吳 波

(中國中煤能源集團(tuán)有限公司 生產(chǎn)運(yùn)營指揮中心，北京 100120)

煤層開采后，地層的原始應(yīng)力狀態(tài)被破壞，從而致使應(yīng)力重新分布，而煤柱的存在進(jìn)一步導(dǎo)致采場圍巖應(yīng)力環(huán)境惡化，當(dāng)煤柱承受的應(yīng)力超過自身強(qiáng)度時，將引起煤柱周邊應(yīng)力的不均衡分布。在兩側(cè)采空條件下，殘留寬煤柱內(nèi)應(yīng)力多呈“鐘形”對稱分布，煤柱邊緣發(fā)生破壞成為塑性區(qū)[1]，煤柱邊緣失去約束后形成的自由面也容易使煤壁發(fā)生破壞[2]；在地質(zhì)構(gòu)造以及采空區(qū)轉(zhuǎn)移支承應(yīng)力的影響下，煤柱上的應(yīng)力分布不均會對圍巖穩(wěn)定性造成很大影響[3]，應(yīng)力分布嚴(yán)重不均時會造成沖擊地壓事故。

為分析煤柱失穩(wěn)的致災(zāi)機(jī)制，王連國[4]等曾采用突變理論建立了金礦礦柱失穩(wěn)的一個尖點突變模型，并據(jù)此對礦柱失穩(wěn)破壞發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了分析；潘岳[5]等建立了煤柱失穩(wěn)的折迭突變模型；孫劉偉[6]等利用數(shù)值模擬及微震數(shù)據(jù)研究了寬煤柱沖擊地壓的致災(zāi)機(jī)制，并采用震波CT原位探測技術(shù)評估了寬煤柱區(qū)域的沖擊危險性。謝文兵[7]等對三河尖煤礦9202工作面的開采實際模擬分析了近距離煤層群開采時，上部煤層開采后遺留煤柱對下部煤層開采的影響，并為現(xiàn)場沖擊地壓防治提供了理論指導(dǎo)；洛鋒[8]等結(jié)合實際地層的模擬分析，利用數(shù)值模擬建立的力學(xué)模型研究并確定了不同開采條件下工作面前方煤體應(yīng)力疊加重點位置，并提出了工作面前方煤體高應(yīng)力的深擴(kuò)區(qū)和淺擴(kuò)區(qū)的初步劃分；朱衛(wèi)兵[9]等利用物理模擬及數(shù)值模擬方法對下煤層工作面采動時上覆房采煤柱群的動態(tài)失穩(wěn)過程進(jìn)行了研究，對淺埋近距離煤層開采房式煤柱群動態(tài)失穩(wěn)致災(zāi)機(jī)制進(jìn)行了分析；王浩[10]等研究得出采區(qū)煤柱覆巖結(jié)構(gòu)、應(yīng)力偏量、礦震事件會隨工作面回采發(fā)生變化，并因此而誘發(fā)沖擊礦壓；楊偉利等[11]通過理論計算和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)在回采時工作面超前支承壓力和煤柱原有應(yīng)力疊加，造成沖擊力大于阻抗力，沖擊危險性大大增強(qiáng)；曹明輝[12]等通過UDEC數(shù)值模擬研究了斷層煤柱寬度的大小對斷層活化失穩(wěn)與斷層煤柱內(nèi)部能量變化的影響，發(fā)現(xiàn)工作面與斷層之間的煤柱上支承壓力與彈性應(yīng)變能隨煤柱寬度的減小而呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢，當(dāng)斷層煤柱寬度處于某一值時，需要采取必要的災(zāi)害防治措施，為實際生產(chǎn)中不同開采條件下防沖提供了理論指導(dǎo)。

而受煤礦初期開采未能科學(xué)規(guī)劃的影響，多煤柱擾動誘發(fā)的沖擊地壓事故仍時有發(fā)生。因此，本文針對山西中煤擔(dān)水溝礦工程地質(zhì)建立多類型煤柱擾動致沖模型，獲得不同煤柱的擾動危險區(qū)域，以期提前在沖擊危險區(qū)域采取卸壓措施，從而避免多煤柱擾動誘發(fā)沖擊地壓施工，以期保證工作面的正常生產(chǎn)。

