深部巨厚承压含水层采动疏水诱冲机理

窦林名 ， 周坤友 ， 曹安业 ， 侯 涛 ， 巩思园 ， 阚吉亮 ， 马小涛

(1.安徽理工大学 矿业工程学院, 安徽 淮南 232001；2.中国矿业大学 矿业工程学院, 江苏 徐州 221116；3.安徽省煤炭安全精准开采工程实验室,安徽 淮南 232001；4.陕西正通煤业有限责任公司, 陕西 咸阳 713600)

我国深部煤炭资源开采强度不断增加，现有千米以深矿井47 座，未来5～10 a 还将新建千米矿井30余座[1]。受深部开采复杂环境及“三高一扰动”影响，深部开采冲击风险显著升高[2-3]，截至2023 年2 月，我国15 个省和自治区共有冲击地压矿井150 处，产能为4.056 亿t[4]，其中陕蒙地区是近年来冲击地压矿井增长及冲击、强矿震灾害发生的重点区域[5]。陕蒙地区彬长、纳林河、呼吉尔特、台格庙、新街等大型矿区覆岩普遍赋存较厚砂岩承压含水层[6-7]，开采过程中涌水量大且已有研究表明工作面采动应力变化、冲击地压及强矿震灾害与顶板承压水的疏放具有相关性[8-9]。覆岩承压含水砂岩层对采场不仅有坚硬岩层的作用[10]，还存在覆岩承压水运动的影响，掌握覆岩承压水疏放对采动应力场的影响机制及其诱冲效应对陕蒙地区冲击地压防治具有重要意义。

目前在煤矿地下水相关研究方面，多集中于地下水对煤岩孔隙结构、力学特性的影响[11-12]。矿井承压水相关研究多集中于顶板突水[13]、底板承压水与底板裂隙发育特征、破坏范围及底板突水[14-15]、断层稳定性及防水煤柱留设[16]等方面。在上覆承压水运动与采动应力场和冲击地压关系研究方面，施龙青等[17]认为采动条件下顶板突水对冲击地压的发生具有一定的促进作用，并从物理流变学和断裂力学角度初步阐述了其内在机制，即顶板水流失导致砾岩粒界面附近多层次应力局部集中，造成砾岩产生新的断裂，形成多层次冲击地压。SHAO 等[18]研究了顶板钻孔疏水条件下局部围岩应力变化特征，在疏水钻孔周围依次形成应力降低区、应力升高区和应力恢复区。李东[19]研究了顶板钻孔疏水对富水区岩层物理力学性质的影响及岩层损伤对原岩应力分布的影响，揭示了深部富水工作面顶板钻孔疏水诱发冲击地压机理，认为工作面顶板疏水钻孔对上覆承压水起到了疏放作用，在工作面超前区域形成疏水升压带，增加了超前区域冲击风险。文献[8]建立了厚表土富水采场“超前支承压力-疏水转移应力”叠加作用的力学计算模型，从理论上半定量分析了冲击区域应力集中程度，得到顶板钻孔疏水后形成的疏水升压带是诱发冲击地压的重要力源。许家林等[20]、王晓振等[21]分析了上覆承压水位与覆岩主关键层运动间的联动关系，研究了承压水对覆岩运动的影响，认为松散承压含水层具有一定的岩层间载荷传递作用，使得上覆厚松散层始终以均布载荷形式作用在下覆岩层上，导致工作面采后上覆关键层结构发生整体运动和破断。以上研究仅涉及顶板承压水静态储存条件下对下覆工作面矿压显现的影响，但工作面采动过程中，导水裂隙带向上不断发育，必然会导致顶板高承压水的采场疏放，以上研究并未涉及顶板承压水采场疏放对工作面矿压显现、围岩应力演化的影响。冯国财等[22]建立了采动条件下覆岩承压水位变化数学模型并探讨了上覆承压水对工作面覆岩变形破坏的影响，认为上覆承压水增大可导致煤层顶板变形破坏范围增大，在孔隙水压达到一定值后，煤岩塑性区向承压含水层下岩层发展。张开弦等[23]研究了承压含水层下不同坚硬岩层厚度和不同含水层-坚硬岩层距离条件下围岩应力和变形破坏范围，得到在流固耦合条件下顶板承压水的存在能够增大采动影响范围。

