夏方遷，曲效成，魏全德，王顏亮，孔 賀

（1.中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京100083；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京100083；3.北京安科興業(yè)礦山安全技術研究院有限公司，北京102299）

回采工作面與采空區(qū)之間留設大煤柱，能夠避免生產過程中氧氣進入采空區(qū)誘發(fā)火災或瓦斯溢出采空區(qū)，同時長時間內保證煤柱具有彈性核區(qū)，具有一定的承載能力[1]，成為巷道支護的一種重要解決方案。國內學者對大煤柱的應力分布規(guī)律[2-3]、煤柱穩(wěn)定性[4]、煤柱合理尺寸的確定[5]等進行了大量的研究，并提出了一些列煤柱穩(wěn)定性控制措施。由于大煤柱留設不可避免的會在煤柱上形成應力集中，當應力集中程度較高、受到震動或開采擾動影響時易造成煤柱的失穩(wěn)，嚴重時誘發(fā)沖擊地壓，亭南煤礦、余吾煤業(yè)等多個礦井都曾發(fā)生過大煤柱礦壓顯現(xiàn)問題。在該型類沖擊地壓研究方面，竇林明等提出了動靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的原理[6-7]，潘俊峰等建立了采空區(qū)頂板斷裂誘發(fā)時滯性沖擊啟動力學模型[8]，姜福興等對震動誘發(fā)型沖擊地壓的預警機制和應用進行了研究[9-10]。在沖擊地壓防治研究方面，齊慶新提出了以應力控制為中心以單位應力梯度為表征的的沖擊地壓控制理論，將超前深孔頂板預裂爆破應用于防沖實踐中[11-12]。劉金海對采用室內試驗和數(shù)值模擬的方法研究了強排粉防治沖擊地壓的機制，并提出了防沖鉆孔間距的計算方法[13]。姜福興等總結大量沖擊地壓的防沖經驗，提出了“強卸壓、強監(jiān)測、強支護”的三強防沖技術[14-15]。潘一山等提出了提高支護剛度和快速吸能讓位支護的沖擊地壓巷道支護思路，并研發(fā)了一種新型防沖吸能巷道液壓支架[16-17]。盡管國內學者進行了大量研究，但多關鍵層控制條件下大煤柱沖擊地壓發(fā)生機理及防控方法，尚無系統(tǒng)的研究成果可應用。

1 工程概況

某礦31102 工作面開采煤層為3-1 煤層，平均厚度5.5 m，為近水平煤層，平均采深約563 m，工作面傾斜長度247 m，走向長度約3 000 m，北側為31101 工作面采空區(qū)，區(qū)段保護煤柱20 m，南側為未開采實體煤區(qū)域，西側為盤區(qū)運輸大巷，工作面位置示意圖如圖1。

圖1 工作面位置示意圖Fig.1 Working face position diagram

依據副立井檢查孔資料，煤層頂板覆巖以砂巖為主，巖層的完整性較好，存在多層厚硬砂巖層，這些巖層隨著覆巖破壞的向上發(fā)展逐漸成為控制覆巖運動的關鍵層，根據關鍵層相關理論[18-20]，確定的31102 工作面覆巖關鍵層分布見表1。從表1 中可以看出，這些巖層分布在煤層頂板上方11.1～475.2 m范圍內，巖層厚度大部分超過30 m，其中主關鍵層厚度可達123.76 m。

表1 煤層頂板厚硬巖層分布Table 1 Key stratum distribution

工作面開采過程中多次出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為動力性冒頂、片幫、單體支柱沖斷、單元支架壓彎等現(xiàn)象。沖擊主要發(fā)生在回風巷煤柱側，沖擊時往往伴隨大能量震動事件。