1 工程地質(zhì)

1.1 綜放采場工程地質(zhì)概況

擔(dān)水溝礦采用斜井開拓，劃分+1030和+980兩個水平，+1030水平沿4#煤層布置，+980水平沿9#煤層布置，兩煤層的傾角均約為5°，層間距51.6m。9#煤層9203工作面走向長1189m，傾斜長210m，埋深356～440m，平均埋深392m；采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤法回采，全部垮落法管理頂板。煤層厚度為12.6～15.6m，平均13.0m，采高3.5m，采放比1∶2.7，煤層硬度f=2.7；煤層傾角平均5°，直接頂細(xì)砂巖、泥巖厚度3.48m，直接底為泥巖、砂質(zhì)泥巖厚度為3.56m，其中9#煤層及其頂板為Ⅲ類強(qiáng)沖擊傾向性巖層，底板為Ⅱ類弱沖擊傾向性巖層。受礦井開采布置和接替影響，該工作面周圍分布有多種不同類型的煤柱，工作面位置如圖1所示。

圖1 9203工作面巷道布置及擾動致沖危險區(qū)域示意圖

9203綜放工作面位于9#煤軌道大巷北側(cè)，自北向南回采，西側(cè)為礦界保安煤柱，東部為9202綜放工作面采空區(qū)，與9202工作面回風(fēng)巷間隔25m的區(qū)段煤柱。同時，9203工作面上方為2019年3月剛回采結(jié)束的4#煤層4203工作面采空區(qū)。根據(jù)采掘接續(xù)計劃，9203工作面在4203工作面開采結(jié)束后再進(jìn)行回采；4#煤層平均厚度4.74m，采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，4203工作面與9203工作面的位置關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，9203工作面與4203工作面基本重疊布置，但4202工作面運(yùn)輸巷與4202工作面運(yùn)輸巷間留設(shè)有寬約25m的區(qū)段煤柱，并對底板產(chǎn)生影響。同時，9203工作面終采線距4203工作面終采線水平距離約106m，即9203工作面開采時經(jīng)4203工作面終采線煤柱下方通過；且9203工作面終采線超前9202工作面終采線水平距離約250m，即9203工作面開采后期將受9202工作面終采線煤柱側(cè)向擾動影響。因此，9203工作面受臨近9202工作面區(qū)段煤柱及其終采線煤柱、上覆遺留區(qū)段煤柱及上覆終采線煤柱應(yīng)力集中擾動影響，開采時極易誘發(fā)沖擊地壓事故，應(yīng)預(yù)測煤柱擾動沖擊危險區(qū)域并采取監(jiān)測防控技術(shù)以避免多煤柱擾動致沖事故，從而保障礦井正常安全生產(chǎn)。

圖2 9203工作面與4203工作面位置關(guān)系剖面示意圖

1.2 上覆采場沖擊破壞特征

受采場超前支承壓力與煤柱應(yīng)力集中影響，2017年1月17日10時45分，4#煤層4203綜采工作面運(yùn)輸巷轉(zhuǎn)載機(jī)前方曾發(fā)生沖擊地壓引起的頂板事故，并造成了重大安全事故。根據(jù)現(xiàn)場沖擊破壞狀況，上覆采場沖擊破壞具有明顯的分段特征，端頭破壞最嚴(yán)重，向外由冒頂垮幫段逐漸過渡至正常。同時，頂?shù)装宄霈F(xiàn)大幅度移近，轉(zhuǎn)載機(jī)嚴(yán)重傾斜并與頂板緊貼，錨桿、錨索大量拉斷，超前支護(hù)范圍內(nèi)單體支柱壓彎，工作面前方140m處底板臺階式鼓起，臨近垮冒區(qū)的3組離層儀鋼絲被巖層剪斷等，破壞具有典型的動力破壞特征。

