王 超，孔令海，王光民，張 勇，韓寧寧，孫麒鵬

(1.兗礦集團有限公司 防沖研究中心，山東 濟寧 272102；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

沖擊地壓是煤礦深部開采的主要風險之一，其致災因素復雜多樣[1-3]。工作面受側向和超前采動覆巖的集中荷載作用，鄰空巷道煤柱集中應力是影響沖擊地壓發(fā)生的主要因素之一[4-7]。因此，確定合理的煤柱寬度及防沖方案，是工作面沖擊地壓防治的重點。工作面區(qū)段煤柱寬度的確定是開采設計的重要內容，其留設寬度決定著資源回收與采掘接續(xù)、沿空工作面及巷道圍巖應力破壞狀態(tài)及沖擊地壓等[8-13]，尤其是進入深部開采后，工作面開采面臨應力環(huán)境惡化、圍巖強度劣化及結構性失穩(wěn)、圍巖大變形、沖擊地壓等諸多問題[14-18]，需要綜合考慮上覆巖層運動、側向支承壓力、沖擊地壓防治及巷道圍巖控制的影響[19-21]，區(qū)段煤柱合理寬度的選取顯得更加重要。鄂爾多斯地區(qū)是我國重要煤炭基地之一，為適應高產(chǎn)高效需要，深部礦井仍沿用了淺埋條件下適于大型現(xiàn)代化裝備的高效開采方案，即：工作面集中布置、順序開采、寬煤柱留設、大斷面巷道設計。由于沒有考慮深部開采造成的沖擊地壓防治問題，工作面區(qū)段煤柱較寬[22-26]，造成沿空開采中多次發(fā)生沖擊地壓。

由于礦井所在地區(qū)深部開采小煤柱沿空開采的防沖經(jīng)驗不多，針對鄂爾多斯深部開采工作面區(qū)段煤柱防沖問題，以石拉烏素煤礦1201工作面為背景，研究了采動覆巖的荷載變化規(guī)律及區(qū)段煤柱不同承載狀態(tài)下沿空開采沖擊地壓發(fā)生機制與工程實踐，實現(xiàn)了防沖安全。

1 工程背景

石拉烏素井田位于呼吉爾特礦區(qū)，開采的2-2煤層具有弱沖擊傾向性。1201工作面為一側沿1217工作面采空區(qū)開采，沿空巷道選用小煤柱護巷方案，區(qū)段煤柱寬度為5 m。

工作面整體為一單斜構造，煤層傾角平均約2°，傾角變化最大約5°。工作面煤層偽頂、直接頂為厚度0.12～0.79 m的煤巖互層，強度較低；基本頂為厚度7.8～19.7 m(平均15.82 m)的中細砂巖，f=3.5；直接底為砂質泥巖，厚度0～6.35 m(平均2.25 m)，f=1.5；老底為中細砂巖，厚度0～18.81 m(平均10.85 m)，f=3。1201工作面沿空巷道沿煤層底板布置，煤層厚度5 m，埋深600～700 m，直接頂為砂質泥巖，基本頂為粉砂巖，直接底一般為砂質泥巖。煤層及頂?shù)装鍘r層綜合柱狀見表1。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r層綜合柱狀統(tǒng)計

2 覆巖荷載與煤柱應力遷移關系

2.1 覆巖結構及荷載遷移關系

長壁工作面煤層開采后，頂板巖層的運動下沉，造成采場礦壓及其顯現(xiàn)，依次形成不同的覆巖破壞形態(tài)，即：冒落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶。進入深部開采后，工作面上覆巖層整體厚度及運動時間增大，在采空區(qū)周邊煤體形成更高集中荷載。在煤壁內部形成高應力集中區(qū)，致使支承壓力升高。

沿空開采時，采場覆巖最大斷裂高度約為首采工作面的2倍，沿空側向覆巖結構及荷載遷移關系如圖1所示。煤層采出后，近場厚硬巖層先斷裂下沉，隨工作面推進，距采場較遠厚硬巖層發(fā)生彎曲下沉和斷裂下沉，作用于沿空煤體的荷載持續(xù)增加，直至觸矸后進入相對穩(wěn)定狀態(tài)。其間，采動覆巖荷載遷移過程分別經(jīng)歷緩增、急增、緩增三個階段，致使煤體應力集中區(qū)發(fā)生遷移，支承壓力峰值增大。

