害的成功经验，为巨厚坚硬岩层下工作面冲击地压防治提供借鉴。
1 巨厚坚硬岩层下冲击煤层的矿压显现特征及防冲对策
1.1 巨厚坚硬岩层下冲击煤层的矿压显现特征
1.1.1 关键工作面效应
巨厚坚硬岩层下冲击煤层开采的显著特点之一，是第1个或第N个工作面开采时，由于巨厚坚硬岩层没有断裂，能够将悬露岩层的重量有效地传递到远处煤体上，导致开采工作面的矿压显现并不明显，只有当开采到巨厚坚硬岩层开始断裂并强烈运动的工作面时，才开始出现强烈的矿震或冲击地压。这个工作面称之为“关键工作面”。
“关键工作面”之前开采的第1个或第N个工作面，地应力不大，动力灾害不强烈，只要通过微震、应力在线监测和地表岩移观测，掌握巨厚坚硬岩层动态和围岩应力状况即可，防冲难度较小;“关键工作面”开采过程中，极易发生强动力灾害，其动力灾害的频次、危害程度等均与巨厚坚硬岩层的运动规律、煤层参数、工作面开采工艺等密切相关，这类矿压显现均可视为“关键工作面效应”。
1.1.2 震动诱冲效应
巨厚坚硬岩层断裂震动在地层中产生的动应力传播到处于高应力状态的煤体上后，极易诱发冲击地压。这类冲击属于“从上而下”的动力灾害，其显现特点是“震源与冲击显现位置不一致”，诱发力源来自高位顶板，试图通过切断巨厚坚硬岩层达到“减震消冲”的目的是非常困难的，在技术和经济上也是不合理的。这类矿压显现均可视为“震动诱冲效应”。
山东某矿2103工作面运输巷超前工作面190 m范围内曾发生1次2.8级(能量1.28×107 J)的冲击地压(图1(a))，破坏巷道260 m(图1(b))，地面矿区和村庄震感强烈，但事故发生前现场没有明显应力变化的前兆信息。根据微震定位结果和工作面附近钻孔资料可知，煤层上方504 m处存在一层厚114.2 m的中粒砂岩，可见，该岩层破断产生矿震是此次冲击地压的主要诱发因素。
图1 2103工作面冲击地压事故
Fig.1 Rock burst accident of LW2103
1.1.3 冲击震动效应
当开采到关键工作面位置后，巨厚坚硬岩层的传递压力将急剧增加，当部分煤体达到发生冲击的条件时即可发生冲击，同时引起能量巨大的震动。即冲击引起的震动。
这类冲击的显现特点是“震源与冲击显现位置一致”，震源和冲击显现均来自煤层，地面发生的震动损害是“从下而上”的灾害，因此，通过降低煤体应力避免冲击或降低冲击能量是可能的。这类矿压显现均可视为“冲击震动效应”。
山东某矿3112工作面为孤岛工作面，工作面倾向宽度约为120 m，平均采深约860 m，煤层单向抗压强度约为18 MPa。3112工作面东部为总宽约280 m的3111，3110和3109采空区，西部为总宽260 m的3113，3201采空区和断层带(相当于采空区)，如图2(a)所示。由于工作面上覆巨厚坚硬顶板，且两侧采空区地表均为非充分采动，因此3112工作面为31采区关键工作面。2015-05-19,3112工作面开切眼安装设备期间，发生了一起灾害性冲击地压。整个开切眼约120 m的范围全部冲垮，造成8人受伤，20个支架被埋(图2(b))，采煤机被冲断，损失达上亿元。
图2 3112工作面开切眼冲击地压事故
Fig.2 Rock burst accident of LW3112
3112工作面冲击时处于设备安装阶段，工作面尚未开采，因此冲击原因为孤岛工作面开切眼煤体积聚的高弹性能突然释放导致，此次事故为典型的冲击引起震动效应。
1.2 巨厚坚硬岩层下冲击地压的防治对策