2 沖擊機理

2.1 煤柱應力

采用FLAC3D對31101 工作面區(qū)段煤柱應力分布進行了數(shù)值模擬?；诠ぷ髅娴刭|及開采條件建立了數(shù)值計算模型，沿x 軸（回采方向）、y 軸（煤層傾向）、z 軸（垂直方向）尺寸分別為64、360、62 m，模型共574 560 個單元、536 315 個節(jié)點，模型上部為應力邊界，初始設置為13.5 MPa（模擬上覆巖層自重），模型下部固定x、y 位移，模型左、右分別固定x位移，模型前、后分別固定y 位移，三維模型如圖2。

圖2 三維模型網格圖Fig.2 Mesh generation of three-dimensional model

采用庫倫-摩爾本構模型，得到的模型平衡后的彈塑性區(qū)分布如圖3。

圖3 煤柱彈塑性區(qū)分布Fig.3 Distribution of elastoplastic zone of coal pillar

從圖3 可以看出，31101 工作面開采后頂?shù)装寰霈F(xiàn)塑性破壞，且塑性區(qū)向實體煤側擴展，表現(xiàn)為實體煤側頂板出現(xiàn)裂隙。煤柱靠近采空區(qū)一側塑性區(qū)范圍約4.7 m，靠近回風巷一側塑性區(qū)范圍約3.5 m，煤柱內仍有寬度11.8 m 的彈性核區(qū)支撐頂板，但由于煤柱兩側塑性破壞，造成煤體應力向煤柱中間轉移形成應力集中。

煤柱的垂向應力分布云圖和曲線如圖4、圖5。

圖4 煤體應力分布云圖Fig.4 Nephogram of coal stress distribution

圖5 側向支承壓力分布圖Fig.5 Distribution of lateral abutment pressure

從圖4、圖5 中可以看出，31101 工作面開采及31102 回風巷掘進后，在采掘空間頂?shù)装逍纬擅黠@的應力降低區(qū)，而在煤柱及31102 工作面實體煤側形成應力升高區(qū)。應力峰值出現(xiàn)在煤柱距離采空區(qū)7.5 m位置處，最大應力值為42.6 MPa，按照采深563 m 計算，垂直方向原巖應力估算為14.08 MPa，煤柱應力集中系數(shù)K=3.02。由此可見，煤柱應力集中程度較高，集聚了較高的彈性變形能，存在較高的靜應力。

2.2 關鍵層斷裂引起煤柱附加動應力

隨著開采尺寸的增加，工作面上覆巖層的斷裂由下而上發(fā)展，覆巖破裂高度不斷增大，直至充分采動，而在工作面推進方向，各關鍵層也以不同的步距依次斷裂，可通過現(xiàn)場微震監(jiān)測數(shù)據分析驗證。31102 工作面推進至“雙見方”期間監(jiān)測到的頂板微震事件分布圖如圖6。

圖6 微震監(jiān)測的巖層斷裂位置分布Fig.6 Distribution of rock fracture monitored by microseism

由圖6 可知：在頂板上方至350 m 范圍內有大量的震動事件產生，事件的能量主要集中在103～105J，且在關鍵層位置大能量事件分布較多。這些震動以應力波形式不斷作用于煤柱上，造成煤柱損傷，當震動事件能量較大、距離煤柱較近時，鍵層斷裂產生的應力波非常復雜，通過理論分析計算得到震動傳遞到巷道表面差生的附加應力及其困難，可通過儀器監(jiān)測巷道表面的質點振速來進行計算：動形成的動應力與煤柱靜應力疊加超過煤柱沖擊的臨界應力σb時，將發(fā)生煤柱沖擊，即σd＋σj＞σb，關鍵層斷裂誘發(fā)沖擊力學模型如圖7。

式中：σnd、σsd分別為震動動載施加給煤體的法向和切向應力降，MPa；ρ 為煤體密度，t/m3；vp、vs分別為P 波、S 波的傳播速度；（vpp）n、（vpp）s分別為煤體質點的法向和切向峰值振動速度，（vpp）n和（vpp）s與震動能量正相關，m/s。

