锯齿形断层煤柱影响区冲击危险多参量分析*

王 超 贺志龙 周 涛 李 欢 李阿涛

（1.山东能源集团冲击地压防治研究中心；2.中国矿业大学矿业工程学院；3.山东能源集团赵楼煤矿）

冲击地压是煤矿采掘过程中常见的煤岩动力灾害之一［1］。国内外生产实践表明，断层构造容易诱发冲击地压，尤其是当采掘空间接近断裂破碎带时，冲击地压发生的频度和强度急剧增加。

除断层活化失稳可诱发冲击地压外，断层切割煤柱造成的高静载应力也是诱发煤体冲击失稳的主要因素之一［2］。对此，学者们开展了关于断层煤柱诱发冲击失稳方面的研究。韩亮等［3］利用断层构造应力及采空区转移支承压力计算模型，分析了厚硬岩层控制下不规则断层煤柱应力分布情况及其冲击危险性。王璐等［4］分析了不同断层煤柱宽度条件下采动空间的冲击危险性。顾士坦等［5］研究了不同尺寸断层煤柱的垂直应力和弹性应变能密度。杨伟利等［6］研究了不等宽断层煤柱诱冲机理。上述研究主要分析了不同宽度断层煤柱的应力集中分布特征及其冲击失稳机理，并未涉及断层煤柱高静载应力对工作面应力分布的影响。

在分析断层煤柱对工作面的影响时，断层错动特别是逆断层上盘遗留煤柱对下盘工作面的应力传递作用不容忽视［7］。针对上覆煤柱的影响，王方田等［8］利用突变理论分析了浅埋煤层房式开采遗留煤柱突变失稳规律。吕长国等［9］详细总结了工作面过遗留煤柱下方微震能量、频次及频谱分布特征。李静等［10］利用CT反演技术发现煤柱在长期矿压作用下应力向煤柱煤壁深处转移，冲击危险性增加。李春元等［11］采用理论计算、数值模拟、现场验证的方法，综合研究了遗留煤柱对下伏煤层的扰动范围。但这些研究主要考虑了多煤层开采过程中，上覆煤层遗留煤柱对下煤层工作面应力分布的影响，忽略了断层切割的作用。

赵楼煤矿7301工作面开采深度接近1 000 m，存在较高的原岩应力，同时在逆断层切割作用下，上盘采空遗留锯齿形煤柱集中应力向下传递，造成下盘7301工作面内应力重新分布，增加了工作面开采过程中的冲击危险程度。为指导工作面安全生产，现场借助多参量监测数据，对工作面推进过断层切割锯齿形煤柱区域时的应力分布特征进行分析，为具有相似地质条件的工作面开采提供参考。

1 工作面概况

赵楼煤矿7301综放工作面为七采区的首采面，工作面东临一、七采区边界，南临7303工作面（未开采），西临七采区3条准备巷，北邻三、七采区边界，其中工作面临近的采空区主要为一、三采区已采工作面。特别是工作面与其北侧临近的三采区采空区之间存在落差为50～70 m的FZ14逆断层，并在该区域切割形成锯齿形煤柱群（包含5个不同尺寸的锯齿形煤柱），其中煤柱群在层位上位于7301运输顺槽上方，如图1所示。工作面轨道顺槽长1 691 m，运输顺槽长1 664 m，工作面长度为230 m，煤层埋深为962～1 037 m。

2 多参量监测数据分析

为了研究工作面开采过不同尺寸锯齿型煤柱区的多参量演化规律，分别以工作面开采过煤柱1和煤柱2时的监测数据为研究对象，对2个开采阶段（2019年9月30日—11月30日及2019年12月1日—2020年1月30日）的微震、应力在线及钻屑量监测数据进行分析。

2.1 微震监测结果与分析

2.1.1 过煤柱1阶段微震监测数据分析

自2019年9月30日—11月30日，7301工作面自286 m推进至501 m，即从煤柱1外侧推进至煤柱1中间位置（接近煤柱2边缘区域），相应的微震事件平面分布如图2所示。

根据图2，相对于工作面轨道顺槽侧，靠近锯齿形煤柱侧工作面微震事件明显较多，且相对大能量事件（能量大于103J）具有明显的集中分布特征，主要集中在A、B2个区域，分别对应着煤柱1边缘区域和煤柱1与煤柱2交界区域（煤柱2边缘区域），说明在煤柱边缘（交界）区域应力集中程度相对较高，这与该区域煤柱宽度变化有关。通过A、B2个区域内事件分布对比，不难发现B区域微震事件沿工作面侧向分布范围要明显大于A区域，说明煤柱2造成的应力集中对工作面应力分布影响范围要明显大于煤柱1的影响，推测当煤柱宽度较大时，煤柱造成的应力集中程度相对较小，且应力峰值距离工作面相对较远，对工作面应力分布影响相对较小。

为了分析微震参量的演化规律，统计并做出微震日累计能量和事件数演化曲线，如图3所示。

根据图3，自7301工作面进入煤柱影响区开始，微震日累计能量及事件数持续增加，直至工作面推进至煤柱内部区域，微震日累计能量与事件数出现明显降低，并在工作面接近煤柱1与煤柱2交界区域开始再次明显增加，同样证明了煤柱区域应力集中程度与煤柱宽度有关。特别是在工作面推进接近煤柱1边缘及煤柱1与煤柱2交界位置时，微震日累计能量及事件数出现明显高值，并达到该阶段峰值，说明在煤柱边缘（交界）位置，煤柱变窄导致的应力集中程度较高，推断由于三角形煤柱形状上的不规则容易导致边角处的应力集中，从而导致煤柱区域的应力差异较大，微震事件频发。