由上述巨厚坚硬岩层下冲击地压的“关键工作面效应”、“震动诱冲效应”和“冲击震动效应”特点可以看出:巨厚坚硬岩层致灾有3种类型，一是随着采场推进范围增大，巨厚坚硬岩层的载荷逐步向悬空区周边支撑煤体转移，导致巷道围岩应力增加直至“临界冲击应力”引发冲击地压;二是由于巨厚坚硬岩层破断释放能量巨大，巨厚岩层突然破断造成强烈矿震诱发冲击地压;三是强烈矿震会波及地面并造成地面建筑物破坏。
巨厚硬岩(尤其是高位的巨厚硬岩)运动决定的震动与冲击灾害，很难通过人为措施使其悬空跨度和破断释放能量减小而达到避免矿震和冲击地压的发生，只有通过优化开采设计解决:在“区域上”通过合理的开采设计实现应力转移从而降低区域应力，在“局部”高应力区通过合理设计巷道位置避开或采用卸压技术人为形成低应力区，实现巨厚坚硬岩层条件下震动与冲击的协同控制。
巨厚坚硬岩层下防治冲击地压的优化开采设计包括开采保护层、合理确定采区内关键工作面、巷道布置参数、区段煤柱留设、开切眼和终采线位置、工作面宽度和推进长度、采掘工作面时空关系和接替顺序等。下面介绍3个巨厚坚硬岩层煤矿通过开采设计优化成功防治冲击地压的技术和经验，与同行分享。
2 华丰煤矿巨厚坚硬岩层下基于防冲的保护层与负煤柱相结合的开采设计
华丰煤矿曾经是我国冲击地压灾害非常严重的矿井，累计造成数十人伤亡和数千米巷道破坏，自从2007年开始采用保护层与负煤柱相结合的开采设计方案后，截止到2017年，没有发生破坏性冲击地压，冲击地压灾害得到了有效控制。
2.1 华丰煤矿的煤层与地质条件
华丰煤矿煤层倾角31°～40°，一般33°左右，含可采煤层7层，分别为1，4，6，11，13，15，16煤层，其中4煤层是华丰煤矿的主采煤层，平均煤厚6 m，工作面倾向长140～160 m，6煤层作为保护层，厚度1.0～1.5 m，两个煤层平均间距40 m，开采区域煤层分布情况见表1。主采煤层具有强冲击倾向，直接顶具有中等冲击倾向，且埋藏较深，目前采深已超过1 300 m，围岩原始地压大，随着采深的增加，地压显现日益突出，矿井工程地质类型为复杂类型。4煤层上覆砾岩平均厚度>700 m，开采区域的厚度分布如图3所示,其中，钻孔图例左侧数值为埋深，m。
2.2 保护层开采
以开采6煤作为开采4煤的保护层，根据开采6煤保护4煤模拟实验及微震与应力监测分析[8]，确定采6煤保4煤保护参数为:上保护角85°，下保护角69°，走向保护角57°，上保护高度为60～70 m，平均65 m，图4(a)为走向保护效果图，图4(b)为倾向保护效果图。在倾向上保护层1611工作面超前被保护层1410工作面一个区段;在走向上1410工作面开切眼布置在1609，1610开切眼20 m以里，1409工作面终采线位于1609，1610开切眼以里20 m，根据观测6煤开采对4煤开采保护作用有效时间为2 a左右。
表1 煤层分布情况
Table 1 Coal seam distribution m
钻孔号4煤底板标高4煤厚度6煤底板标高6煤厚度04-1-1 299.493.22+1.87=5.09夹矸厚5.85孔未到此层位05-2-1 285.314.38+2.15=6.53夹矸厚2.39孔未到此层位05-3-1 228.125.9,无夹矸-1 266.001.3005-4-1 236.313.28+0.81+1=5.09夹矸厚0.24+0.48=0.72-1 275.001.2499-2-1 019.763.85+2.68=6.53夹矸厚8.97-1 071.741.1199-1-942.002.49-988.001.31
图3 砾岩分布情况
Fig.3 Conglomerate distribution
图4 开采6煤对开采4煤的保护范围
Fig.4 Protective range of No.4 coal after No.6 coal mined