圖1 側向采動覆巖結構及荷載遷移傾向剖面

2.2 采動覆巖荷載遷移與煤柱應力遞增關系

在采動覆巖運動及荷載遷移過程中，側向巖重荷載作用區(qū)域向深部轉移擴大，造成沿空煤體側向高應力區(qū)遷移擴大，支承壓力峰值升高、影響范圍擴大，煤柱區(qū)支撐的采動覆巖荷載及其與煤層應力集中區(qū)遷移關系如圖2所示。

*沿空巷道與采空區(qū)距離關系：s—小煤柱；m—大煤柱；w—寬煤柱；側向煤體支承壓力分布曲線：a—沿空工作面采前；b—沿空工作面初采；c為沿空工作面采中

根據(jù)礦山壓力與巖層控制理論，上覆巖層運動包括彎曲下沉和斷裂下沉兩種形式，巖重荷載從形成到加載有一個時間過程，分別經(jīng)歷緩增階段、急增階段、緩增階段三個主要遷移階段，造成煤體應力集中區(qū)遷移，支承壓力峰值增大。在深部采場，各巖層組之間的差異性，造成其下沉運動的非同步性和覆巖結構形式的多變性，其下沉量及對下部巖層加載速度各異。選用小煤柱開采方案時，煤柱區(qū)采動覆巖集中荷載與煤體支承壓力分布關系如圖2所示。由圖2，煤柱支撐巖重荷載Q為：

式中，Qi為某巖層組巖重，Qi=γihi，kN/m3；n為直接作用于煤柱區(qū)的巖層組數(shù)目(未出現(xiàn)離層的巖層組合數(shù)量)；hi為各巖層組合的厚度，m；γi為各巖層組合的平均容重，kN/m3；Li為各傳遞巖梁的跨度，m；ki為各巖層組合形成的覆巖結構作用于煤柱區(qū)的巖重荷載集中系數(shù)(重量比例)。

沿空工作面開采前，煤柱區(qū)支撐近場覆巖結構的集中荷載Q1，對應側向支承壓力分布曲線a；隨工作面推進，超前采動覆巖發(fā)生斷裂下沉，較遠場覆巖結構集中荷載Q2形成增量k1Q2，煤柱區(qū)支撐荷載增加，支承壓力大小及分布范圍增大，對應側向支承壓力分布曲線b；一定條件下，遠場采動覆巖斷裂下沉，煤柱區(qū)增量荷載k2Q3進一步增大，煤體側向支承壓力大小及分布范圍也增加，對應側向支承壓力分布曲線c。同時，隨沿空工作面推進，對超前區(qū)域，煤柱還會受覆巖結構的超前影響，導致煤體超前支承壓力進一步增大。

因此，在深部開采中，沿空工作面留設煤柱寬度越大，煤柱區(qū)支撐的采動覆巖集中荷載越大，這也是鄂爾多斯深部煤礦沿空工作面發(fā)出多次沖擊地壓的主要影響因素之一。因此，從資源最大化開采和防沖安全考慮，留設小煤柱為深部工作面沖擊地壓防治的最優(yōu)方案。

2.3 沿空工作面沖擊地壓發(fā)生機制

近水平煤層單個工作面開采后，采空區(qū)周圍巖層運動處于非充分采動階段，巖層破裂高度約為采空區(qū)寬度的一半。采空區(qū)上覆巖層的運動是以巖層組為單位的，每一巖層組中的厚硬巖層作為控制層，控制著該巖層組的運動和變形。各巖層組在工作面前方產(chǎn)生離層，離層出現(xiàn)在上方巖層組的關鍵層和下方巖層組的軟弱巖層之間，采空區(qū)一側離層端的連線稱為巖層移動線，該線與水平線的夾角α稱為巖層移動角。采空區(qū)一側煤體的側向支承壓力σ由自重應力σq和應力增量Δσ等兩部分組成[19]，即：

σ=Δσ+σq

(2)

式中，Δσ等于采空區(qū)上方各關鍵層懸露部分傳遞到一側煤體上的壓力之和，即Δσ=∑σi；σi為第i層關鍵層懸露部分傳遞到一側煤體上的壓力，i=1～n。

每個堅硬厚巖層組懸露部分傳遞到采空區(qū)一側煤體的重量為其重量的一半，傳遞到采空區(qū)一側煤體的應力增量呈梯形分布，如圖3所示。

圖3 側向支承壓力計算模型

則第i個巖層組傳遞到采空區(qū)一側煤體的應力增量為：

式中，σmaxi為第i層巖組作用在采空區(qū)側煤體的最大支承壓力，σmaxi=Qi/Hicotα；Mi為第i層巖層組厚度；Hi為第i層巖層組厚度中心到煤層底板的距離，Hi=I+Mi/2+ΣMj(j=1～i-1)；2I為采空區(qū)寬度；Qi為第i層巖層組在采空區(qū)懸露部分重量的一半，Qi=LiMiγ/2；Li為第i層關鍵層厚度中心位置在采空區(qū)的懸露長度，Li=2I+2Hicotα；γ為巖層容重。