2 綜放開采多煤柱擾動致沖危險性

結(jié)合9203綜放采場圍巖煤柱分布狀況，可分別分析9203工作面?zhèn)认颉⑸细策z留區(qū)段煤柱及終采線煤柱的擾動致沖危險性，以確定不同類型煤柱的擾動危險區(qū)域。

2.1 側(cè)向區(qū)段煤柱擾動致沖危險性

為分析9203工作面與9202工作面間區(qū)段煤柱的擾動危險性，建立了側(cè)向煤柱擾動致沖的計算模型，如圖3所示。σf、σs分別為9203工作面的超前支承壓力、9202工作面的采空區(qū)側(cè)向支承壓力，其應(yīng)力集中系數(shù)分別為k1、k2。

圖3 側(cè)向煤柱擾動應(yīng)力集中示意圖

在區(qū)段煤柱及巷道圍巖煤巖體內(nèi)，側(cè)向支承壓力σs與超前支承壓力σf疊加，則9203工作面圍巖體垂直應(yīng)力σz為：

σz=σf+σs=k1γH+k2γH

(1)

式中，γ為上覆巖層的平均體積力，kN/m3；H為煤層埋深，m。

當(dāng)區(qū)段煤柱內(nèi)煤體支承壓力σz超過其極限抗壓強(qiáng)度Rc時，則煤柱內(nèi)煤體將具備失穩(wěn)的應(yīng)力判別條件，可表達(dá)為[13]：

Ic=σz/Rc

(2)

式中，Ic為煤柱內(nèi)煤體的穩(wěn)定性指數(shù)，Ic≥1.0時煤柱處于失穩(wěn)的臨界應(yīng)力狀態(tài)；Rc=k0σc，k0為考慮煤體彈塑性的抗壓強(qiáng)度增高系數(shù)；σc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa，k0=[(D-2L)/D]×kmax+(2L/D) ×kmin；D為區(qū)段煤柱煤體寬度，m；L為煤體兩側(cè)的塑性區(qū)寬度，m；三向應(yīng)力狀態(tài)下kmax取大值5，巷幫處kmin取1。

根據(jù)極限平衡理論，塑性區(qū)寬度L即采空區(qū)側(cè)向支承壓力峰值與煤柱邊緣之間的距離為[14]：

式中，M為煤層采高，m；C為煤體的粘聚力，MPa；φ為煤體的內(nèi)摩擦角，(°)；f為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù)；p1為煤幫的支護(hù)阻力，MPa；ε為三軸應(yīng)力系數(shù)，ε=(1+sinφ)/(1-sinφ)。

根據(jù)9203工作面實際，M取煤層平均厚度13m，C=6.8MPa，σc=19.4MPa，D=25m，φ=20°，f=0.34，忽略支護(hù)阻力作用，p1取0，γ=27kN/m3，H=392m；k1和k2一般取2～3[14]，兩者均取大值3，則ε=2.03，L=7.2m，k0=2.7，Ic=1.21。因此，Ic≥1.0，煤柱處于失穩(wěn)的臨界應(yīng)力狀態(tài)，并在9203工作面運(yùn)輸巷兩幫7.2m范圍深度內(nèi)形成煤柱擾動的巷道圍巖淺部煤體致沖危險區(qū)域，如圖1所示。

2.2 上覆遺留區(qū)段煤柱擾動致沖危險性

為分析上覆遺留區(qū)段煤柱對下伏采場的擾動致沖危險性，建立了上覆遺留區(qū)段煤柱的擾動致沖危險區(qū)域計算模型如圖4所示。

圖4 上覆遺留區(qū)段煤柱擾動致沖危險區(qū)域計算模型

設(shè)上覆遺留區(qū)段煤柱擾動傳遞至下伏煤層的應(yīng)力為σd，下伏煤層開采后在超前支承壓力σf及σd疊加作用下，下伏采場圍巖應(yīng)力σz增高，即：

