孫劉偉，鞠文君，潘俊鋒，趙忠顯，夏永學，馮美華，付玉凱

(1.煤炭科學研究總院 開采研究分院,北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部,北京 100013; 3.山東龍鄆煤業(yè)有限公司,山東 菏澤 274700)

近年來，伴隨著礦井開采深度與開采強度的增加，我國沖擊地壓災害日益嚴重，沖擊發(fā)生強度和頻度顯著增加，沖擊地壓礦井數量明顯上升，已成為制約深部礦井安全開采的重大動力災害之一[1-2]。深井區(qū)段煤柱是沖擊地壓易發(fā)、多發(fā)、難防治區(qū)域，其沖擊危險性與周圍應力場[3]分布密切相關。姜福興等[4]建立了采場“載荷三帶”覆巖結構模型，可用于區(qū)段煤柱沖擊危險性評價;王書文[5]通過應力監(jiān)測系統(tǒng)實測得到采空區(qū)側向寬煤柱分階段、分區(qū)域受力特征，指出臨空煤柱幫內彈性區(qū)不斷增長的垂直應力是主導沖擊載荷源;潘立友等[6]提出軟弱沖擊層在上部力源層和下部穩(wěn)定層夾持下產生應力集中和能量積聚，外界采掘活動誘發(fā)積聚的能量釋放，是兩軟煤層區(qū)段小煤柱沿空巷道發(fā)生沖擊地壓的主要原因;楊偉利等[7]指出當煤柱沖擊力大于阻抗力時，具有發(fā)生沖擊的危險性;成云海等[8]研究了“應力場特征-減沖”關系，提出了巷道外錯合理位態(tài)減沖設計方法;李學華等[9]基于應力控制和支護系統(tǒng)設計2個方面，提出了沿空掘巷的防沖機理。上述研究多以理論分析、數值模擬為主，具有重要的理論指導意義;而實測研究更貼近現場實際，更具有工程實用價值。

本文以某礦80 m區(qū)段寬煤柱沖擊地壓為例，分析了沖擊地壓致災機制及類型，鑒于靜載荷在沖擊地壓啟動過程中的主導作用，采用震波CT原位探測技術反演沖擊區(qū)域靜載荷分布特征，評估其沖擊危險性，并在此基礎上提出針對性防治方法。

1 工程背景

1301工作面為一采區(qū)南翼西側第2個工作面，埋深約865～970 m，平均煤厚6.8 m，綜放開采，走向長度2 265.8 m，傾向長度223.4 m，工作面西側前部與八里莊支四斷層(H=5～110 m)相鄰、后部隔80 m煤柱與1300工作面采空區(qū)相鄰，東、南兩側為實體煤，北鄰采區(qū)軌道大巷。直接頂為厚1.2 m的砂質泥巖，基本頂為厚12.9 m的中砂巖，底板為厚1.8 m的泥質砂巖。采用鉆孔應力解除法對一采區(qū)進行地應力測量，地應力場以水平應力為主，最大水平主應力為垂直應力的1.40～2.20倍。1301工作面運輸巷位于一采區(qū)背斜構造翼部，初始作為1300工作面泄水巷使用，先于1300工作面回采已施工掘進。

當1300工作面回采496 m時，80 m寬煤柱內發(fā)生2.1×105J大能量事件，經微震定位，震源距1301運輸巷為13 m，距1300回采工作面煤壁為310 m。經現場排查，2 號聯(lián)絡巷以北125～280 m范圍內的1301工作面運輸巷具有不同程度的沖擊破壞現象，破壞嚴重段10 m范圍頂板冒落達2.5～3.0 m，兩幫內擠，巷道斷面由4.8 m×4.0 m縮減為1.1 m×0.8 m;靠近冒頂區(qū)30 m范圍巷道頂板下沉0.5 m;巷道頂板隔爆棚被沖擊脫落，局部兩幫雙抗網開裂，管路、電纜被沖到巷道中部，工作面及沖擊顯現位置如圖1所示，巷道破壞狀況如圖2所示。