2.3 煤柱沖擊機理

煤柱在側向支承壓力和采動影響下會產生較高的靜應力σj，在多關鍵層斷裂時，又會受到附加的動應力σd影響，煤柱初期仍有一定的彈性核區(qū)支撐頂板，但隨著工作面推進和動應力頻繁作用不斷損傷破壞，承載能力不斷降低。當厚硬關鍵巖層斷裂擾

圖7 關鍵層斷裂誘發(fā)沖擊力學模型Fig.7 Mechanics model of fracture-induced impact

3 實測數(shù)據驗證

3.1 監(jiān)測方法

采用KJ550 煤礦沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)和KJ551 煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)分別對工作面開采期間的煤體應力變化和覆巖斷裂進行監(jiān)測。測點布置如圖8。

圖8 測點布置示意圖Fig.8 Schematic layout of measuring points

其中，工作面2 條巷道各布置4 個拾震傳感器，間距為200～300 m；巷道正幫間隔25 m 布置1 組應力測點、測點深度分別為8、14 m，區(qū)段煤柱上間隔50 m 布置1 個應力測點、測點深度為10 m。

3.2 監(jiān)測結果

選取了2017-08-01—2017-12-30 期間的監(jiān)測數(shù)據進行分析，期間共監(jiān)測到微震事件4 532 個，工作面內出現(xiàn)3 次明顯的礦壓顯現(xiàn)，礦壓顯現(xiàn)情況見表2。由表2 可以看出，31102 工作面礦壓顯現(xiàn)主要發(fā)生在回風巷煤柱側，在超前支承壓力影響范圍內的聯(lián)絡巷口附近。

對3 次礦壓顯現(xiàn)發(fā)生前后應力變化情況、微震事件層位及能量等進行分析，應力及微震監(jiān)測結果見表3。

表2 礦壓顯現(xiàn)描述Table 2 Description of the strata behaviors

表3 應力及微震監(jiān)測結果Table 3 Stress and MS monitoring results

從表3 中可以看出，礦壓顯現(xiàn)發(fā)生前，煤體應力持續(xù)升高，個別測點呈現(xiàn)黃色或紅色預警狀態(tài)，應力監(jiān)測數(shù)據表明煤柱處于高應力狀態(tài)，礦壓顯現(xiàn)發(fā)生時都監(jiān)測到了大能量震動事件，震動事件的能量均大于104J，通過定位分析，事件都發(fā)生在煤層頂板79～131 m 范圍內，即第2～第4 關鍵層位置，可以判斷事件是由于關鍵層斷裂引起，關鍵層斷裂引起的動應力作用于高應力煤柱上造成了造成了礦壓顯現(xiàn)。

以2017-08-19 的礦壓顯現(xiàn)為例，事故發(fā)生位置圖如圖9，事故發(fā)生于ZF36 聯(lián)絡巷附近，在同側的煤柱上安裝有21#、23#煤體應力測點，在回風巷正幫安裝有3#～8#煤體應力測點。礦壓事故發(fā)生前后煤體應力監(jiān)測曲線如圖10。

圖9 2017-08-19 礦壓顯現(xiàn)位置示意圖Fig.9 Position of strata behavior

從圖10 可以看出，礦壓顯現(xiàn)前，煤柱上的應力監(jiān)測點21#、23#應力值持續(xù)上升，其中里事故點最近的21#測點壓力值達到12.3 MPa,出現(xiàn)紅色預警，實體煤一側的應力監(jiān)測曲線相對平緩。之后在距離煤層頂板79 m 的第三關鍵層發(fā)生巖層斷裂，誘發(fā)了此次沖擊地壓事故，事故發(fā)生后，21#測點的應力值出現(xiàn)突降，說明測點深度處煤體已經出現(xiàn)塑性破壞，失去承載力，而煤柱側距離事故點較遠的23#測點及實體煤一側的3#～8#測點煤體應力值均有不同幅度的增長，說明沖擊后支承壓力向遠處煤柱及實體煤一側轉移。