σz=σf+σd

(4)

當(dāng)9203工作面圍巖體在9202工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響范圍內(nèi)時，則：

σz=σf+σs+σd

(5)

與側(cè)向區(qū)段煤柱整體失穩(wěn)致沖不同，下伏采場煤體在上覆遺留區(qū)段煤柱的較小擾動作用下即可導(dǎo)致局部煤體沖擊，設(shè)遺留煤柱內(nèi)集中應(yīng)力在底板的擾動影響角度為β，煤層傾角為α，4#煤層與9#煤層層間距dq，9202運(yùn)輸巷外錯距離為aq，則根據(jù)三角形勾股定理，可求出上覆遺留區(qū)段煤柱對下伏采場的擾動影響區(qū)域Lq為：

式中，θ=90°+(α-β)。

因此，可根據(jù)式(6)，并結(jié)合下伏采場超前及側(cè)向支承壓力與上覆遺留區(qū)段煤柱的擾動應(yīng)力疊加程度，計算遺留區(qū)段煤柱的擾動致沖危險區(qū)域。

因此，上覆4#煤層遺留區(qū)段煤柱對9203工作面的擾動危險區(qū)域為：沿工作面傾向，運(yùn)輸巷至采場深部約39.8m區(qū)域及區(qū)段煤柱。

2.3 終采線煤柱擾動致沖危險性

由于9203工作面與上覆4203工作面在平面上基本重疊布置，在4203采空區(qū)底板卸壓作用下，9203工作面致沖危險性降低；但9203工作面需經(jīng)4203終采線與4#煤大巷之間形成的遺留終采線煤柱下方開采，且在終采線下方開采的距離約106m。與上覆遺留區(qū)段煤柱的擾動致沖危險區(qū)域計算類似，上覆終采線附近煤柱沿采場推進(jìn)方向?qū)Φ装瀹a(chǎn)生擾動應(yīng)力σd，如圖5所示。

圖5 上覆終采線煤柱應(yīng)力擾動區(qū)域計算圖

根據(jù)圖5，當(dāng)9203工作面進(jìn)入4203工作面終采線擾動區(qū)域時，上覆終采線煤柱對底板產(chǎn)生的應(yīng)力和下伏采場超前支承壓力疊加，下伏采場在上覆終采線煤柱的較小擾動作用下即可導(dǎo)致局部沖擊，結(jié)合應(yīng)力的擾動影響角可以計算下伏采場致沖危險區(qū)域距上覆終采線的水平距離Lt為：

Lt=(dq+M)·tanβ-L

(7)

上覆終采線煤柱與下伏采場的超前支承壓力峰值距煤壁距離L與側(cè)向基本相同，則9203工作面應(yīng)在距上覆4203工作面終采線以外約47m距離時提前做好防沖工作。

同時，9203工作面終采線距9202工作面終采線的距離約250m，回采至9202工作面終采線附近時，9202工作面終采線區(qū)域超前支承壓力與9203工作面超前支承壓力疊加，可能使9202工作面終采線至9203終采線距離內(nèi)的側(cè)向區(qū)段煤柱及采場端部區(qū)域形成沖擊危險。且區(qū)域內(nèi)存在F36斷層，斷層貫穿9203工作面，在高應(yīng)力疊加作用下，斷層可能活化[15]，并對9203工作面及兩工作面間回采巷道產(chǎn)生擾動，易誘發(fā)沖擊地壓事故。

3 綜放開采多煤柱擾動防沖及監(jiān)測控制

3.1 綜放開采多煤柱擾動防沖控制

9203工作面開采前，應(yīng)對擾動區(qū)域內(nèi)煤體實施大直徑鉆孔預(yù)卸壓或爆破卸壓，降低采場圍巖體的應(yīng)力集中程度，從而使煤巖體不滿足沖擊地壓的應(yīng)力判別條件，以避免沖擊地壓事故。同時，9203工作面回采時，應(yīng)控制采場推進(jìn)速度，推進(jìn)速度過高或過低均易造成應(yīng)力集中而誘發(fā)沖擊地壓，現(xiàn)場應(yīng)結(jié)合應(yīng)力和微震監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整推進(jìn)速度，避免誘發(fā)沖擊地壓。