已有研究表明矿井钻孔疏放或采动条件下顶板承压水的疏放对围岩应力场、工作面矿压显现具有一定的影响。但目前顶板承压含水层采动疏水对采场围岩应力-能量场作用机制尚不明确，其诱冲机理鲜有报道。因此，笔者以陕西彬长矿区典型巨厚高承压含水砂岩层下强涌水、冲击地压和强矿震频发工作面为工程背景，聚焦覆岩承压含水砂岩层和采动应力场，采用现场监测分析、数值模拟、理论分析及现场实践等方法，研究覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场作用机制和主控因素，并揭示其诱冲机理，为类似条件下冲击地压防治提供理论指导。

1 工程概况

1.1 巨厚覆岩承压含水层赋存特征

彬长矿区某矿是矿区内煤层埋深最大、顶板富水性最强的强冲击地压矿井，矿井煤层埋深800～1 000 m，实测最大主应力为38.2～44.8 MPa，最小主应力为14.4～24.8 MPa，垂直应力为21.5～24.6 MPa，煤层处于较高应力状态。主采4 号煤层具有强冲击倾向，其单轴抗压强度18～20 MPa。矿井地层物理力学参数见表1。覆岩承压含水层分布地震反演如图1(a)所示。地层白垩系洛河组承压含水层发育程度高，特别是洛河组上段单层厚度大，发育较厚粗颗粒砂岩，平均孔隙度为15.44%，渗透系数为0.92～1.55 m/d，富水性强，孔隙水压最大达7.0 MPa，属于强富水含水层，接受地下水侧向径流补给，难以疏干，连片分布，构成煤层上覆岩层的“水墙”，内部隔夹层不发育，是威胁矿井的主要含水层，其厚度为318.0～510.0 m，平均400.4 m，主采4 号煤层距洛河组底界31.8～160.3 m，平均84.0 m，如图1(b)所示。巨厚覆岩承压含水层下工作面涌水量大，最大至1 500 m3/h且同时覆岩承压含水层内水位及孔隙水压显著降低，工作面采动对覆岩巨厚承压含水层形成较为强烈的疏放效应。

图1 巨厚覆岩承压含水层分布及矿井采掘布置Fig.1 Distribution of the extra-thick Luohe aquifer and the mining layout of the test coal mine

表1 矿井煤岩物理力学参数测试结果Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock strata

1.2 采动条件下巨厚承压含水层稳定性

巨厚覆岩承压含水层岩性以上段粗粒砂岩为主，厚度平均200 m，下段以中粒砂岩为主，厚度平均为100 m，根据矿井煤岩物理力学参数和关键层判别结果，可知巨厚覆岩承压含水层上段粗粒砂岩层和下段中粒砂岩层分别为覆岩主关键层和亚关键层结构。以试验矿井二盘区201～205 等5 个工作面为工程背景，建立巨厚覆岩承压含水砂岩层下多工作面盘区倾向开采物理模型，得到了204～205 工作面开采覆岩结构及巨厚覆岩承压含水砂岩层稳定性特征，如图2 所示。

图2 不同开采尺度下覆岩运动破坏特征Fig.2 Movement and failure characteristics of the strata at different mining scale

由图2 可以看出，204 工作面回采后(采场倾向尺度700 m)采动影响范围至洛河组200 m 厚粗粒砂岩层底部，同时100 m 厚中粒砂岩层内发育垂直裂隙和倾斜贯通裂隙，此时洛河组下段100 m 厚中粒砂岩层破断；205 工作面回采后(采场倾向尺度为900 m)采动影响范围至洛河组200 m 厚粗粒砂岩层顶部，且在层内发育倾斜贯穿主裂隙，此时洛河组上段200 m 厚粗粒砂岩层破断，但受其尺寸、顶底板结构加持作用影响，其并未明显回转下沉而是呈悬臂状态。

为监测巨厚覆岩承压含水砂岩层稳定性，在205工作面布置了ZY1 地面钻孔，孔口距开切眼1 034 m，距终采线411 m，钻孔深度940 m，钻孔垂向终孔位置距煤层约15 m，钻孔内布置分布式光纤深度为930 m，如图3 所示。监测结果表明覆岩运动具有显著分层性，在工作面推过钻孔约80 m 后，洛河组上段粗粒砂岩层顶部光纤破断，岩层向后方采空区弯曲变形，离层裂隙已发育至洛河组巨厚砂岩层上部，此时覆岩运动影响高度约350 m，监测结果验证了前述物理模拟结果。

