綜放開采多煤柱擾動致沖危險性分析及監(jiān)測防控技術

吳 波

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

煤層開采后，地層的原始應力狀態(tài)被破壞，從而致使應力重新分布，而煤柱的存在進一步導致采場圍巖應力環(huán)境惡化，當煤柱承受的應力超過自身強度時，將引起煤柱周邊應力的不均衡分布。在兩側采空條件下，殘留寬煤柱內(nèi)應力多呈“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)構造以及采空區(qū)轉移支承應力的影響下，煤柱上的應力分布不均會對圍巖穩(wěn)定性造成很大影響[3]，應力分布嚴重不均時會造成沖擊地壓事故。

為分析煤柱失穩(wěn)的致災機制，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)生機理進行了分析；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機制，并采用震波CT原位探測技術評估了寬煤柱區(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；洛鋒[8]等結合實際地層的模擬分析，利用數(shù)值模擬建立的力學模型研究并確定了不同開采條件下工作面前方煤體應力疊加重點位置，并提出了工作面前方煤體高應力的深擴區(qū)和淺擴區(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)致災機制進行了分析；王浩[10]等研究得出采區(qū)煤柱覆巖結構、應力偏量、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力疊加，造成沖擊力大于阻抗力，沖擊危險性大大增強；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，當斷層煤柱寬度處于某一值時，需要采取必要的災害防治措施，為實際生產(chǎn)中不同開采條件下防沖提供了理論指導。

而受煤礦初期開采未能科學規(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，自北向南回采，西側為礦界保安煤柱，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工作面開采結束后再進行回采；4#煤層平均厚度4.74m，采用綜合機械化一次采全高采煤法，4203工作面與9203工作面的位置關系如圖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工作面運輸巷與4202工作面運輸巷間留設有寬約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力集中擾動影響，開采時極易誘發(fā)沖擊地壓事故，應預測煤柱擾動沖擊危險區(qū)域并采取監(jiān)測防控技術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綜采工作面運輸巷轉載機前方曾發(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，轉載機嚴重傾斜并與頂板緊貼，錨桿、錨索大量拉斷，超前支護范圍內(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?、上覆遺留區(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)側向支承壓力，其應力集中系數(shù)分別為k1、k2。

圖3 側向煤柱擾動應力集中示意圖

在區(qū)段煤柱及巷道圍巖煤巖體內(nèi)，側向支承壓力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。

當區(qū)段煤柱內(nèi)煤體支承壓力σz超過其極限抗壓強度Rc時，則煤柱內(nèi)煤體將具備失穩(wěn)的應力判別條件，可表達為[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)的臨界應力狀態(tài)；Rc=k0σc，k0為考慮煤體彈塑性的抗壓強度增高系數(shù)；σc為煤體單軸抗壓強度，MPa，k0=[(D-2L)/D]×kmax+(2L/D) ×kmin；D為區(qū)段煤柱煤體寬度，m；L為煤體兩側的塑性區(qū)寬度，m；三向應力狀態(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為煤幫的支護阻力，MPa；ε為三軸應力系數(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)的臨界應力狀態(tài)，并在9203工作面運輸巷兩幫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

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

σz=σf+σd

(4)

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

σz=σf+σs+σd

(5)

與側向區(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致局部煤體沖擊，設遺留煤柱內(nèi)集中應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)，并結合下伏采場超前及側向支承壓力與上覆遺留區(qū)段煤柱的擾動應力疊加程度，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方向對底板產(chǎn)生擾動應力σd，如圖5所示。

圖5 上覆終采線煤柱應力擾動區(qū)域計算圖

根據(jù)圖5，當9203工作面進入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致局部沖擊，結合應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與側向基本相同，則9203工作面應在距上覆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，應對擾動區(qū)域內(nèi)煤體實施大直徑鉆孔預卸壓或爆破卸壓，降低采場圍巖體的應力集中程度，從而使煤巖體不滿足沖擊地壓的應力判別條件，以避免沖擊地壓事故。同時，9203工作面回采時，應控制采場推進速度，推進速度過高或過低均易造成應力集中而誘發(fā)沖擊地壓，現(xiàn)場應結合應力和微震監(jiān)測結果及時調(diào)整推進速度，避免誘發(fā)沖擊地壓。

在斷層影響區(qū)域，若巷道留設底煤，應對留底煤區(qū)域采取預卸壓措施。針對采場整體防沖，可在采場內(nèi)部施工鉆檢孔，并結合應力和微震監(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應力監(jiān)測；若應力集中程度較高，大直徑鉆孔施工速度慢或解危效果不明顯時，補充實施煤層卸壓爆破、頂板預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，合理控制煤機割煤速度，保證支架工能夠實現(xiàn)跟機拉架，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，保證所有支架均達到初撐力；④加強應力和微震監(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工作面的應力變化，在9203工作面安裝了一套KJ550煤體應力在線監(jiān)測系統(tǒng)和一套KJ551微震監(jiān)測系統(tǒng)，以進行沖擊地壓危險程度的實時監(jiān)測預警和預報。

3.2.1 煤體應力監(jiān)測

煤體應力測站布置在9203工作面回風巷和運輸巷中的工作面實體煤側，測站間距20～25m，每個測站內(nèi)設置兩個測點，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工作面回風巷和運輸巷各布置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，每當傳感器距工作面30m時向外轉移，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，并用加權平均法處理得到了標準鉆屑量，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)運輸巷擾動致沖危險區(qū)內(nèi)4個應力測點的應力變化并統(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，運輸巷內(nèi)各測點的應力變化曲線較平穩(wěn)，各測點的應力介于3～5MPa，無明顯的應力突增現(xiàn)象，應力測點無預警。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)運動，穩(wěn)定性較好。工作面超前范圍回風巷側有一處震動事件聚集區(qū)，可能受局部構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，結合煤體應力、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警，從而避免沖擊事故發(fā)生。

圖6 9203工作面應力及微震監(jiān)測效果圖

4 結 論

1)結合現(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：側向區(qū)段、上覆遺留區(qū)段、上覆終采線及側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)域及側向終采線起點至本工作面終采線區(qū)域范圍內(nèi)的側向區(qū)段煤柱和采場端部區(qū)域。

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