2.1.2 过煤柱2阶段微震监测数据分析

自2019年11月30日—2020年1月30日，7301工作面自501 m推进至721 m，即从煤柱2边缘推进至煤柱2与煤柱3交界位置（接近煤柱3边缘区域），相应的微震事件平面分布如图4所示。

根据图4，靠近锯齿形煤柱侧工作面微震事件分布同样明显多于工作面轨道顺槽侧，且靠近煤柱区域相对大能量事件分布相对集中。与上一阶段类似，微震事件具有明显的超前分布特征，该阶段微震事件主要集中在煤柱3和煤柱4区域，微震事件分布超前工作面最远达379 m范围，推断工作面超前影响范围最大可达400 m左右。另外，通过与上一阶段微震事件侧向分布范围对比，该阶段微震事件沿工作面侧向分布范围明显较高，推断煤柱2造成的应力集中对工作面应力分布影响范围更广，证明煤柱宽度较小时，煤柱造成的应力集中程度更高，且对工作面应力分布影响程度更高。

根据图5所示该阶段微震日累计能量和事件数演化曲线，在工作面推进至煤柱交界（边缘）位置时，微震日累计能量及事件数明显增加，并达到该阶段峰值，同样说明在煤柱边缘（交界）位置，煤柱变窄导致的应力集中程度较高。另外，通过与上一阶段对比，该阶段微震日累计及事件数明显高于上一阶段，说明煤柱宽度是影响煤柱应力集中程度的重要因素。

综上，通过对工作面推进过煤柱1和煤柱2阶段微震参量分析，受煤柱集中应力影响，工作面开采过程中的微震事件主要集中在煤柱侧，且煤柱造成的应力集中对工作面应力分布的影响与煤柱宽度有关。在煤柱宽度较小的边缘区域，微震事件明显集中，微震能量及事件数明显较高，且煤柱宽度越小，微震事件各参量值异常程度越高，说明煤柱宽度较小时，煤柱应力集中程度相对更高。另外，根据微震事件分布特征，该工作面超前影响区域较远，最远可达400 m，推断与煤层上覆岩层结构有关。

2.2 应力在线及钻屑量监测结果与分析

在7301工作面回采过程中，分别对工作面两顺槽超前250 m范围内的应力值及超前60 m范围内的钻屑量进行了监测，根据工作面开采过锯齿形煤柱不同阶段，分别对应力在线及钻屑量监测结果进行分析。

2.2.1 应力在线监测数据分析

7301工作面安装了一套冲击地压实时监测预警系统，该系统的钻孔应力计分别安装在上下平巷的待采煤层中，测站间距为25 m，随着工作面的推进，实时对工作面超前影响区进行冲击地压监测预警，距7301切眼25 m布置1号测站，依次向外间隔25 m布置1个测站（允许误差±5 m），每个测站布置2个测点，钻孔应力计安装深度分别为14 m和8 m，间隔1～1.5 m。随工作面推进，及时拆卸前移，保证监测范围不小于250 m。

监测日报表是统计当日两巷煤壁前方250 m范围的应力峰值，则应力峰值所在位置即可表明超前250 m内的高应力。巷道不同位置到开切眼的距离及与煤柱的相对位置如图6所示。首先统计并做出工作面过煤柱1阶段巷道应力峰值分布曲线，如图7所示。其中轨顺浅（深）、运顺浅（深）表示两顺槽深、浅孔的应力峰值。

根据图7，在工作面推进至煤柱1区域过程中，巷帮煤壁应力值出现明显波动，相对于轨道顺槽，巷道煤壁应力高值主要集中靠近锯齿形煤柱的运顺顺槽侧，主要受煤柱造成的应力集中影响。虽然在超前工作面10～250 m范围均有应力峰值出现，但应力高值主要集中在运顺顺槽350，500，600及700 m附近，从图6可知，这些位置分别对应着煤柱1边缘、煤柱1中部、煤柱1与煤柱2交界（煤柱2边缘）及煤柱2中部等区域，说明在煤柱边缘和煤柱中部区域，应力集中程度要明显高于其它区域。

图8为工作面过煤柱2阶段巷道应力峰值分布曲线，应力高值同样主要集中在运顺顺槽侧，且应力峰值频繁出现在运顺顺槽741，840及866 m附近，从图6可知，这些位置对应着煤柱2与煤柱3交界（边缘）及煤柱3中部区域，说明在锯齿煤柱边角区域更容易产生应力集中，造成工作面应力升高。

2.2.2 钻屑量监测数据分析

统计并做出工作面回采过程中钻屑量变化曲线，如图9所示，其中钻屑钻孔深度为15 m，钻屑量按5 m为阶段进行统计。

根据图9，当工作面推进至煤柱1区域时，钻屑量出现了明显上升，说明煤柱1区域整体的应力值较高，相应的冲击危险程度也较高，但当工作面推进至煤柱2区域时，钻屑量相对于上一阶段整体较低，说明当7301工作面推进至煤柱1区域时冲击危险性最大。

综上，根据工作面两顺槽煤壁应力值演化规律，在锯齿煤柱边角区域更容易产生应力集中，工作面应力值较高。另外，根据钻屑量变化特征，当工作面初次进入煤柱影响区时，工作面应力集中程度较高，相应的冲击危险程度也较高。

3 结论

（1）受煤柱集中应力影响，7301工作面高应力区主要集中在靠近断层侧的运输顺槽。

（2）煤柱造成的应力集中对7301工作面应力分布的影响与煤柱宽度有关，当煤柱宽度较小时，煤柱应力集中程度更高，对工作面应力分布影响程度更大。

（3）7301工作面推进至煤柱边缘（交界）区域时，更容易产生高应力集中，造成工作面应力升高。工作面初次进入煤柱影响区时，工作面应力集中程度较高，相应的冲击危险程度也增大。