圖10 煤體應力監(jiān)測圖Fig.10 Chart of coal stress

3.3 開采強度對沖擊地壓的影響

沖擊地壓事故與工作面推進速度和微震能量水平之間的關系如圖11。從圖11 可以看出，工作面進尺與當日微震事件能量和呈正相關趨勢，日進尺越大當日的微震能量和越大，即工作面開采強度越大圍巖破壞釋放的能量越大。3 次沖擊地壓事故發(fā)生前的日進尺都在8.5 刀（6.8 m）以上，相應的日微震總能量也都在40 kJ 以上，3 起沖擊地壓事故均發(fā)生在開采強度突增或突降的時間，即高強度開采水平下不平穩(wěn)的開采速度易誘發(fā)沖擊地壓。

圖11 沖擊事故與工作面推進度關系Fig.11 Relationship between impact accident and progress of working face

4 防治措施

1）大直徑鉆孔預卸壓.針對31102 工作面回采期間的礦壓顯現(xiàn)情況，于31102 回風巷進行大直徑預卸壓工作。大直徑卸壓工作超前回采工作面200～300 m。其中，高度危險區(qū)卸壓孔間距為1 m；中度危險區(qū)卸壓孔施工間距為2 m?；仫L巷煤柱側鉆孔深度為10 m，孔徑為150 mm，回風巷正幫卸壓孔深度為20 m，孔經為150 mm。

2）斜交鉆孔大直徑二次卸壓解危。結合煤層應力監(jiān)測及鉆屑檢驗方法確臨場危險區(qū)范圍，解危時采用二次大直徑鉆孔卸壓，將卸壓孔與煤壁水平交角20°～30°之間的布置方式，間距1 m 1 個，在原卸壓孔之間施工，垂直深度不小于10 m，斜交鉆孔二次卸壓示意圖如圖12。

圖12 斜交鉆孔二次卸壓示意圖Fig.12 Schematic diagram of the secondary pressure relief

通過采用“大直徑鉆孔預卸壓＋斜交鉆孔二次臨場解危卸壓”的措施，降低了應力集中程度和增速，將靜應力控制在“較安全”的水平。測點53 出現(xiàn)預警并進行二次卸壓過程的應力曲線如圖13。雖然對煤柱提前采區(qū)了預卸壓處理，但隨著開采，53 測點附近煤柱應力仍增長明顯，并出現(xiàn)黃色、紅色預警，煤炮頻發(fā)，2017-12-09—12-14 開始對測點前后50 m 區(qū)域進行二次卸壓處理，卸壓后應力增長趨勢減緩，在部分二次卸壓孔塌孔后，應力明顯下降，證明了卸壓方案的有效性。

3）控制開采速度。盡量保證工作面低速均勻推進，客觀原因導致工作面停采后，應以較低的初始速度開始推進，并保持該初始速度2～3 d，根據應力-微震監(jiān)測結果調整推進速度。若微震能量釋放平穩(wěn)、無應力預警情況，可適當增大推進速度；若出現(xiàn)應力預警現(xiàn)象，則需先對預警區(qū)域進行處理。

5 結 論

1）31101 工作面煤層上方存在多層厚硬砂巖，成為控制覆巖結構運動的關鍵層及亞關鍵層。

2）區(qū)段煤柱受31101 工作面采空區(qū)側向支撐壓力影響，煤柱應力較高，應力集中系數(shù)為3.02。

圖13 卸壓前后應力變化曲線Fig.13 Stress variation curve before and after pressure relief

3）工作面護巷煤柱受采動影響具有較高的靜應力集中，同時工作面覆巖存在多關鍵層結構，隨著開采進行，當關鍵層斷裂產生的附加動應力與高靜應力疊加之和大于煤柱強度時，煤柱將會發(fā)生沖擊，現(xiàn)場的應力和微震監(jiān)測數(shù)據證明了這一機理。

4）工作面采用“大直徑鉆孔預卸壓+二次斜交鉆孔臨場解危卸壓”的卸壓措施，同時控制開采速度，現(xiàn)場實踐表明該措施有效可靠。