随着浅部矿物资源逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部，千米深井的深部资源开采逐渐成为资源开发新常态^[1]。深部开采基础静载荷充足，冲击地压发生门槛降低，远场高位覆岩结构调整、近场低位顶板垮断，都可以提供冲击动载荷源，煤岩系统往往同时受到高静载、交变载荷和冲击载荷之间组合作用，在受到坚硬岩层结构失稳、断层活化滑移等产生动载叠加影响时，极易造成强烈冲击地压^[2-3]。矿井构造特征控制了井田地应力场的分布格局，造成了主应力大小和方向的变化，地应力分布受断层数量、断层走向和开采活动的影响较大^[4-5]。大倾角工作面垂直应力在倾向方向上呈非对称分布影响，进一步增加了采动应力场的复杂程度^[6]。采煤机自开回撤空间的回撤工艺具有较长的回撤周期，随着工作面覆岩稳沉，工作面顶板压力逐渐增加，液压支架对工作面围岩控制起主要作用，液压支架回撤可能导致顶板稳定变差，顶板活动增加顶板动载发生可能性，并改变工作面应力分布。深部构造区工作面回撤期间，冲击风险受到大倾角、厚硬顶板及复杂覆岩结构等多因素共同作用及相互之间连锁作用影响，冲击地压风险高，防治难度大。

王联合等^[7]、王普等^[8]研究了断层构造区应力分布特征，在构造应力、支承压力与采掘动载扰动影响下，断层两盘附近都将承受冲击潜在危险；谭云亮等^[9]研究发现断层面（带）具有明显的“隔震”效应，断层倾角、断层破碎带厚度对断层面（带）的“隔震”作用影响较大；朱贵旺等^[10]研究了断层带岩体劣化过程的微震事件分布及震源参数的响应特征，揭示了诱发微震响应的力学机制；王同旭等^[11]研究工作面开采遇断层时断层渐进破坏过程及能量释放规律，采动影响下距煤层较近的顶底板处断层垂直应力增大致侧压系数减小是断层活化失稳的原因；周睿^[12]研究了逆断层影响区域煤体在采动路径下的力学特征；王宏伟等^[13]研究了冲击地压与断层构造失稳的多物理场互馈机制，岩层运动与断层滑移的耦合作用是断层失稳的主要原因，伴随的位移场缓急突变、应力场正剪分化和能量场激增滞后等多物理场演化是冲击地压发生的前兆特征；王志强等^[14]研究了临近断层工作面采动诱冲规律，开采深度、断层内摩擦角、断层黏聚力对断层冲击地压的影响依次减小；谢志红等^[15]研究了断层构造、邻近采空区侧向支承压力与工作面回采超前支承压力多重叠加影响下回采巷道非对称稳定性规律，提出高强度、高刚度和非对称特性的新型锚网支护方案维护构造区巷道围岩；卓俊勇等^[16]针对大采高工作面终采线邻断层无预掘回撤通道回撤问题，研究了回撤通道距断层距离与围岩变形量及应力之间关系；牛田瑞等^[17]研究了近距离煤层重复采动条件下近断层保护煤柱开采与覆岩结构演化—矿压显现与应力传递—围岩稳定与控制之间的关系；方珍珠等^[18]针对工作面末采期间矿压剧烈显现致顶板维护难度增加问题，提出了回撤空间大破裂深度顶板层次控制原理，设计了以中长锚索为主导的回撤空间顶板层次控制方法实现顶板控制。前人针对断层构造应力分布规律、滑移失稳及冲击地压机理、临近断层回撤围岩控制等开展了研究，但针对深部断层构造区多冲击因素叠加影响下大倾角工作面回撤期间致冲机理与防治技术研究匮乏。为此，以潘西煤矿深部6199工作面为背景，采用理论分析、数值模拟，结合现场数据，研究深部构造区大倾角工作面回撤致冲机理与冲击风险，提出卸压-支护协同防冲技术，为类似条件工作面回撤冲击地压防治提供参考。