將n個巖層組懸露部分產(chǎn)生的應力增量疊加，從而得到應力增量Δσ。自重產(chǎn)生應力σq為：

式中，H為采深，m；γ為巖層容重，t/m3；α為巖層移動角，(°)。

考慮到基巖厚度較大，取巖層移動角α為81°，采深685 m，工作面傾斜長300 m，得分段函數(shù)中自變量計算區(qū)間：[0，26]、[26，67]、[67，108]、[108，134]、[134，+∞]。

簡化計算過程，將彎沉帶以上巖層作為一個巖組，則其厚度M1為685 m。工作面參數(shù)代入式(2)—(4)，巖層容重γ為2.5 t/m3，得側向支承壓力壓力計算公式為：

計算得到，煤體側向支承壓力峰值位置距采空區(qū)約80 m，支承壓力峰值約為67 MPa；側向距采空區(qū)134 m以外范圍為原巖應力區(qū)。

因此，在鄂爾多斯深部沿空工作面開采中，在走向和傾向采動覆巖集中荷載聯(lián)動作用下，超前區(qū)域大煤柱支承壓力升高是沖擊地壓發(fā)生的根本原因。

3 增量荷載作用下煤柱破壞規(guī)律數(shù)值模擬

3.1 實體煤巷道圍巖破壞

以石拉烏素礦1201工作面為背景，建立數(shù)值模型，模擬主運巷在靜載和沖擊條件圍巖受力及破壞特征，如圖4所示。由圖4分析可知，掘進成巷期間，巷道圍巖變形量、塑性區(qū)范圍較小。工作面采動影響下，選取超前工作面10 m的巷道可以看出，巷道變形破壞程度加大，圍巖塑性區(qū)大大擴展；巷道位移工作幫大于實體煤幫，頂板下沉量相比掘進期間明顯增大。

圖4 不同荷載作用下實體煤巷道圍巖塑性區(qū)分布

考慮工作面上覆巖層運動誘發(fā)的震源沖擊作用，分析圖4可知，震源沖擊對巷道圍巖的位移和塑性區(qū)產(chǎn)生了明顯的影響，沖擊能量越大，巷道表面位移和塑性區(qū)越大。最大位移發(fā)生在巷道頂部，當沖擊能量為105J時，震源處塑性區(qū)和巷道頂部塑性區(qū)沒有貫通，頂部位移也較小，這說明當沖擊能量小于105J時，巷道圍巖不會發(fā)生整體失穩(wěn)破壞；當沖擊能量達到106J以上時，巷道頂部塑性區(qū)和震源沖擊處的塑性區(qū)相互貫通，巷道頂部嚴重破壞，現(xiàn)場表現(xiàn)為頂板冒落。隨著頂板沖擊能量的增大，底板位移量和塑性區(qū)也明顯增大，但底板破壞程度明顯小于頂板破壞。

3.2 急增荷載作用下小煤柱巷道圍巖破壞特征

沿空工作面開采時，上區(qū)段工作面采后未破斷的上覆巖層破斷下沉，上覆巖層運動高度增大，采動覆巖水平方向的影響范圍也增大。當上覆巖層中存在堅硬厚巖層時，該巖層組的荷載作用在煤層，造成圍巖應力升高和彈性能積聚。建立尺寸為400 m×200 m×150 m數(shù)值模型，劃分114500節(jié)單元和106312個節(jié)點。原巖應力按實測數(shù)據(jù)施加，在建模過程中嚴格按照地質剖面圖的尺寸，坐標系采用直角坐標系，規(guī)定向上為正。邊界條件為：上部為自由邊界，四周和底部采用鉸支條件。巷道頂板12 m層位震源在不同能量沖擊荷載作用下圍巖塑性區(qū)如圖5所示。

圖5 不同荷載作用下沿空巷道圍巖塑性區(qū)分布

圖6 工作面超前120 m小煤柱護巷情況

由圖5可知，小煤柱沿空掘巷巷道掘進期間在無支護條件下巷道塑性區(qū)范圍就比較大，煤柱基本整體都處于塑性狀態(tài)，承載能力已經(jīng)變得比較低。巷道頂板下沉量較大，下沉最大的區(qū)域位于頂板靠近煤柱幫側。煤柱幫位移量相對于工作面更大，煤柱承載能力有限，應提高煤柱幫圍巖綜合支護性能。

