综放开采多煤柱扰动致冲危险性分析及监测防控技术

吴 波

(中国中煤能源集团有限公司 生产运营指挥中心，北京 100120)

煤层开采后，地层的原始应力状态被破坏，从而致使应力重新分布，而煤柱的存在进一步导致采场围岩应力环境恶化，当煤柱承受的应力超过自身强度时，将引起煤柱周边应力的不均衡分布。在两侧采空条件下，残留宽煤柱内应力多呈“钟形”对称分布，煤柱边缘发生破坏成为塑性区[1]，煤柱边缘失去约束后形成的自由面也容易使煤壁发生破坏[2]；在地质构造以及采空区转移支承应力的影响下，煤柱上的应力分布不均会对围岩稳定性造成很大影响[3]，应力分布严重不均时会造成冲击地压事故。

为分析煤柱失稳的致灾机制，王连国[4]等曾采用突变理论建立了金矿矿柱失稳的一个尖点突变模型，并据此对矿柱失稳破坏发生机理进行了分析；潘岳[5]等建立了煤柱失稳的折迭突变模型；孙刘伟[6]等利用数值模拟及微震数据研究了宽煤柱冲击地压的致灾机制，并采用震波CT原位探测技术评估了宽煤柱区域的冲击危险性。谢文兵[7]等对三河尖煤矿9202工作面的开采实际模拟分析了近距离煤层群开采时，上部煤层开采后遗留煤柱对下部煤层开采的影响，并为现场冲击地压防治提供了理论指导；洛锋[8]等结合实际地层的模拟分析，利用数值模拟建立的力学模型研究并确定了不同开采条件下工作面前方煤体应力叠加重点位置，并提出了工作面前方煤体高应力的深扩区和浅扩区的初步划分；朱卫兵[9]等利用物理模拟及数值模拟方法对下煤层工作面采动时上覆房采煤柱群的动态失稳过程进行了研究，对浅埋近距离煤层开采房式煤柱群动态失稳致灾机制进行了分析；王浩[10]等研究得出采区煤柱覆岩结构、应力偏量、矿震事件会随工作面回采发生变化，并因此而诱发冲击矿压；杨伟利等[11]通过理论计算和数值模拟发现在回采时工作面超前支承压力和煤柱原有应力叠加，造成冲击力大于阻抗力，冲击危险性大大增强；曹明辉[12]等通过UDEC数值模拟研究了断层煤柱宽度的大小对断层活化失稳与断层煤柱内部能量变化的影响，发现工作面与断层之间的煤柱上支承压力与弹性应变能随煤柱宽度的减小而呈现出先增加后减少的变化趋势，当断层煤柱宽度处于某一值时，需要采取必要的灾害防治措施，为实际生产中不同开采条件下防冲提供了理论指导。

而受煤矿初期开采未能科学规划的影响，多煤柱扰动诱发的冲击地压事故仍时有发生。因此，本文针对山西中煤担水沟矿工程地质建立多类型煤柱扰动致冲模型，获得不同煤柱的扰动危险区域，以期提前在冲击危险区域采取卸压措施，从而避免多煤柱扰动诱发冲击地压施工，以期保证工作面的正常生产。

1 工程地质

1.1 综放采场工程地质概况

担水沟矿采用斜井开拓，划分+1030和+980两个水平，+1030水平沿4#煤层布置，+980水平沿9#煤层布置，两煤层的倾角均约为5°，层间距51.6m。9#煤层9203工作面走向长1189m，倾斜长210m，埋深356～440m，平均埋深392m；采用综合机械化放顶煤采煤法回采，全部垮落法管理顶板。煤层厚度为12.6～15.6m，平均13.0m，采高3.5m，采放比1∶2.7，煤层硬度f=2.7；煤层倾角平均5°，直接顶细砂岩、泥岩厚度3.48m，直接底为泥岩、砂质泥岩厚度为3.56m，其中9#煤层及其顶板为Ⅲ类强冲击倾向性岩层，底板为Ⅱ类弱冲击倾向性岩层。受矿井开采布置和接替影响，该工作面周围分布有多种不同类型的煤柱，工作面位置如图1所示。