1.   工程背景

潘西井田基本构造形态属简单的单斜构造，井田地质构造复杂，以断层为主，区内共有大中型断层28条，其中落差H≥100 m的6条，50≤H<100 m的6条；20≤H<50 m的13条；5≤H<20 m的3条。矿区边界F_y、F_f、F_q、F₆断层为高角度正断层，井田内以低角度正断层为主，逆断层少见，仅在东、西翼各有1条落差小于20 m的逆断层，分别为F₁₄、F₁₆断层。

潘西煤矿19煤层为冲击地压煤层，顶板具有弱冲击倾向性，煤层及底板为无冲击倾向性。6199工作面井下标高−957~−1 092 m，埋深1 178~1 332 m，为井田埋深最大工作面，煤层厚度0.05~3.30 m，平均2.8m，倾角26°~32°，平均30°，煤层赋存较为稳定，结构复杂。工作面直接顶为厚度6.5 m的粉砂岩，钙泥质胶结，层理节理发育，性脆易碎易垮落，普氏硬度系数3.0~4.0，基本顶为厚度19.0 m的中砂岩，坚硬稳固不易垮落，普氏硬度系数6.0。

6199工作面位于井田深部复杂地质构造区域，停采位置前方25~40 m发育F₁逆断层（H=3.5~4.5 m∠25~32°），工作面沿断层倾向布置，向断层下盘推采。工作面当前停采位置基本顶厚硬岩层被F₁逆断层低倾斜切割。6199工作面开采及周边情况如图1。

图  1  6199工作面开采及周边情况

Figure  1.  Mining and surrounding situation of 6199 working face

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2.   工作面回撤致冲机理

2.1   工作面冲击载荷源

研究表明^[19-20]，深部开采冲击地压存在深部动静载叠加型、深部高静载加载型、深部高静载卸荷型3种类型，煤岩体是冲击地压灾害发生的直接载体，地应力形成的静载荷和工程扰动形成的动载荷是冲击地压灾害发生的直接诱因。

2.1.1   静载因素

潘西6199工作面为矿井埋深最大工作面，埋深1 178~1 332 m。深部矿井因埋深大，自重应力、水平应力等基础静载荷相对充足^[21]。矿井地应力在断层之间、断层的交汇处及断层下盘发生显著的变化，表现为应力集中、水平主应力差值增大、方向重大偏转及百米地应力增量增大，且位置不同，地应力存在明显的分异性^[22-23]。逆断层是受到挤压形成的，岩层内部积聚大量的弹性能，尽管岩体发生塑性屈曲和断裂将消耗很大一部分能量，但断层体内仍存有弹性能或残余应力^[24]。工作面所处矿井断层构造复杂，发育多条大型断层构造，工作面回撤区域前方25~42 m被F₁逆断层沿工作面倾向近垂直切割，工作面当前位于断层下盘。故而，工作面处于受高自重应力与复杂构造应力共同影响。

6199工作面一侧采空，前方1条老巷与工作面斜交，工作面开采与巷道开挖扰动煤岩体，围岩应力重新分布，在井巷工程密集区域，易形成应力集中，造成静载升高。6199工作面前方老巷、上巷及断层间大尺寸三角煤柱，上巷与相邻6198采空区形成17 m宽区段煤柱，工作面受断层切割形成宽度25~42 m断层煤柱，在煤柱去应力集中程度较高。大倾角作用下，采场应力呈非对称分布，工作面前方处于复杂高静载环境。

工作面原始应力场、构造应力场、采动应力场均相较一般工作面复杂，叠加影响下致使工作面处于复杂高静载环境中，发生冲击的静载条件较为充足。工作面煤柱示意图如图2。

图  2  工作面煤柱示意图

Figure  2.  Schematic diagram of coal pillar at workface

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2.1.2   动载因素

6199工作面基本顶为厚坚硬中砂岩，在前方逆断层低倾角切割下。工作面顶板结构力学模型如图3。

图  3  工作面顶板结构力学模型

Figure  3.  Mechanical model of workface roof structure

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岩块A在上盘岩层、直接顶及后方砌体岩梁的约束下处于平衡状态。后方采空区砌体岩梁在其上覆岩层压力下发生缓慢的沉降，基本顶岩块A在后方砌体岩梁的影响下具有向后方回转的倾向，工作面回撤期间，液压支架撤离过程中，顶板活动带动基本顶岩块A向后方采空区回转，基本顶在逆断层面靠近尖角薄弱区易发生破断，甚至基本顶运动可能导致工作面失稳引发断层构造活化，产生强动载。