图3 205 工作面地面钻孔光纤监测断点演化特征Fig.3 Height of the optical fiber breakpoints in deep borehole in panel 205

1.3 巨厚覆岩承压含水层采动疏水诱冲效应分析

宽煤柱煤层大巷矿震活动与洛河组承压水位变化相对关系如图4 所示。其中，图4(a)为2018 年11月至2019 年5 月矿井停产期间矿震活动情况，可以看出在矿井无采掘扰动影响、覆岩承压水持续疏放条件下围岩中尤其是煤层大巷区域矿震活动频繁，甚至发生能量大于1×105J 高能矿震事件。图4(b)为煤层大巷区域矿震活动与覆岩承压水运动特征对照，可以看出，煤层大巷区域矿震频发期间均伴随着覆岩承压水位降低，且2018 年11 月至2019 年5 月矿井停产期间随覆岩承压含水层水位不断恢复，煤层大巷区域矿震活动逐渐降低。图4(c)为2019-06-01—07-14期间附近GL1 水位观测孔水位变化曲线，其中2019-07-01 T 21:20:58 发生1.3×106J 矿震事件，此前(6 月30 日)GL1 观测孔水位突然下降5.5 m；2019-07-10 T 18:50:39，发生2.1×105J 矿震事件，此前(7月9 日)，GL1 孔水位突然下降22.1 m。试验矿井冲击地压主要发生在宽煤柱煤层大巷区域和二盘区采场204、205 工作面，如图5 所示，可以看出，宽煤柱煤层大巷区域冲击地压均发生在巨厚覆岩洛河组承压水位快速降低期间，而采场区域冲击地压均发生在井下涌水量变化开始快速上升阶段，考虑采场区域涌水量变化与洛河组上段承压水位监测处水位变化的滞后效应，可以得到巨厚覆岩承压含水层下冲击地压均发生在覆岩洛河组承压水位快速下降期间。上述现象说明覆岩巨厚洛河组强承压含水层承压水的采动疏放对采场围岩产生应力扰动，一定程度上提高局煤岩体应力，增加其冲击风险甚至诱发冲击显现。

图4 煤层大巷区域矿震活动与覆岩承压水运动特征Fig.4 Seismicity in main entry area and the movement of confined water in the extra-thick aquifer

图5 矿井冲击显现与覆岩承压水疏放相关关系Fig.5 Correlation between rockbursts and the drainage of confined water

2 覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场作用机制分析

2.1 不同孔隙水压岩体力学行为特征

赵延林等[12]对饱水砂岩进行了不同围岩和不同孔隙水压条件下水-力耦合压缩实验，得到了不同孔隙水压条件下饱水砂岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数演化特征，如图6 所示。

图6 不同孔隙水压岩体力学参数演化特征[12]Fig.6 Mechanical parameters of sandstone samples with different pore pressure[12]

由图6 可以看出，随孔隙水压升高，饱水砂岩单轴抗压强度和弹性模量基本呈线性降低趋势，而饱水砂岩泊松比基本呈线性升高趋势。以围岩10 MPa 为例，孔隙水压由0 增加至9 MPa 过程中，单轴抗压强度和弹性模量分别降低55.7%和23.3%，泊松比升高228.57%。可知砂岩内部孔隙水压能够显著弱化饱水砂岩体强度。

渗透压作用下岩石裂纹处于双向应力状态如图7 所示。文献[24]采用压剪破坏准则和最大轴向应力准则分析了孔隙水压对压剪岩石裂纹初裂强度影响，得到了2 种准则下岩石裂纹初裂强度与孔隙水压p的关系，即

图7 渗透压作用下岩石裂纹的双向应力状态Fig.7 Bidirectional stress state of cracks in rock samples with pore pressure

式中，σ1max为压剪破坏准则下岩石裂纹初裂强度，MPa；为轴向应力准则下岩石裂纹初裂强度，MPa；σ3为围压，MPa。

可知，不论采用压剪断裂准则还是最大周向应力准则，岩石裂纹的初裂强度与渗透压均具有负相关的线性关系，初裂强度均随孔隙水压增加而线性降低。这是由于裂纹内孔隙水压的存在使裂纹表面正应力减小，增大了裂纹面的有效剪切驱动力，与无孔隙水压相比，考虑裂纹孔隙水压的影响，岩石裂纹起裂应力和初裂强度降低，整体强度和承载能力降低。因此，采场对覆岩承压水的疏放效应导致采场周围巨厚覆岩承压含水岩层孔隙水压降低，一定程度上促使覆岩承压含水岩层强度及其承载能力升高。