4 沿空小煤柱巷道防沖實踐及效果

4.1 沿空工作面下小煤柱安全穩(wěn)定分析

根據(jù)前述分析，沿空工作面回采后，按5 m計算，由式(5)，沿空巷道小煤柱區(qū)域的側向支承壓力約7.1 MPa，煤柱無沖擊危險。因此，從防沖角度，小煤柱方案大大降低了大煤柱方案造成的沖擊危險性，使得巷道布置在低應力區(qū)，有利于防沖安全。但是，對沿空巷道實體煤區(qū)域，側向支承壓力的高應力區(qū)為距離采空區(qū)40～108 m范圍，煤體側向支承壓力超過沖擊地壓臨界值，巷道面臨沖擊危險?？紤]工作面超前支承壓力影響，該區(qū)域范圍將變小。因此，采動覆巖集中荷載作用下，沿空巷道實體煤區(qū)域仍將面臨一定的沖擊風險。另外，小煤柱區(qū)的煤體受上區(qū)段回采及掘巷擾動，煤柱煤體完全塑性破壞，從巷道穩(wěn)定性控制角度，沿空巷道合理護巷煤柱也應能滿足自身承載力且具有一定的自穩(wěn)性和完整性。因此，小煤柱工作面安全開采的條件需要同時保證巷道處于低應力區(qū)和小煤柱自穩(wěn)且具有較好的承載能力。

4.2 工程實踐

掘進和回采工況條件的工程實踐表明，針對覆巖增量荷載的三個遷移階段，在煤體卸壓、側向頂板巖層預裂、防沖支護優(yōu)化及超前液壓支架和精準監(jiān)測等防沖措施的基礎上，基于沿空工作面窄區(qū)段煤柱留設的開采方案取得了良好防沖效果，現(xiàn)場未發(fā)生沖擊現(xiàn)象。驗證了上述研究結論是合理的。

總體來看，對于沿空掘進巷道來說，掘進階段的變形量不大，礦壓顯現(xiàn)不強烈。沿空巷道掘進成巷后，頂?shù)装遄冃瘟枯^小，巷道圍巖變形以兩幫移近為主。頂?shù)装逡平吭?0～50 mm之間，兩幫移近量為100～200 mm。圍巖位移在距離迎頭150～200 m左右開始逐步達到穩(wěn)定。

在經(jīng)受了回采階段的影響后，工作面超前40～60 m圍巖位移變化明顯，其中兩幫變形量在1000～1200 mm之間，煤柱幫內移量較大；頂?shù)装遄冃瘟吭?00 mm左右，底鼓不明顯。從回采階段的圍巖位移變化情況來看，頂板變化不大，幫部變形量較大，但仍有優(yōu)化空間。

綜上所述，現(xiàn)場優(yōu)化了沿空巷道支護方案，采取了二次主動支護方案，在巷道圍巖變形較大區(qū)域加強頂板錨梁、巷幫錨索等支護，提高了巷道支護結構的完整性。

5 結 論

1)在鄂爾多斯深部沿空工作面開采中，在走向和傾向采動覆巖集中荷載聯(lián)動作用下，超前區(qū)域大煤柱支承壓力升高是沖擊地壓發(fā)生的根本原因。

2)小煤柱方案大大降低了大煤柱方案造成的沖擊危險性，使得巷道布置在低應力區(qū)，有利于防沖安全；但在采動覆巖集中荷載作用下，小煤柱不僅受上區(qū)段回采及掘巷擾動影響，同時還將受沿空工作面超前支承壓力的耦合影響，沿空巷道實體煤區(qū)域仍將面臨一定的沖擊風險。

3)小煤柱承載能力有限，巷道頂板下沉量和煤柱幫位移量相對較大，下沉最大的區(qū)域位于頂板靠近煤柱幫側，應確保煤柱幫圍巖具有一定的承載能力。

4)在石拉烏素煤礦1201小煤柱工作面沖擊地壓綜合防控實踐證明，在實施一定的安全保障措施的前提下，深部巨厚基巖地層條件沿空工作面小煤柱留設切實可行，是減弱沖擊危險的最優(yōu)方案。針對鄂爾多斯深部小煤柱工作面沖擊地壓防治取得了初步成功，還需對非充分開采條件下后續(xù)小煤柱工作面開展更深入研究。