工作面回撤期间具备了发生高静载加载型及动静载叠加型冲击地压的载荷条件。

2.2   工作面回撤致冲机理

通过对6199工作面冲击载荷源分析，可知该工作面处于复杂高静载环境，回撤过程具备了动载产生条件，在回撤过程中可能发生高静载加载型冲击、动静载叠加型冲击地压发生。6199工作面回撤致冲过程如图4。

图  4  6199工作面回撤致冲路径

Figure  4.  The path of 6199 work face retracement inducing rock burst

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工作面回撤前，基本顶在前方煤体、工作面液压支架、砌体岩梁共同作用下处于平衡体系中。工作面回撤期间，随着液压支架撤离，对顶板支撑力削弱，上覆岩层压力转移至前方煤体，导致超前应力升高，处于持续加载状态，由于前方煤体处于复杂高静载环境下，不同位置加载状态不同，局部区域煤岩体承担载荷可能超过所能承受的极限载荷，发生高静载加载型冲击地压。在此过程中，液压支架逐渐撤离致使顶板-支架平衡体系逐渐被打破，基本顶向后回转的倾向增加，在覆岩压力、构造应力共同作用下，顶板产生变形甚至活动，断层切割作用下基本顶前方尖角薄弱区破断产生动载，甚至引发工作面失稳致使F₁逆断层构造上、下盘平衡破坏诱发断层构造活化产生动载，动载通过煤岩体传递至局部区域高静载煤岩体与其叠加，发生动静载叠加型冲击地压。

2.3   工作面回撤冲击风险分析

工作面液压支架均匀布置了9个阻力测点，每3个监测点为1组，分别为下部、中部、上部监测组。停采至回撤前微震预警事件平面位置如图5，停采至回撤前微震事件特征统计如图6，停采至回撤前各监测组液压支架阻力统计如图7。

图  5  停采至回撤前微震预警事件平面位置

Figure  5.  Plane location of micro-seismic warning events from stop mining to retracement

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图  6  停采至回撤前微震事件特征统计

Figure  6.  Characterization statistics of micro-seismic events from stop mining to retracement

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图  7  停采至回撤前各监测组液压支架阻力统计

Figure  7.  Hydraulic support resistance statistics for each monitoring group from stop mining to retracement

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工作面停采期间共发生了3次大能量微震预警事件，1月7日、1月26日2次微震事件发生在F₁逆断层构造区域，分别位于工作面上部上盘及中部断层下盘。

由图6可以看出，微震事件单日最大能量普遍在2 500~5 000 J之间，单日累计事件能量普遍在2 500~10 000 J之间；局部单日最大能量、单日累计事件能量会出现突增的情况。从微震监测结果判断工作面停采期间前方区域岩层活动频繁，尤其靠近逆断层上、下盘岩层活动较为剧烈。基本顶岩块A在周围岩层活动作用下可能发生破断，进而导致工作面失稳诱发活化，产生动载。

由图7可知，前2次1月7日、1月26日大能量微震预警事件发生前后，液压支架阻力产生了明显的波动；在2月15日至3月5日大能量微震预警事件前的时间，液压支架阻力呈增加趋势，随着时间阻力增长趋势愈发明显；在3月5日大能量微震预警事件发生前较近一段时间增长较快，3月5日微震预警后液压支架阻力维持在2 000~2 400 kN之间波动变化。结合微震与液压支架阻力变化，判断顶板活动将导致工作面压力升高或者波动，致使煤岩体进入加载状态，局部高静载区可能达到极限载荷发生高静载加载型冲击。

工作面前方岩层处于活跃状态，上部靠近断层区域活动剧烈，岩层剧烈活动导致工作面压力升高，致使煤岩体进入加载状态，局部高静载区首先达到极限载荷发生高静载加载型冲击。同时，岩层剧烈活动将导致工作面基本顶岩块A在尖角薄弱区破断，甚至引发工作面失稳诱发断层活化产生动载，发生动静载叠加型冲击。工作面发生高静载加载型、动静载叠加型冲击风险较大。