2.2 覆岩承压含水层采动疏水诱导应力场演化特征

采动条件下覆岩承压含水岩层受力如图8 所示。由井下涌水及承压水位变化可知，工作面采动形成对覆岩承压水的采场疏放效应；随采场尺度增大，其疏放效应影响增强，导致覆岩承压含水层孔隙压力分布呈漏斗状不断降深，如图8(b)所示。由于含水层孔隙度大、补给性强，在采场疏放与侧向补给相对平衡状态下承压含水层内则形成相对稳定的水头分布，如图8(c)所示。图中，σr为顶板承压水未疏放条件下承压含水岩层对上覆岩层的作用力；p为顶板承压水未疏放条件下承压含水层孔隙水压；σ′r为顶板承压水疏放条件下承压含水岩层对上覆岩层的作用力；p′顶板承压水疏放条件下承压含水层孔隙水压；σamax为采场支承压力峰值。

图8 采动条件下顶板巨厚含水层岩层受力分析模型Fig.8 Mechanical analysis model of extra-thick key strata in aquifer during coal mining

由于洛河组巨厚承压含水层同时又是煤层顶板的关键层结构，且其上部具有相对稳定的华池组隔水层分布，因此，巨厚承压含水岩层顶部载荷保持不变。而采场疏放效应作用下，巨厚承压含水岩层内孔隙水压(p)不断降低甚至降为0，由2.1 节不同孔隙水压砂岩力学行为特征可知，随砂岩层内部孔隙水压降低，砂岩层强度不断增大，其整体强度和承载能力增大，这将显著降低采动条件下顶板承压含水层变形破坏程度及应力释放程度，导致采场围岩承载的顶板载荷增大，从而提高围岩应力集中和弹性能积聚程度，增加采场围岩冲击风险。

利用流固耦合数值模拟方法对比分析了采动条件下覆岩承压含水层未疏放和疏放条件下围岩渗流场、变形场、应力场和能量场分布的变化特征，如图9所示。

图9 顶板承压水未疏放与疏放条件下围岩多场变化特征Fig.9 Comparison of multi-field before and after the confined water in aquifer is drained

由图9 可以看出，顶板承压水采动疏放后，覆岩承压含水层塑性区发育高度和顶板位移量明显降低，说明承压水疏放后，含水岩层强度增大，破坏程度和应力释放程度低；覆岩承压水疏放后，临近区域煤层三向应力均不同程度升高，说明覆岩承压水采场疏放下，顶板载荷转移至采场两侧围岩中，导致应力集中，弹性应变能和冲击风险也相应增加，进而形成覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场的作用效应。

2.3 覆岩承压含水层采动疏水对应力场作用效应主控因素分析

为明确覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场作用效应的主控因素及其作用规律，分别建立不同疏水程度、不同煤层-覆岩承压含水层距离、不同采空区尺度、不同含水层厚度及不同覆岩承压含水层强度条件下流固耦合数值计算模型，分析不同因素作用下围岩应力场-能量场分布及变化特征，其中各模型应力边界按试验矿井实测地应力进行赋值。

(1)覆岩承压含水层疏水程度。

将覆岩承压含水层最大孔隙水压设为6 MPa，采空区对应含水层下边界孔隙水压分别设为不透水、5、3、1 MPa，分别模拟覆岩承压含水层不疏放、疏放1 MPa、疏放3 MPa 和疏放5 MPa 情况下围岩应力和弹性能演化情况，如图10 所示。

图10 覆岩承压含水层不同疏放程度下围岩应力-能量变化特征Fig.10 Stress and elastic energy evolution under the condition of different drainage degree of the confined water

随疏水程度增加，采场两侧煤体水平应力及弹性应变能密度均不同程度升高，对于垂直应力，在临近采空区一定范围内(此处为30 m)升高，而深部煤体区域垂直应力有所降低。相对于顶板承压水不疏放，在疏放1 MPa 时，采场两侧垂直应力、水平应力及弹性应变能密度变化量较小，而在疏放3 MPa 和疏放5 MPa 时围岩应力、能量密度变化较为明显，其中垂直应力增量峰值分别为1.6 和4.0 MPa，最大水平主应力增量峰值分别为1.7 和3.0 MPa，最小水平主应力增量峰值分别为0.6 和1.4 MPa，弹性应变能密度增量峰值分别为18 和39 kJ/m3。可知，随覆岩承压水疏放程度增加，其对围岩应力场的作用效应不断增强，覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场作用效应与其疏水程度正相关。