图1 9203工作面巷道布置及扰动致冲危险区域示意图

9203综放工作面位于9#煤轨道大巷北侧，自北向南回采，西侧为矿界保安煤柱，东部为9202综放工作面采空区，与9202工作面回风巷间隔25m的区段煤柱。同时，9203工作面上方为2019年3月刚回采结束的4#煤层4203工作面采空区。根据采掘接续计划，9203工作面在4203工作面开采结束后再进行回采；4#煤层平均厚度4.74m，采用综合机械化一次采全高采煤法，4203工作面与9203工作面的位置关系如图2所示。由图2可知，9203工作面与4203工作面基本重叠布置，但4202工作面运输巷与4202工作面运输巷间留设有宽约25m的区段煤柱，并对底板产生影响。同时，9203工作面终采线距4203工作面终采线水平距离约106m，即9203工作面开采时经4203工作面终采线煤柱下方通过；且9203工作面终采线超前9202工作面终采线水平距离约250m，即9203工作面开采后期将受9202工作面终采线煤柱侧向扰动影响。因此，9203工作面受临近9202工作面区段煤柱及其终采线煤柱、上覆遗留区段煤柱及上覆终采线煤柱应力集中扰动影响，开采时极易诱发冲击地压事故，应预测煤柱扰动冲击危险区域并采取监测防控技术以避免多煤柱扰动致冲事故，从而保障矿井正常安全生产。

图2 9203工作面与4203工作面位置关系剖面示意图

1.2 上覆采场冲击破坏特征

受采场超前支承压力与煤柱应力集中影响，2017年1月17日10时45分，4#煤层4203综采工作面运输巷转载机前方曾发生冲击地压引起的顶板事故，并造成了重大安全事故。根据现场冲击破坏状况，上覆采场冲击破坏具有明显的分段特征，端头破坏最严重，向外由冒顶垮帮段逐渐过渡至正常。同时，顶底板出现大幅度移近，转载机严重倾斜并与顶板紧贴，锚杆、锚索大量拉断，超前支护范围内单体支柱压弯，工作面前方140m处底板台阶式鼓起，临近垮冒区的3组离层仪钢丝被岩层剪断等，破坏具有典型的动力破坏特征。

2 综放开采多煤柱扰动致冲危险性

结合9203综放采场围岩煤柱分布状况，可分别分析9203工作面侧向、上覆遗留区段煤柱及终采线煤柱的扰动致冲危险性，以确定不同类型煤柱的扰动危险区域。

2.1 侧向区段煤柱扰动致冲危险性

为分析9203工作面与9202工作面间区段煤柱的扰动危险性，建立了侧向煤柱扰动致冲的计算模型，如图3所示。σf、σs分别为9203工作面的超前支承压力、9202工作面的采空区侧向支承压力，其应力集中系数分别为k1、k2。

图3 侧向煤柱扰动应力集中示意图

在区段煤柱及巷道围岩煤岩体内，侧向支承压力σs与超前支承压力σf叠加，则9203工作面围岩体垂直应力σz为：

σz=σf+σs=k1γH+k2γH

(1)

式中，γ为上覆岩层的平均体积力，kN/m3；H为煤层埋深，m。

当区段煤柱内煤体支承压力σz超过其极限抗压强度Rc时，则煤柱内煤体将具备失稳的应力判别条件，可表达为[13]：

Ic=σz/Rc

(2)

式中，Ic为煤柱内煤体的稳定性指数，Ic≥1.0时煤柱处于失稳的临界应力状态；Rc=k0σc，k0为考虑煤体弹塑性的抗压强度增高系数；σc为煤体单轴抗压强度，MPa，k0=[(D-2L)/D]×kmax+(2L/D) ×kmin；D为区段煤柱煤体宽度，m；L为煤体两侧的塑性区宽度，m；三向应力状态下kmax取大值5，巷帮处kmin取1。

根据极限平衡理论，塑性区宽度L即采空区侧向支承压力峰值与煤柱边缘之间的距离为[14]：

式中，M为煤层采高，m；C为煤体的粘聚力，MPa；φ为煤体的内摩擦角，(°)；f为煤层与顶底板接触面的摩擦因数；p1为煤帮的支护阻力，MPa；ε为三轴应力系数，ε=(1+sinφ)/(1-sinφ)。

根据9203工作面实际，M取煤层平均厚度13m，C=6.8MPa，σc=19.4MPa，D=25m，φ=20°，f=0.34，忽略支护阻力作用，p1取0，γ=27kN/m3，H=392m；k1和k2一般取2～3[14]，两者均取大值3，则ε=2.03，L=7.2m，k0=2.7，Ic=1.21。因此，Ic≥1.0，煤柱处于失稳的临界应力状态，并在9203工作面运输巷两帮7.2m范围深度内形成煤柱扰动的巷道围岩浅部煤体致冲危险区域，如图1所示。

2.2 上覆遗留区段煤柱扰动致冲危险性

为分析上覆遗留区段煤柱对下伏采场的扰动致冲危险性，建立了上覆遗留区段煤柱的扰动致冲危险区域计算模型如图4所示。

图4 上覆遗留区段煤柱扰动致冲危险区域计算模型

设上覆遗留区段煤柱扰动传递至下伏煤层的应力为σd，下伏煤层开采后在超前支承压力σf及σd叠加作用下，下伏采场围岩应力σz增高，即：

σz=σf+σd

(4)