2.3 无煤柱、负煤柱设计方案
随着矿井向深部开采，地压越来越大，巷道支护难题日益凸显。4，6煤回风巷小煤柱沿空巷道矿压仍然显现强烈，支护困难，4煤回风巷尽管在保护带内，仍发生了多起严重的冲击地压，如图5所示。
图5 4煤回风巷冲击地压和大变形灾害照片
Fig.5 Scene photos of rock burst and large deformation in upper crossheading of No.4 Coal
为此，通过合并采区及跨上山推采，取消采区煤柱，矿井采区数量由-450 m水平的4个双翼采区，减到-1 100 m水平2个采区;取消区段小煤柱，6煤工作面下区段回风巷完全沿上区段运输巷重叠布置;4煤工作面下区段回风巷“负煤柱”布置(即在上工作面下平巷底板以下向采空区方向内错布置，如图6所示)，即下区段回风巷布置在上一个区段采空区内 0～-10 m，此位置应力低，且位于预留的三角形实体煤中，利于掘进和支护。华丰煤矿4煤通过实施“保护层与负煤柱相结合的开采设计”，未再发生过冲击地压灾害，实现了工作面的安全回采。
图6 负煤柱设计方案示意
Fig.6 Schematic diagram of negative pillar design
3 高庄煤矿巨厚坚硬岩层下开采防止地面建筑物震动损害的开采设计
高庄煤矿西十一采区位于微山湖下，湖区建有南水北调工程二线船闸等重要的水利设施。地层中存在巨厚砾岩，巨厚砾岩断裂存在发生矿震和井下冲击的危险，需要通过合理的开采设计避免灾害的发生。
3.1 西十一采区开采基本情况
西十一采区平均采深600 m，平均煤层厚度5 m，上覆砾岩平均厚约125 m，距离3上煤约230 m。由于3上1109和3上11010工作面已开采，位于二线船闸等地面重要设施下方的采区两翼已形成孤岛开采的局面(图7)。
图7 高庄煤矿孤岛工作面形成示意
Fig.7 Formation of island coal face in Gaozhuang Mine
3.2 西十一采区开采对地面建筑物影响的分析
西十一采区开采情况表明，西十一采区开采对二线船闸等重要设施的影响有两个方面：一是巨厚砾岩断裂产生震动诱冲;二是孤岛工作面整体失稳产生冲击震动，应从震动损害角度合理确定开采边界，通过优化开采设计减震防冲。
(1)强矿震引起的震动损害和震动损害边界
关于关键层破断诱发矿震及其对地表设施的震动损害方面的研究较少，传统的开采损害研究主要以地表沉陷和岩层移动损害边界为主(图8中M)，没有考虑移动损害边界以外由强矿震引起的震动损害边界(图8中V)。课题组通过建立采场上覆高位巨厚砾岩破断模型，研究了巨厚砾岩破断产生矿震的规律，以及矿震对地表重要保护设施的震动损害评估方法[13]，为开采损害分析和确定震动损害保护边界提供了理论依据。
图8 采动引起的岩层运动边界和震动破坏边界示意[13]
Fig.8 Strata movement boundary and vibration damage boundary by mining[13]
(2)孤岛工作面整体冲击失稳判别
开采西十一采区孤岛工作面时，当量采深将达到900 m以上，由于煤层具有冲击倾向性，当工作面宽度过小时，存在工作面煤壁前方煤体和两条回采巷道体同时冲击的危险，即整体冲击失稳危险。根据课题组“孤岛工作面整体冲击失稳判别方法”[14]研究成果:孤岛工作面两侧塑性区在高支承压力的作用下向煤体深部支承核区扩展，当支承压力足够大时，孤岛工作面支承核区将失去承载能力，这对于具有冲击倾向性的煤层，极容易发生工作面整体冲击失稳。采用该方法对开采西十一采区孤岛工作面进行评估，通过优化关键工作面设计，避免孤岛工作面整体失稳产生冲击震动。