(2)煤层-覆岩承压含水层距离。

将煤层-承压含水层距离设为0、20 和40 m，承压含水层两侧施加最大6 MPa 梯度孔隙水压，采空区开挖后在对应承压含水层底部设置水压为0，得到3 种间距条件下围岩应力-能量变化如图11 所示。

图11 不同煤层-承压含水层间距承压水疏放围岩应力-能量变化特征Fig.11 Stress and elastic energy evolution during the drainage of the confined water under the condition of different distance between the aquifer and coal seam

在煤层-承压含水层间距0、20 和40 m 条件下，围岩垂直应力SZZ 峰值分别为4.0、2.0 和0.3 MPa，水平应力SXX 分别为2.8、1.0 和0.2 MPa；水平应力SYY峰值分别为1.4、0.5 和0.2 MPa；弹性应变能密度峰值分别为39.0、10.0 和1.6 kJ/m3。随煤层-承压含水层间距不断增大，覆岩承压水疏放导致的围岩应力和能量增量不断降低，覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场作用效应与煤层-覆岩承压含水层距离负相关。

(3)采空区尺度。

将采空区尺度设置为60、120 和180 m，覆岩承压含水层两侧施加最大为6 MPa 的梯度水压，采空区开挖后在对应承压含水层底部设置孔隙水压为0，得到3 种采空区尺度条件下围岩应力-能量变化如图12所示。在采空区尺度分别为60、120 和180 m 条件下，围岩垂直应力SZZ 峰值分别为0.4、1.2 和2.0 MPa，水平应力SXX 峰值分别为0.1、0.7 和1.9 MPa；SYY峰值分别为0.1、0.4 和0.7 MPa；弹性应变能密度峰值分别为1.6、8.8 和12.0 kJ/m3。可知，随采空区尺度增大，覆岩承压水疏放导致的围岩应力和能量增量不断升高，在一定范围内覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场作用效应与采空区尺度正相关。

图12 不同采空区尺度条件下围岩应力-能量变化特征Fig.12 Stress and energy evolution during the drainage of the confined water under the condition of different goaf scale

(4)覆岩承压含水层厚度。

依次将覆岩承压含水层厚度设为50 和100 m，承压含水层两侧施加最大为6 MPa 的梯度水压，采空区开挖后在对应承压含水层底部设置孔隙水压为0，得到不同覆岩承压含水层厚度下围岩应力-能量变化如图13 所示。

图13 不同承压含水层厚度条件下围岩应力-能量变化Fig.13 Stress and elastic energy evolution during the drainage of the confined water under the condition of different thickness of the aquifer

在覆岩承压含水层厚度为50 和100 m 时，围岩垂直应力SZZ 峰值分别为2.0 和0.4 MPa，水平应力SXX 峰值1.9 和1.5 MPa，水平应力SYY 峰值分别为0.7和0.3 MPa，弹性应变能峰值分别为12.0 和8.1 kJ/m3。可知，随覆岩承压含水层厚度增加，覆岩承压含水层采动疏水导致的围岩应力和能量增量不断降低，覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场作用效应与覆岩承压含水层厚度负相关。

(5)覆岩承压含水层岩层强度。

将覆岩承压含水岩层弹性模量设为2.0、6.0 和10.0 GPa，承压含水层两侧施加最大为6 MPa 的梯度水压，采空区开挖后在对应承压含水层底部设置孔隙水压为0，得到不同覆岩承压含水层强度下围岩应力-能量变化如图14 所示。

图14 不同覆岩承压含水层岩层强度围岩应力-能量变化Fig.14 Stress and elastic energy evolution during the drainage of the confined water under the condition of different strength of the aquifer

在覆岩承压含水层弹性模量分别为2.0、6.0 和10.0 GPa 时，围岩垂直应力SZZ 峰值分别为0.6、0.9和0.9 MPa 和，水平应力SXX 峰值1.1、0.9 和0.8 MPa，水平应力SYY 峰值分别为0.27、0.27 和0.26 MPa，弹性应变能密度峰值分别为8.1、8.0 和7.0 kJ/m3。可知，随承压含水层强度增加，覆岩承压含水层采动疏水导致的垂直应力增量有所增加，而水平应力及弹性应变能密度增量不断降低，覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场作用效应与覆岩承压含水层强度负相关。