圖1 工作面沖擊顯現位置Fig.1 Position of rockburst

圖2 巷道沖擊破壞情況Fig.2 Impact failure of roadway

2 寬煤柱沖擊地壓致災機制分析

2.1 寬煤柱靜載荷分布特征

采用FLAC3D數值軟件，根據工作面開采條件及實驗室測定煤巖體參數，基于摩爾-庫倫本構模型，模擬1300工作面開挖前、后寬煤柱靜載荷分布特征，并提取寬煤柱煤體垂直應力，如圖3所示。

圖3 寬煤柱垂直應力分布Fig.3 Vertical stress distribution in wide coal pillar

兩巷開挖形成后，寬煤柱內靜載荷變化不明顯，此時高自重應力與強構造應力疊加作用，構成寬煤柱沖擊地壓發(fā)生的基礎靜載荷。1300工作面開采后，側向支承壓力影響范圍約為120 m，寬煤柱震源位置煤體應力σ=34 MPa>2σc，已具備沖擊地壓發(fā)生的沖擊臨界支承壓力條件[10]。當1301工作面回采后，寬煤柱受到兩側支承壓力疊加影響，靜載荷水平將明顯提高，應力峰值向煤柱深處轉移，沖擊危險性進一步增大。采空區(qū)側向支承壓力為寬煤柱沖擊地壓發(fā)生的增量靜載荷。

2.2 寬煤柱靜載荷演化規(guī)律

當應力集中超過極限后煤巖體突然破壞釋放能量產生微震事件，可通過其時空分布特征反映寬煤柱靜載荷演化規(guī)律[11]?；凇白罴袲值”設計準則，除1300回采工作面前方布置ARAMIS M/E微震系統(tǒng)探頭外，1301工作面運輸巷補充布置了拾震器，使得寬煤柱區(qū)域處在探頭-拾震器包絡的區(qū)域內，保證了定位精度，實時記錄了本次沖擊區(qū)域微震活動全過程。微震事件(≥102J)平面投影如圖4所示。

圖4 微震演化平面投影Fig.4 Plane of microseismic events

當1300工作面回采至沖擊區(qū)域時(圖4(a))，微震事件分布靠近寬煤柱內側(采空區(qū)側44 m范圍)，3次方微震事件較多，主要為1300工作面采空區(qū)低位頂板回轉下沉導致應力升高;伴隨著工作面逐漸遠離(圖4(b))，微震事件分布向寬煤柱外側(1301工作面?zhèn)?轉移，表明采空區(qū)側向支承壓力向外側轉移;此后，該區(qū)域仍有微震活動(圖4(c))，表明1300工作面采空區(qū)側向高位覆巖仍在回轉下沉加載煤巖體[5]，造成寬煤柱內煤巖體應力持續(xù)升高，彈性應變能不斷積聚;直至寬煤柱內彈性變性能超過煤巖體動力破壞的最小能量時，發(fā)生沖擊破壞(圖4(d))。

2.3 寬煤柱沖擊地壓致災機制

經鑒定，3 號煤層具有弱沖擊傾向性，頂板巖層具有強沖擊傾向性，已具備發(fā)生沖擊地壓的內在條件;高自重應力、強構造應力提供基礎靜載荷，采空區(qū)后方持續(xù)增長的側向支承壓力提供了增量靜載荷，當兩者疊加導致寬煤柱垂直應力超過沖擊臨界支承壓力時，為沖擊地壓的發(fā)生提供了力源條件。并且，沖擊震源距1300工作面煤壁310 m，已不再受到1300工作面采動影響，因此該沖擊地壓屬于靜載荷型，防治應以調控靜載荷為主。

3 主導沖擊啟動的寬煤柱靜載荷震波CT原位探測

基于靜載荷在寬煤柱沖擊地壓啟動過程中的主導作用[12]，并且空間賦存狀態(tài)較為明確，因此采用震波CT原位探測技術實際揭示寬煤柱靜載荷分布是評估其沖擊危險性、制定針對性防沖方案的基礎。