在斷層影響區(qū)域，若巷道留設(shè)底煤，應(yīng)對留底煤區(qū)域采取預(yù)卸壓措施。針對采場整體防沖，可在采場內(nèi)部施工鉆檢孔，并結(jié)合應(yīng)力和微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測，對采場內(nèi)擾動危險區(qū)采取超前卸壓措施。對9203工作面?zhèn)认騾^(qū)段煤柱，回采期間區(qū)段煤柱易積聚大量彈性能，故優(yōu)先采用大直徑卸壓或加強(qiáng)應(yīng)力監(jiān)測；若應(yīng)力集中程度較高，大直徑鉆孔施工速度慢或解危效果不明顯時，補(bǔ)充實施煤層卸壓爆破、頂板預(yù)裂爆破或水力壓裂等措施。

夫詩文人之月，無所真得，無所真見，口耳之月也。詩顛酒狂之月，醉生夢死之月也。惟周茂叔之月，寂乎其月之體，感乎其月之用，得夫性天之妙而見夫性天之真，自有不知其我之為月而月之為我也，所謂曾點之浴沂，孔子之老安少懷，二程子之吟風(fēng)弄月、傍柳隨花，朱紫陽之千葩萬蕋爭紅紫者是已。蓋與天地萬物為一體者也，上下與天地同流

過9202工作面終采線及上覆4203工作面終采線煤柱擾動危險區(qū)域時，應(yīng)采取以下防沖措施：①保持工作面穩(wěn)定均速回采，割煤時，合理控制煤機(jī)割煤速度，保證支架工能夠?qū)崿F(xiàn)跟機(jī)拉架，超前移架，帶壓擦頂移架；②安排專人巡查、觀測工作面上下兩巷超前200m內(nèi)巷道的支護(hù)質(zhì)量、片幫、離層和錨桿、錨索變形、破斷、缺失等現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)安全隱患或異常必須及時匯報并采取有效措施；③加強(qiáng)工作面液壓支架及控制系統(tǒng)檢修，杜絕自卸、竄液、漏液等現(xiàn)象，及時更換破損、損壞的管路及元件，保證所有支架均達(dá)到初撐力；④加強(qiáng)應(yīng)力和微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，必要時開展鉆屑法檢驗。

3.2 綜放開采多煤柱擾動致沖監(jiān)測防控

為實時監(jiān)測9203工作面的應(yīng)力變化，在9203工作面安裝了一套KJ550煤體應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)和一套KJ551微震監(jiān)測系統(tǒng)，以進(jìn)行沖擊地壓危險程度的實時監(jiān)測預(yù)警和預(yù)報。

3.2.1 煤體應(yīng)力監(jiān)測

煤體應(yīng)力測站布置在9203工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷中的工作面實體煤側(cè)，測站間距20～25m，每個測站內(nèi)設(shè)置兩個測點，測點間距1m，第一組測點與切眼間距不大于20m。應(yīng)力測點施工?42mm鉆孔，孔深為8m和14m兩種，均大于L=7.2m，鉆孔距巷道底板1.0～1.5m，平行煤層。

3.2.2 微震監(jiān)測

在9203工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷各布置3臺拾震傳感器共6個微震監(jiān)測點，靠近工作面一側(cè)的傳感器距工作面煤壁不大于200m，每臺傳感器間距200m，兩回采巷道微震傳感器布置呈“V”型或交錯型布置，對9203工作面形成環(huán)狀包圍。同時，工作面推采過程中及時挪移巷道拾震傳感器，每當(dāng)傳感器距工作面30m時向外轉(zhuǎn)移，保證傳感器與工作面相距100～200m有效監(jiān)測范圍。