3 巨厚承压含水层采动疏水诱冲机理

3.1 巨厚覆岩对围岩应力的作用效应

(1)静载应力。根据相似材料模拟结果，试验矿井巨厚覆岩承压含水砂岩层下二盘区201～205 工作面回采过程中两侧支承压力峰值演化如图15 所示。随采场倾向尺度增大，采场两侧支承压力峰值均不断增大，204工作面和205 工作面回采后，采场侧支承压力值显著升高。说明巨厚覆岩承压含水砂岩层变形破断形成的尺度的悬臂-铰接梁结构能够显著提高围岩静载应力。

图15 二盘区工作面过程中垂向采动影响范围及侧向支承压力峰值演化Fig.15 Mining influence range in vertical direction and the peak abutment stress evolution in the 2nd panel

(2)动载应力。数值模拟了试验矿井二盘区204和205 工作面覆岩大尺度悬臂-铰接结构失稳破断前后围岩能量场分布特征，如图16 所示。

图16 大尺度悬臂-铰接结构失稳前后围岩能量场分布Fig.16 Energy field before and after the overall collapse of the large-scale cantilever-articulated structures

204 工作面回采过程中共监测到8 个能量超过1.0×106J 的矿震，205 工作面回采过程中共监测到2个能量超过1.0×106J 的矿震。由矿震剖面与大尺度铰接-悬臂结构失稳前后围岩能量场对照可知，上述大能量矿震均位于大尺度悬臂-铰接结构破断形成的裂缝附近区域，大尺度结构失稳导致此前积聚的弹性能突然释放从而诱发高能矿震对围岩产生强动载作用。

3.2 巨厚承压含水层采动疏水诱冲判据

根据前述研究，在动静载叠加诱冲原理[25]基础上，考虑覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力-能量场的作用效应，巨厚覆岩承压含水层下煤-岩系统冲击地压发生的能量机制可用式(3)进行描述，即

其中，U为煤-岩体力学系统总能量；UR、UC为围岩和煤体中积聚的能量；UD为矿震等外部动载输入的能量；Uw为覆岩承压含水层采动疏水导致的能量增量；Ub为冲击发生时煤岩体变形破坏所消耗的能量。

式中，σs为采动应力作用下煤岩体静载荷；σd为矿震诱发的动载荷；σw为覆岩承压含水层采动疏水导致的应力增量；E为弹性模量。

巨厚承压含水关键层下冲击地压发生时煤岩体所消耗的最小能量可用式(5)来表示，其中σbmin为冲击地压发生时煤-岩系统所承受的最小载荷。

因此，巨厚承压含水关键层下冲击地压的发生需要满足式(6)的应力条件：

式(3)～(6)表明，当地应力、采动应力引起的围岩静载荷(σs)、外部矿震等引起的动载荷(σd)及覆岩承压水疏放导致的应力增量(σw)3 者叠加超过煤岩冲击破坏临界应力(σbmin)时，则该煤-岩系统失稳破坏，释放能量，其中除煤岩破坏所需能量外，剩余将转化为破碎煤岩体动能，诱发冲击显现。巨厚承压含水层采动疏水诱冲机理如图17 所示，高静载是冲击地压发生的应力基础，矿震等动载和覆岩承压含水层采动疏水导致的应力扰动是冲击地压发生的重要诱因。

图17 巨厚覆岩承压含水层采动疏水诱冲原理Fig.17 Rockburst mechanism caused by the mining-induced drainage of the confined water in extra-thick aquifer

4 巨厚覆岩承压含水层下冲击地压防治

4.1 防治方案

试验矿井冲击地压静载荷主要包括构造应力场、采动应力场等，动载荷主要包括矿震、覆岩承压含水层采动疏水导致的动态应力扰动等。因此，深部巨厚砂岩承压含水层下冲击地压的防控也应针对静载和动载2 个致灾源头从区域措施和局部措施2 个维度同时进行，如图18 所示。

图18 巨厚砂岩承压含水层下冲击地压防治体系Fig.18 Prevention strategy of rockburst under extra-thick aquifer