3.1 震波CT原位探測理論基礎

震波CT(震波層析成像)原位探測技術采用波蘭PASAT-M型便攜式微震系統(tǒng)，通過檢波器接收人為爆破激發(fā)的穿越工作面煤巖體的縱波走時信號。縱波在走時成像的情況下以射線形式在探測區(qū)域介質內傳播，將“激發(fā)點-檢波器”包絡的探測區(qū)域劃分為一系列小矩形網格，通過高頻近似反演，走時成像公式可表示為

(1)

式中，ti為縱波走時,ms;dij為第i條射線在第j個網格中的射線路徑長度;M為射線總數;N為網格數量。

表示為矩陣方程形式為

T=D·S

(2)

式中，T為縱波走時列向量;S為慢度向量;D為射線長度矩陣。

通過聯(lián)合迭代重建算法(SIRT)進行速度場圖像重建，可獲得煤巖體內部波速分布情況。

研究表明，沖擊地壓多發(fā)生在高應力區(qū)及應力異常區(qū)，對應速度場圖像中縱波波速區(qū)及波速梯度區(qū)，因此，建立以波速異常系數CA和波速梯度系數CG為主要因子的沖擊地壓危險性評估模型[13]:

(3)

利用PASAT-SSA震波CT后處理軟件進行反演計算，最終形成沖擊危險性指數C值分布云圖，C值與沖擊危險等級對應標準[13]見表1。當C<0.25時，無需處理，當C≥0.25時，需根據不同危險等級進行相應的卸壓及解危處理。震波CT原位探測技術以穿透煤巖體的實際震動波射線進行波速反演，可有效反映實際條件下煤巖體內靜載荷分布特征及結構特性，實現大范圍靜載荷探測，較常規(guī)解析和數值方法更真實、全面，但該技術觀測系統(tǒng)的布置受到井下采掘空間、炸藥激發(fā)震動波能量等客觀條件限制[12]。

3.2 震波CT原位探測方案

為掌握80 m寬煤柱的靜載荷實際分布狀態(tài)，考慮1301工作面運輸巷沖擊地壓顯現區(qū)域分布情況、工作面條件及設備探測能力，采用近完全觀測系統(tǒng)觀測方式(兩邊布置激發(fā)震源、一邊布置接收探頭)可提高數據覆蓋率，能有效提高探測精度。因此，沖擊發(fā)生后，在煤柱內鉆取65 m深孔，孔內按炮間距5 m布置激發(fā)震源炮至孔口，并在1301運輸巷按炮間距10 m、孔深2 m補充設計激發(fā)炮，每炮裝藥量為200 g，一炮一放，短斷觸發(fā);采集端檢波器布置在80 m寬煤柱內原有2號聯(lián)絡巷，道間距為7 m，觀測系統(tǒng)布置如圖5所示。設定檢波器采樣頻率為2 000 Hz，增益20 dB，采樣長度0.5 s，每次激發(fā)有11通道檢波器同時接收信號。

表1沖擊危險等級分類
Table1Classificationofrockbursthazardlevel

C值<0.250.25～0.500.50～0.750.75～1.00等級無弱中強

圖5 寬煤柱沖擊危險指數分布Fig.5 Distribution of burst hazard indices in wide coal pillar

3.3 寬煤柱沖擊危險性評估

圖5為80 m寬煤柱探測區(qū)域沖擊危險性指數C分布圖，圖中以藍色到紅色從小到大來代表探測區(qū)域內沖擊危險性指數，區(qū)域內C最大值為0.7，最小值為-0.5?？梢钥闯?

(1)寬煤柱測區(qū)內約2/3區(qū)域沖擊危險指數C=0.5～0.7，對照表1，表明80 m寬煤柱仍然存在靜載荷集中區(qū)域，整體具有中等沖擊危險。

(2)寬煤柱運輸巷側沖擊危險指數較采空區(qū)側高，表明采空區(qū)側煤柱已塑性破壞，承載能力低，導致應力向運輸巷側轉移，靜載荷集中程度高。

(3)在沖擊震源區(qū)域，-0.50

4 基于靜載荷疏導的多層次防控技術

基于震波CT探測反演結果，為阻止寬煤柱靜載荷型沖擊地壓發(fā)生啟動，關鍵在于避免畸高靜載荷的產生，削弱寬煤柱彈性能積聚水平，實現的主要技術途徑有以下3種:

(1)大直徑鉆孔預卸壓。

在1301運輸巷兩幫超前工作面350 m范圍內實施大直徑鉆孔卸壓，鉆孔直徑125 mm，間距1 m，工作面?zhèn)茹@孔深度25 m，煤柱側鉆孔深度為50 m，使得應力集中區(qū)向深部轉移，耗散彈性核區(qū)積聚的彈性變性能[14]。

(2)降低開采擾動。

統(tǒng)計對比分析1301工作面微震活動規(guī)律與推進度的關系如圖6所示，日進尺為2.4 m時微震頻次和能量較為平穩(wěn)，日進尺為3.2 m時微震活動較為劇烈，因此，確定合理日進尺為2.4 m，均勻推進。

圖6 微震活動與推進度關系Fig.6 Relationship of microseismic activities and advancement

(3)巷道全斷面補強支護。

對1301運輸巷沖擊地壓顯現及巷道破碎、變形嚴重的區(qū)域進行返修處理，巷道斷面擴刷至設計尺寸，支護布置如圖7所示，頂板采用φ22 mm×2 500 mm高強左旋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1 000 mm;采用φ21.6 mm×7 300 mm錨索配合L4.0 m T型鋼帶加強支護，錨索間排距1 800 mm×1 300 mm，鋼帶順巷道方向布置，間距1.3 m。兩幫采用φ20×2 500 mm等強右旋螺紋鋼錨桿，間排距700 mm×2 000 mm;采用φ21.6 mm×4 300 mm錨索加強支護，間排距1 200 mm×2 000 mm;錨桿索均配合L1.6 m W型鋼帶支護，改良圍巖應力狀態(tài)，提高圍巖抗沖擊能力[15-17]，降低沖擊地壓顯現程度。

圖7 巷道補強支護設計Fig.7 Support reinforcement design

由于大直徑鉆孔預卸壓造成寬煤柱深部煤體松散破碎，施工的65 m爆破激發(fā)孔塌孔嚴重無法布置激發(fā)震源，未能實現卸壓后的震波CT探測檢驗。在寬煤柱布置了應力及微震監(jiān)測系統(tǒng)，回采過程中監(jiān)測應力未發(fā)生突增，微震能量及頻次變化平緩，目前，1301工作面已安全回采寬煤柱區(qū)。

需要指出的是，上述防沖方案只是針對已經出現沖擊危險的區(qū)段煤柱采取的補救性措施。要從根本上避免或消除區(qū)段煤柱沖擊地壓，應以靜載荷區(qū)域疏導為防治理念[18]，避免煤柱內形成高應力集中為原則，在工作面開采設計階段超前防范，采用小煤柱或無煤柱護巷技術是解決煤柱沖擊地壓的有效路徑。

5 結 論

(1)高自重應力、強構造應力為沖擊啟動提供基礎靜載荷，采空區(qū)后方持續(xù)增長的側向支承壓力提供了增量靜載荷，當兩者疊加導致寬煤柱垂直應力超過沖擊臨界支承壓力時，為靜載荷型沖擊地壓的發(fā)生提供了力源條件，因此，防治應以調控靜載荷為主。

(2)基于靜載荷是沖擊地壓啟動的基礎，采用震波CT原位探測技術反演得到寬煤柱沖擊危險指數C=0.5～0.7，表明沖擊發(fā)生后，寬煤柱仍然存在靜載荷集中區(qū)域，具有中等沖擊危險。

(3)為阻止寬煤柱靜載荷型沖擊地壓發(fā)生啟動，制定了“大直徑鉆孔預卸壓-降低開采擾動-巷道全斷面補強支護”的多層次防沖技術，現場監(jiān)測應力未發(fā)生突增，微震能量及頻次變化平緩。

(4)以靜載荷區(qū)域疏導為理念，探索采用小煤柱或無煤柱護巷技術是防治煤柱沖擊地壓的有效路徑。