3.   工作面应力分布数值模拟

3.1   数值模拟模型

为研究深部构造区大倾角工作面应力分布规律，采用FLAC^3D有限差分数值模拟软件建立的数值模拟模型如图8。

图  8  数值模拟模型

Figure  8.  Numerical simulation model

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模型尺寸长×宽×高=600 m×500 m×400 m，地层倾角取倾角30°。采用Interface单元模拟f₁逆断层构造，断层走向平行于地层倾向，断层倾角30°，断层距6199工作面停采位置水平距离取平均值30 m，断层面力学参数：法向刚度、切向刚度5.15 GN/m，内摩擦角20°。

模型底部边界固定，顶部施加21.25 MPa垂直应力，四周按照1.3倍侧压系数施加27.63 MPa水平应力。模型选用Mohr-Coulomb本构模型，煤岩层及断层面物理力学性质见表1。

表  1  模型物理力学参数

Table  1.  Model physico-mechanical parameters

名称	密度/ （kg·m−3）	体积模 量/GPa	剪切模 量/GPa	黏聚力/ MPa	内摩擦 角/（°）	抗拉强度/ MPa
上覆岩层	2 680	3.62	9.28	4.80	29	3.20
直接顶	2 587	1.74	5.22	6.00	30	2.50
基本顶	2 671	5.36	19.16	3.20	40	3.80
煤层	1 430	0.06	0.41	0.34	29	0.40
底板	2 680	3.62	9.28	6.50	30	4.50

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6199工作面一侧为6198采空区，工作面倾向长度取150 m，开采顺序为6198、6199工作面，走向开采长度各为500、350 m，布置4类测线。模型测线布置示意图如图9。

图  9  模型测线布置示意图

Figure  9.  Schematic layout of model measurement lines

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3.2   工作面应力分布规律

工作面沿走向测线垂直应力变化曲线如图10，工作面前方沿倾向测线垂直应力变化曲线如图11，图11中，x轴0刻度为上巷下帮。

图  10  走向垂直应力变化曲线

Figure  10.  Strike vertical stress curves

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由图10可知：工作面至断层面应力升高至峰值后开始降低，过断层小幅度升高后又逐渐降低至原岩应力，在老巷两侧应力近似呈“M”形变化，靠近上巷的测线应力水平高，工作面与断层间断层煤柱应力集中程度较明显。

图  11  倾向垂直应力变化曲线

Figure  11.  Vertical stress variation curves in inclined direction

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由图11可知：靠近工作面的测线应力水平更高，相邻测线间差值逐渐降低，靠近上巷区域应力水平明显高于下巷，在老巷两侧应力升高。

6199工作面区段煤柱应力变化曲线如图12，图12中x轴0刻度为煤柱上边界；工作面下巷下帮应力变化曲线如图13，图13中x轴0刻度为下帮边界。

图  12  区段煤柱垂直应力变化曲线

Figure  12.  Vertical stress change curves of coal pillar in section

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图  13  下巷下帮垂直应力曲线

Figure  13.  Vertical stress curves of the lower side of the lower tunnel

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由图12和图13可知：区段煤柱应力曲线近似呈向上巷偏转“M”形，靠近采空区侧煤柱应力集中程度高于上巷侧，距工作面越近煤柱应力水平越高。相比之下，区段煤柱应力集中程度更高。

工作面整体应力水平较高、应力分布复杂，在工作面至断层面、区段煤柱及三角煤柱区域应力分布相对集中，应力在倾向方向上呈现非对称分布特点，更增加了工作面应力分布的复杂程度，工作面处于复杂高静载环境下，回撤期间顶板活动扰动影响下易发生高静载加载型冲击地压。

3.3   基本顶最大剪切应力分布规律

为研究工作面基本顶断层切割岩体应力分布特点，取沿工作面走向测线1-1、1-5位置垂直剖面最大剪切应力进行分析，基本顶最大剪切应力云图如图14。

图  14  基本顶最大剪切应力云图

Figure  14.  Cloud view of maximum shear stress at the basic roof

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由图14可知：工作面前方基本顶受断层低角度切割，在工作面前方断层上盘与直接顶间基本顶尖角区为最大剪切应力集中区，在靠近工作面上巷的1-1测线剖面剪切应力集中程度明显高于靠近工作面下巷的1-5测线剖面。因此，在回撤期间顶板发生活动，靠近工作面区域基本顶在高剪切应力集中作用下更易在尖角薄弱区发生破断产生动载，发生动静载叠加型冲击。