4.2 防治实践

为有效防控巨厚承压含水层下冲击地压风险，除工作面煤体大直径钻孔卸压、顶板预裂爆破外、调整主要大巷布置层位及优化工作面推采速度等措施外，针对覆岩承压含水层采动疏水及巨厚承压含水层覆岩结构对冲击风险的影响特征，提出了巨厚覆岩承压水含水层注浆堵水和优化盘区尺寸的防冲措施，并进行了现场实践。

(1)巨厚承压含水层注浆堵水。由2.2 节可知，覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场具有扰动作用，对高静载条件下冲击地压的发生有促进作用。因此，可通过在巨厚砂岩含水层进行注浆堵水[26]措施降低采场对覆岩巨厚承压含水层的疏放程度。采用地面竖直井+多分支水平井对204 和205 工作面后期回采阶段巨厚洛河组承压含水层进行注浆堵水，如图19所示。

图19 巨厚承压含水层地面注浆堵水Fig.19 Water plugging of the extra-thick and water-bearing key strata by ground grouting

注浆材料为水泥浆、粉煤灰或水玻璃。注浆高度为煤层顶板180～220 m，注浆层位为洛河组下部中粒砂岩含水层。2019 年8 月—2020 年5 月在204 工作面距撤面巷160～730 m 区域累计注浆约13 570 t，205 工作面在其距撤面巷650 m 范围内累计注浆量约33 280 t。此后204 工作面和205 工作面在推采至地面注浆堵水区域时工作面涌水量显著降低，未发生冲击地压显现。

(2)优化盘区尺寸。根据巨厚承压含水层稳定性监测及物理模拟结果，试验矿井巨厚覆岩承压含水层下采场布置应减小盘区尺度倾向尺度至700 m 以内，从而降低采动空间影响范围、避免巨厚覆岩形成悬臂-铰接结构并降低对覆岩承压含水层采动疏水程度。优化后续三盘区工作面数量为3 个、盘区尺度550 m，形成大煤柱-小盘区布置，如图20 所示，三盘区工作面回采过程中未发生过冲击显现现象，实现了巨厚覆岩承压含水层下安全开采。

图20 矿井盘区尺寸优化Fig.20 Optimization of mine layout in the test coal mine

5 结 论

(1)彬长矿区试验矿井覆岩强富水巨厚承压含水砂岩层条件下，当采空区倾向尺度超过700 m 后，覆岩巨厚承压含水砂岩层逐渐失稳破断，采动过程中工作面涌水量大且覆岩承压含水层内水位显著降低，工作面采动对覆岩巨厚承压含水层形成较为强烈的疏放效应；巨厚覆岩承压含水层下冲击地压和高能矿震均发生在覆岩承压水位快速下降期间，覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场产生扰动作用，增加高应力煤岩体冲击风险。

(2)开展了不同采动疏水条件下围岩多场响应数值模拟，揭示了覆岩承压含水砂岩层采动疏水对围岩应力场作用机制并得到了其影响因素及规律。采动疏水条件下覆岩承压含水岩层孔隙水压降低，岩层强度和承载能力增大，顶部载荷向两侧转移，导致围岩应力和弹性能增加；其对围岩应力场作用程度与采场尺度和疏放程度正相关，与煤层-承压含水层距离、承压含水层岩层厚度及强度负相关。

(3)分析了巨厚覆岩对围岩动静载应力作用效应，得到巨厚覆岩承压含水层下顶板大尺度悬臂-铰接结构是采场高静载和强动载产生的原因；考虑覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场作用效应，提出了覆岩承压含水层采动疏水诱冲机理，并建立了其诱冲力学模型和诱冲判据，在覆岩承压含水层采动疏水作用下，煤岩体中叠加应力超过其临界载荷且释放的总能量超过其破坏所消耗的能量时诱发冲击地压，其中高静载是冲击地压发生的应力基础，矿震动载和覆岩承压含水层采动疏水导致的应力扰动是重要诱因。

(4)针对覆岩承压含水层采动疏水及巨厚承压含水层覆岩结构对冲击风险的影响特征，提出了巨厚承压含水层注浆堵水和优化盘区尺寸的防冲措施并进行了现场实践。结果表明，试验矿井巨厚覆岩承压含水层下采场倾向尺度应不超过700 m，通过地面注浆和降低采场尺寸能够降低覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场的作用效应、避免巨厚覆岩形成大尺度悬臂-铰接结构，从而降低巨厚承压含水层下冲击地压风险。