当9203工作面围岩体在9202工作面采空区侧向支承压力影响范围内时，则：

σz=σf+σs+σd

(5)

与侧向区段煤柱整体失稳致冲不同，下伏采场煤体在上覆遗留区段煤柱的较小扰动作用下即可导致局部煤体冲击，设遗留煤柱内集中应力在底板的扰动影响角度为β，煤层倾角为α，4#煤层与9#煤层层间距dq，9202运输巷外错距离为aq，则根据三角形勾股定理，可求出上覆遗留区段煤柱对下伏采场的扰动影响区域Lq为：

式中，θ=90°+(α-β)。

因此，可根据式(6)，并结合下伏采场超前及侧向支承压力与上覆遗留区段煤柱的扰动应力叠加程度，计算遗留区段煤柱的扰动致冲危险区域。

因此，上覆4#煤层遗留区段煤柱对9203工作面的扰动危险区域为：沿工作面倾向，运输巷至采场深部约39.8m区域及区段煤柱。

2.3 终采线煤柱扰动致冲危险性

由于9203工作面与上覆4203工作面在平面上基本重叠布置，在4203采空区底板卸压作用下，9203工作面致冲危险性降低；但9203工作面需经4203终采线与4#煤大巷之间形成的遗留终采线煤柱下方开采，且在终采线下方开采的距离约106m。与上覆遗留区段煤柱的扰动致冲危险区域计算类似，上覆终采线附近煤柱沿采场推进方向对底板产生扰动应力σd，如图5所示。

图5 上覆终采线煤柱应力扰动区域计算图

根据图5，当9203工作面进入4203工作面终采线扰动区域时，上覆终采线煤柱对底板产生的应力和下伏采场超前支承压力叠加，下伏采场在上覆终采线煤柱的较小扰动作用下即可导致局部冲击，结合应力的扰动影响角可以计算下伏采场致冲危险区域距上覆终采线的水平距离Lt为：

Lt=(dq+M)·tanβ-L

(7)

上覆终采线煤柱与下伏采场的超前支承压力峰值距煤壁距离L与侧向基本相同，则9203工作面应在距上覆4203工作面终采线以外约47m距离时提前做好防冲工作。

同时，9203工作面终采线距9202工作面终采线的距离约250m，回采至9202工作面终采线附近时，9202工作面终采线区域超前支承压力与9203工作面超前支承压力叠加，可能使9202工作面终采线至9203终采线距离内的侧向区段煤柱及采场端部区域形成冲击危险。且区域内存在F36断层，断层贯穿9203工作面，在高应力叠加作用下，断层可能活化[15]，并对9203工作面及两工作面间回采巷道产生扰动，易诱发冲击地压事故。

3 综放开采多煤柱扰动防冲及监测控制

3.1 综放开采多煤柱扰动防冲控制

9203工作面开采前，应对扰动区域内煤体实施大直径钻孔预卸压或爆破卸压，降低采场围岩体的应力集中程度，从而使煤岩体不满足冲击地压的应力判别条件，以避免冲击地压事故。同时，9203工作面回采时，应控制采场推进速度，推进速度过高或过低均易造成应力集中而诱发冲击地压，现场应结合应力和微震监测结果及时调整推进速度，避免诱发冲击地压。

在断层影响区域，若巷道留设底煤，应对留底煤区域采取预卸压措施。针对采场整体防冲，可在采场内部施工钻检孔，并结合应力和微震监测系统监测，对采场内扰动危险区采取超前卸压措施。对9203工作面侧向区段煤柱，回采期间区段煤柱易积聚大量弹性能，故优先采用大直径卸压或加强应力监测；若应力集中程度较高，大直径钻孔施工速度慢或解危效果不明显时，补充实施煤层卸压爆破、顶板预裂爆破或水力压裂等措施。

夫诗文人之月，无所真得，无所真见，口耳之月也。诗颠酒狂之月，醉生梦死之月也。惟周茂叔之月，寂乎其月之体，感乎其月之用，得夫性天之妙而见夫性天之真，自有不知其我之为月而月之为我也，所谓曾点之浴沂，孔子之老安少怀，二程子之吟风弄月、傍柳随花，朱紫阳之千葩万蕋争红紫者是已。盖与天地万物为一体者也，上下与天地同流