4.   卸压-支护协同防冲技术与效果

4.1   卸压技术方案

6199工作面回撤期间，前方煤岩体处于复杂高静载环境，同时受动载威胁。诱发深部冲击地压启动具有2大途径^[25]：① 动、静载荷叠加途径；② 纯静载荷叠加途径。针对诱发冲击启动的静、动载荷源为中心开展分源防治。

4.1.1   大直径钻孔卸压

在工作面及巷道煤体采用大直径钻孔卸压，增加塑性区范围，以弱化煤壁应力集中程度，降低工作面及巷道帮部高静载加载型冲击风险。卸压孔布置情况如图15。

图  15  卸压孔布置平面示意图

Figure  15.  Schematic layout of pressure relief drilling holes

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1）卸压范围。6199采煤工作面煤壁及2条巷道超前工作面200 m范围巷道两帮。

2）卸压孔参数。钻孔直径150 mm，煤壁煤厚小于2 m的区域钻孔深度20 m，煤厚大于2 m的区域卸压深度25 m，2条巷道实体煤帮卸压孔深度15 m，上巷区段煤柱侧孔深10 m。卸压孔距巷道底板0.5~1.5 m，角度垂直巷道走向、平行于煤层层面。煤壁及距离工作面60 m范围的巷道卸压孔间距2 m，2条巷道60~200 m范围卸压孔间距3 m。

4.1.2   断层爆破卸压

在6199上巷对F₁逆断层上盘基本顶实施预裂爆破，钻孔数量1个，岩体在爆破应力波作用下破裂，以诱导断层构造应力及下盘基本顶弹性应变能释放，降低动载产生可能性及影响程度。顶板预裂钻孔示意图如图16。

图  16  顶板预裂钻孔示意图

Figure  16.  Schematic diagram of pre-cracked drill holes in roof

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1）爆破孔参数。钻孔直径≥75 mm，在6199上巷生产帮距F₁断层面10 m上盘处布置倾向炮孔，钻孔走向方位角0°，与煤层之间夹角45°，孔深46 m。

②装药参数。装药线密度≥2 kg/m，装药长度10 m，封孔长度36 m，装药不耦合系数1.3。

4.2   防冲支护方案

矿井冲击地压灾害发生过程伴随着大量能量的释放，高静载和高动载是能量的主要来源，能量释放一部分被围岩以及支护体系吸收，一部分以动能形式作用煤岩体发生冲击地压释放。防治冲击地压发生的2个基本方向为减小冲击地压带来的冲击能量以及增大整个支护体系的能量吸收能力^[26]。

6199工作面回撤期间，在治理高静载、动载以降低冲击地压能量源基础上，采用强化工作面冲击风险区支护强度以提高吸收能量的能力，作为辅助防冲手段。具体为：① 巷道补强支护，排查原支护体是否存在腐蚀失效现象，并对失效支护体及时替换；② 巷道两帮采用锚索配合桁架进行补强支护，保证支护体安装质量和锚固强度；③ 工作面上巷距离工作面180 m范围内进行加强支护，采用单体支柱配合顶梁补强支护，架间距≤1 m。

4.3   工作面回撤技术工艺及顶板控制

回撤期间工作面顶板控制支护示意图如图17。

图  17  回撤期间工作面顶板控制支护示意图

Figure  17.  Schematic diagram of roof control support for workface during the retracement period