3.2.3 鉆屑檢驗預(yù)警

在9203工作面未受采動影響區(qū)域，施工了5個鉆孔，直徑42mm，深度15m以上，間距10m以上，記錄了每孔每米的鉆屑量，并用加權(quán)平均法處理得到了標(biāo)準(zhǔn)鉆屑量，以此作為沖擊地壓危險的鉆屑量臨界值，其鉆屑量指數(shù)見表1。

表1 沖擊地壓危險性的鉆屑量指數(shù)

注：鉆屑量指數(shù)=每米實際鉆屑量/每米正常鉆屑量；正常鉆屑量為在正常應(yīng)力區(qū)測定的鉆屑量。

若實際煤粉量超過臨界煤粉量，或鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)卡鉆、吸鉆、煤炮增多等動力現(xiàn)象，則可判定所測地點存在沖擊危險，必須采取解危措施。

3.2.4 監(jiān)測防控效果

9203工作面回采后，在2019年12月28日至2020年1月27日期間，連續(xù)監(jiān)測了30d內(nèi)運(yùn)輸巷擾動致沖危險區(qū)內(nèi)4個應(yīng)力測點的應(yīng)力變化并統(tǒng)計獲得了采場內(nèi)的微震事件分布特征如圖6所示。

由圖6(a)可知，采取大直徑鉆孔卸壓措施后，運(yùn)輸巷內(nèi)各測點的應(yīng)力變化曲線較平穩(wěn)，各測點的應(yīng)力介于3～5MPa，無明顯的應(yīng)力突增現(xiàn)象，應(yīng)力測點無預(yù)警。根據(jù)圖6(b)(c)，回采期間，9203工作面的微震事件主要集中在工作面及頂、底板20～30m范圍內(nèi)，高位頂板震動事件發(fā)育較少，監(jiān)測期間采動影響未造成高位頂板明顯失穩(wěn)運(yùn)動，穩(wěn)定性較好。工作面超前范圍回風(fēng)巷側(cè)有一處震動事件聚集區(qū)，可能受局部構(gòu)造影響使得圍巖活動較劇烈；其他區(qū)域分布整體無規(guī)律。同時，監(jiān)測期間，微震事件日均發(fā)生頻次為43個，日均事件能量為72589.3J，微震事件能量和數(shù)量均較小，在采動影響下，9203工作面微震事件能量較低，未出現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警。因此，故采取大直徑鉆孔卸壓措施后，9203工作面多煤柱擾動致沖的危險性大大降低，結(jié)合煤體應(yīng)力、微震監(jiān)測及鉆屑檢驗可有效實現(xiàn)對多煤柱的擾動致沖預(yù)警，從而避免沖擊事故發(fā)生。

圖6 9203工作面應(yīng)力及微震監(jiān)測效果圖

4 結(jié) 論

1)結(jié)合現(xiàn)場實測，得出上覆采場沖擊破壞具有明顯的分段特征，端頭破壞最嚴(yán)重，且破壞具有典型的動力破壞特征。

2)建立了不同類型煤柱應(yīng)力擾動的計算模型，獲得了不同類型煤柱的擾動致沖危險區(qū)域，并指出：側(cè)向區(qū)段、上覆遺留區(qū)段、上覆終采線及側(cè)向終采線煤柱的擾動致沖危險區(qū)域分別為所擾動巷道兩幫7.2m以淺區(qū)域、沿采場傾斜方向區(qū)段煤柱至采場端頭以里39.8m區(qū)域、上覆終采線至采空區(qū)深部47m區(qū)域及側(cè)向終采線起點至本工作面終采線區(qū)域范圍內(nèi)的側(cè)向區(qū)段煤柱和采場端部區(qū)域。

3)提出了以鉆孔卸壓，并結(jié)合煤體應(yīng)力、微震監(jiān)測及鉆屑檢驗預(yù)警為主的多煤柱擾動防沖和監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，在采動及多煤柱擾動作用下，擾動致沖危險區(qū)內(nèi)的應(yīng)力測點及采場微震事件未出現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。