过9202工作面终采线及上覆4203工作面终采线煤柱扰动危险区域时，应采取以下防冲措施：①保持工作面稳定均速回采，割煤时，合理控制煤机割煤速度，保证支架工能够实现跟机拉架，超前移架，带压擦顶移架；②安排专人巡查、观测工作面上下两巷超前200m内巷道的支护质量、片帮、离层和锚杆、锚索变形、破断、缺失等现象，发现安全隐患或异常必须及时汇报并采取有效措施；③加强工作面液压支架及控制系统检修，杜绝自卸、窜液、漏液等现象，及时更换破损、损坏的管路及元件，保证所有支架均达到初撑力；④加强应力和微震监测数据分析，必要时开展钻屑法检验。

3.2 综放开采多煤柱扰动致冲监测防控

为实时监测9203工作面的应力变化，在9203工作面安装了一套KJ550煤体应力在线监测系统和一套KJ551微震监测系统，以进行冲击地压危险程度的实时监测预警和预报。

3.2.1 煤体应力监测

煤体应力测站布置在9203工作面回风巷和运输巷中的工作面实体煤侧，测站间距20～25m，每个测站内设置两个测点，测点间距1m，第一组测点与切眼间距不大于20m。应力测点施工∅42mm钻孔，孔深为8m和14m两种，均大于L=7.2m，钻孔距巷道底板1.0～1.5m，平行煤层。

3.2.2 微震监测

在9203工作面回风巷和运输巷各布置3台拾震传感器共6个微震监测点，靠近工作面一侧的传感器距工作面煤壁不大于200m，每台传感器间距200m，两回采巷道微震传感器布置呈“V”型或交错型布置，对9203工作面形成环状包围。同时，工作面推采过程中及时挪移巷道拾震传感器，每当传感器距工作面30m时向外转移，保证传感器与工作面相距100～200m有效监测范围。

3.2.3 钻屑检验预警

在9203工作面未受采动影响区域，施工了5个钻孔，直径42mm，深度15m以上，间距10m以上，记录了每孔每米的钻屑量，并用加权平均法处理得到了标准钻屑量，以此作为冲击地压危险的钻屑量临界值，其钻屑量指数见表1。

表1 冲击地压危险性的钻屑量指数

注：钻屑量指数=每米实际钻屑量/每米正常钻屑量；正常钻屑量为在正常应力区测定的钻屑量。

若实际煤粉量超过临界煤粉量，或钻进过程中出现卡钻、吸钻、煤炮增多等动力现象，则可判定所测地点存在冲击危险，必须采取解危措施。

3.2.4 监测防控效果

9203工作面回采后，在2019年12月28日至2020年1月27日期间，连续监测了30d内运输巷扰动致冲危险区内4个应力测点的应力变化并统计获得了采场内的微震事件分布特征如图6所示。

由图6(a)可知，采取大直径钻孔卸压措施后，运输巷内各测点的应力变化曲线较平稳，各测点的应力介于3～5MPa，无明显的应力突增现象，应力测点无预警。根据图6(b)(c)，回采期间，9203工作面的微震事件主要集中在工作面及顶、底板20～30m范围内，高位顶板震动事件发育较少，监测期间采动影响未造成高位顶板明显失稳运动，稳定性较好。工作面超前范围回风巷侧有一处震动事件聚集区，可能受局部构造影响使得围岩活动较剧烈；其他区域分布整体无规律。同时，监测期间，微震事件日均发生频次为43个，日均事件能量为72589.3J，微震事件能量和数量均较小，在采动影响下，9203工作面微震事件能量较低，未出现监测预警。因此，故采取大直径钻孔卸压措施后，9203工作面多煤柱扰动致冲的危险性大大降低，结合煤体应力、微震监测及钻屑检验可有效实现对多煤柱的扰动致冲预警，从而避免冲击事故发生。

图6 9203工作面应力及微震监测效果图

4 结 论

1)结合现场实测，得出上覆采场冲击破坏具有明显的分段特征，端头破坏最严重，且破坏具有典型的动力破坏特征。

2)建立了不同类型煤柱应力扰动的计算模型，获得了不同类型煤柱的扰动致冲危险区域，并指出：侧向区段、上覆遗留区段、上覆终采线及侧向终采线煤柱的扰动致冲危险区域分别为所扰动巷道两帮7.2m以浅区域、沿采场倾斜方向区段煤柱至采场端头以里39.8m区域、上覆终采线至采空区深部47m区域及侧向终采线起点至本工作面终采线区域范围内的侧向区段煤柱和采场端部区域。

3)提出了以钻孔卸压，并结合煤体应力、微震监测及钻屑检验预警为主的多煤柱扰动防冲和监测预警技术，在采动及多煤柱扰动作用下，扰动致冲危险区内的应力测点及采场微震事件未出现监测预警，现场应用效果良好。