3.3 西十一采区“关键工作面”设计方案
西十一采区两翼最后一个孤岛工作面，就是“关键工作面”，鉴于国内多起“孤岛”工作面整体冲击地压事故的教训，结合西十一采区地面震动损害与井下冲击危险性的研究，提出了“关键工作面”开采的3个设计方案(图9):
(1)原设计2个工作面等宽开采方案。如果将剩余宽度均匀分成2个工作面，则孤岛工作面的宽度为175 m左右，考虑两回采巷道附近留4 m煤柱、掘4 m巷道和施工20 m深的卸压孔，关键工作面有效支撑宽度只有119 m。按照“关键工作面整体稳定性评价方法”评估，此状态下孤岛煤柱接近整体冲击的下限，判断为“弱整体冲击危险、强局部冲击危险”。
(2)大孤岛工作面开采方案。西十一采区剩余未采工作面宽度约350 m时，采用一个大工作面整体布置，该方案对冲击地压防治最为有利，但矿井现有综采工作面设备能力难以满足面长350 m的要求。
(3)“一大一小”2个工作面开采方案。分别缩小两翼孤岛工作面相邻的3上1103和3上1106工作面的宽度，使3上1105和3上1108“孤岛”工作面的净宽度在大于孤岛煤柱整体失稳宽度的同时，满足现有综采工作面设备能力上限的要求。
图9 高庄煤矿关键工作面开采设计方案示意
Fig.9 Mining design of key face in Gaozhuang Mine
经过论证，选择并实施了第3方案。同时根据巨厚砾岩破断模型及震动损害评估方法，为防止砾岩断裂对地面的震动损害，将终采线煤柱加宽到400 m。开采实践证明，此方案实现了终采线附近地面无震害，井下无冲击的安全目标。
4 滕东煤矿巨厚坚硬岩层下基于防冲的厚煤层开采设计
滕东煤矿巨厚坚硬岩层下基于防冲的厚煤层开采设计包含了关键工作面设计、小煤柱设计、顺序开采设计、强卸压设计和慢推进5个方面。
滕东煤矿属于新建的千米深井、厚煤层、巨厚坚硬顶板条件的冲击地压矿井，该矿井从开采设计之初就通过与科研单位合作，充分考虑防冲因素，准确分析关键工作面位置，制定针对性防冲措施，实现了建矿至今多年的防冲安全。
4.1 滕东煤矿煤层和地层基本情况
滕东煤矿为单一主采煤层矿井，主采煤层为3下煤，煤厚3.5～8.0 m，平均厚度5.27 m，含少量夹矸，属于中硬煤层，煤层结构简单，倾角2°～7°，埋深平均950 m，属于深井开采。首采区3下煤层顶板中存在多组坚硬厚岩层，直接顶为4.44 m厚的细砂岩，基本顶为14.76 m厚的细砂岩，距离3下煤层90 m位置存在一组70 m厚的坚硬砾岩层，判断该砾岩为主关键层，在开采过程中将以覆岩空间结构的运动形式影响采场的矿山压力显现。根据煤岩冲击倾向性测定，3下煤层具有强冲击倾向性，顶板岩层具有强冲击倾向性。
4.2 滕东煤矿基于防冲的开采设计
(1)顺序开采。确定3下107为首采工作面，3下105和3下109工作面为第2个和第3个接续工作面，各工作面布置情况如图10所示。
图10 首采区工作面接续示意
Fig.10 Spicing of first coalface
(2)关键工作面辨识。采用覆岩空间结构理论，分析了第1～3个工作面上覆岩层结构从“O”型、发展到“S”型、再形成三工作面“见方”的大“O”型的运动规律(图11)。根据覆岩空间结构运动的预计结果，结合对地面沉陷的计算和监测，辨识3下109工作面将是首采区的“关键工作面”(图10)。图12(a)为3下109工作面回采后地表下沉平面分析图，图12(b)为3个工作面开采地表下沉量倾向剖面图。
图11 3个工作面连续开采中“O-S-O”型覆岩空间结构演化平面投影示意