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1）回撤工艺。采煤机自开回撤空间。

2）回撤流程。①回撤通道掘进：采煤机向前推采6 m形成回撤通道，期间每推采1刀后，及时进行顶板、煤壁支护，采煤机推采形成回撤通道期间液压支架不跟进；②回撤其他设备：工作面巷道超前支架，工作面割煤机、刮板输送机以及其他与回撤无关设备依次撤出；③冲击地压监测：采用煤壁钻屑法和应力在线监测、液压支架阻力监测，结合区域微震监测的方法监测矿压与顶板运动；④液压支架回撤准备工作：前移液压支架与回撤通道煤壁距离4 m，留足液压支架调向空间，将端头2架掩护支架调向，形成回撤区与垮落区的有效安全隔离；⑤回撤液压支架：液压支架从下巷端向上巷回撤，回撤期间下巷禁止行人。

3）冲击地压监测方案。监测方案为微震台网的布置应覆盖回撤区域，且保证最少5个微震探头同时覆盖；钻屑法监测钻屑孔孔口距巷道底板0.5~1.5 m，仰角沿煤层倾斜角度，平行于煤岩层面，孔深10 m，孔间距不超过30 m；应力在线监测每20 m 1组，每组2个，埋设深度分别为5、10 m，每组2个测点间距1~2 m，安装位置为距底板0.5~1.5 m，初始应力值5 MPa；液压支架阻力监测与原监测方案一致，留置的液压支架中均匀布置了9个液压支架阻力测点，每3个监测点为1组，分别为下部、中部、上部监测组。

4）顶板控制方案。工作面顶板活动是回撤期间冲击发生的关键，回撤期间需要对顶板加强控制，以降低回撤对顶板活动的影响。工作面回撤部分液压支架，采用均匀留置支架并结合主动支护的顶板控制方法；设计液压支架按照回撤3架、留置1架的比例依次从下巷端向上巷回撤，共计回撤支架75 架，均匀留置支架48 架，并采用微震、钻屑法、应力在线监测、液压支架阻力监测方法监测顶板运动与矿压，根据监测数据分析，优化液压支架留置数量。

4.4   工作面回撤期间矿压分析

6199工作面于2022年5月21日安全回撤完成，回撤期间工作面煤壁与巷道钻屑量和应力监测数据未出现明显的升高的情况。回撤期间微震事件、液压支架阻力监测情况如图18~图19。

图  18  回撤期间微震事件特征统计

Figure  18.  Characteristics of micro-seismic events during retracement statistics

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图  19  回撤期间液压支架阻力统计

Figure  19.  Hydraulic support statistics during retracement

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由图18和图19可知：回撤期间微震单日最大能量、累计能量、微震次数均较小，液压支架阻力未发生明显变化，在2 000~2 400 kN范围内波动变化，说明回撤期间工作面岩层未发生明显活动，工作面前方压力无明显变化，回撤未对煤岩体形成高强度扰动影响，卸压-支护协同防冲技术效果较好。

5.   结　语

1）深部构造区6199工作面，在大埋深、断层构造、大倾角、煤柱等因素共同作用下致使工作面处于复杂高静载环境，工作面上部逆断层切割基本顶尖角区剪切应力明显集中，易破断产生动载。工作面具备了高静载加载型、动静载叠加型冲击载荷条件。工作面回撤期间液压支架撤离，顶板支撑力削弱，上覆岩层压力转移至前方导致超前应力增加，前方煤体处于复杂高静载加载状态，局部煤岩体承受载荷超过极限载荷发生高静载加载型冲击，顶板剧烈活动致使基本顶破断产生动载，可能诱发发生动静载叠加型冲击。

2）工作面停采后，在前方逆断层上、下盘均发生了2次大能量微震预警事件，发生位置在靠近断层构造上巷与工作面倾向中部附近，期间微震事件释放能量较大，微震预警事件前后液压支架阻力存在波动，第3次微震预警事件后液压支架阻力明显升高，工作面前方岩层剧烈活动，将会导致工作面前方压力升高，煤岩体进入持续加载状态，及顶板破断引发动载，高静载加载型冲击或动静载叠加型冲击风险较高。

3）依据工作面回撤致冲机理与冲击风险因素，提出卸压-支护协同防冲技术，即采用大直径深孔降低高静载影响，工作面上部基本顶进行深孔预裂释放应力，降低动载产生可能性及影响，强化上、下巷支护，工作面留设液压支架控制顶板。回撤期间矿压监测数据无明显升高，回撤未对工作面煤岩体形成高强度扰动影响，卸压-支护协同防冲技术效果较好。