Fig.11 Evolution plane projection of “O-S-O” Type spatial structure of overlying strata in three faces continuous mining
根据3下109工作面2014-10-29—2015-03-13开采期间地表岩移观测数据对比分析，该阶段地表下沉速度和下沉量出现明显增长趋势，最大下沉位置在3下107工作面中部区域，此现象与井下巨厚砾岩附近的震动场和工作面应力场的变化规律一致，说明巨厚砾岩已经发生断裂并开始急剧运动，地表下沉曲线未出现“平底”现象表明巨厚砾岩断裂不充分，仍要发生大范围断裂和下沉运动，在工作面开采到接近采空区“见方”起，井下的动力现象急剧增强。
图12 根据地表下沉量辨识关键工作面结果图[15-16]
Fig.12 Recognition of key mining face in terms of the amount of surface subsidence[15-16]
(3)微震监测揭示的关键工作面效应。图13为3下105，3下107和3下109工作面开采至不同时期微震事件剖面图。由图13(a)可知，当3下105采空区“单见方”时，顶板破裂高度仅为60 m，尚未波及到上覆巨厚砾岩;当工作面推采至3下105和3下107采空区“双见方”时，顶板破裂高度达到90 m(图13(b))，破裂高度已达到上覆巨厚砾岩底部，此时砾岩尚未发生破断;当工作面推采至3下105，3下107和3下109采空区“三见方”时，顶板破裂高度达到135 m(图13(c))，此时巨厚砾岩内部产生大量微震事件。由此可判断3下109工作面为该采区的关键工作面，该工作面的开采会导致上覆巨厚砾岩发生破断失稳，可能诱发矿震或冲击地压灾害。
图13 工作面推采不同时期微震事件剖面
Fig.13 Profile of microseismic events at different stages in coal mining face
(4)关键工作面开采防冲措施。3下109关键工作面开采初期，运输巷超前75 m应力测点自2014-04-01开采就开始发生应力增长(图14)。由此可知，3下109关键工作面在高静应力环境下，开采即导致了超前支承应力增长，关键工作面的冲击危险程度远高于前2个工作面。后期开采3下109关键工作面时，坚持“缓推进、强监测、强卸压、强支护”的防冲法则，通过采取冲击危险区内匀速慢速推进，减少开采扰动;强化微震和应力在线监测与煤粉钻检验;对实体帮采取密集大直径钻孔卸压，使巷道围岩处于低应力状态;强化巷道支护等措施，实现了关键工作面的防冲安全。
图14 3下109工作面煤体应力变化曲线
Fig.14 Coal stress variation curves of 3 below 109 working faces
5 结 论
(1)通过分析巨厚坚硬岩层下冲击地压的发生规律，提出了此类矿井冲击地压存在“关键工作面效应”、“震动诱冲效应”和“冲击震动效应”3个特点及防治对策。
(2)提出了采用覆岩空间结构理论和地表沉陷观测数据辨识关键工作面的方法及关键工作面防冲措施。
(3)阐述了山东能源集团3个不同类型的巨厚坚硬岩层冲击地压矿井采用保护层开采、负煤柱设计、关键工作面确定与参数设计、避开震动损害边界开采设计、小煤柱设计和顺序开采工作面参数优化设计等综合方法，实现防冲安全的具体做法。
由于巨厚坚硬岩层赋存条件复杂，且准确探查的难度大，不同煤矿开采条件各异，本文的研究结果是根据试验矿井条件研究和总结的，仅供同行参考。
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