深部高应力不规则煤柱区大巷冲击地压发生机理及防控技术

解文豪

(安徽理工大学矿业工程学院，安徽 淮南 232001)

研究表明，冲击地压的发生与煤岩体的力学性质以及煤岩体所承受的静载荷和动载荷等因素有关[1]。随着近年来逐渐步入深部开采，巷道围岩往往承受较高基础静载荷，具备了诱发冲击地压的高静载条件，轻微的动载扰动就可能达到巷道围岩强度极限引起冲击地压。例如2017 年崔木煤矿北翼盘区大巷“2·16”、“2·20”冲击，累计破坏巷道120 m[2]。

针对深部高应力煤柱冲击地压防治问题，窦林名等[3]对孤岛工作面及其周围巷道冲击地压危险进行了预测，并提出了监测及控制措施；王四巍等[4]研究了动静荷载联合作用下巷道的响应规律，得到了巷道冲击地压灾害是动静荷载联合作用的结果；潘俊锋等[5]研究了深部矿井巷道冲击地压动静载分源防治理论与技术，得到诱发深部巷道冲击地压动静载荷叠和纯静载叠加两种途径；李振雷等[6]利用微震监测及现场冲击记录，得出孤岛煤柱中高静载应力是冲击频发的主要原因。

本文以高家堡煤矿2017 年2 月3 日春节停产期间一盘区大巷冲击为研究背景，从深部高应力煤柱高静载低扰动角度进行分析，结合大巷覆岩空间结构变化情况及现场收集微震监测数据，分析一盘区大巷诱冲机制，制定大巷围岩强度弱化方案，达到减少大巷冲击地压发生的目的。

1 工程背景及微震监测

1.1 工程背景

高家堡一盘区开采煤层为4 煤层，埋深在800～1000m 之间，盘区共布置4 个工作面。二盘区可采煤层为4 煤层，赋存深度在850～1000m 之间，盘区共布置5 个工作面。一盘区大巷位于一、二盘区之间，随着两侧采空，一盘区大巷所在煤柱形成不规则煤柱结构，发生冲击当月微震事件如图1 所示。

图1 微震事件平面分布图

1.2 微震时空强分布特征

101 工作面回采至停采线时，煤柱呈“F”空间结构，伴随着201 工作面的回采，在101 工作面和201 工作面之间形成了一个480m 煤柱，此时煤柱呈非对称“T”型空间结构，一盘区侧为“T”型长臂侧，回采至203 工作面时，二盘区侧成为“T”型长臂侧。图2 所示为一盘区侧为“T”型长臂侧时微震剖面时空演化规律，图3 所示为二盘区侧为“T”型长臂侧时微震剖面时空演化规律。

图2 一盘区侧为“T”长臂侧时104J 及以上微震分布图

图3 二盘区侧为“T”长臂侧时104J 及以上微震分布图

从图2 中可以看出，当202 工作面回采结束时，靠近一盘区侧的煤柱相比靠近二盘区侧的煤柱有更多104J及以上大能量分布，一盘区的开采活动对煤柱造成的影响更大，由于此时不规则煤柱一盘区侧为“T”结构长臂侧，煤柱一盘区侧支承压力更高，表明微震能量事件的分布与支承压力强度有一定联系；从图3 中可以看出，随着不规则煤柱两侧工作面回采，在203、204、205 工作面回采期间，此时煤柱二盘区侧成为“T”结构长臂侧，104J 及以上大能量事件多集中在煤柱二盘区侧。对图2和图3 进行对比分析可以发现，随着采空区面积的增加，104J 及以上大能量事件逐渐由不规则煤柱两侧向中间移动，纵向上分布也从顶底板上下20m 范围向煤层上覆300m 岩层和底板70m 岩层范围发展，表明煤柱及其上覆岩层在工作面回采过程中不断受动静载叠加影响，其完整性出现一定程度破坏，并且随着采空区面积增加，导致不规则煤柱支承压力的增加，应力峰值向煤层深处移动，应力影响范围增加。

2 高应力煤柱力能分析

2.1 煤柱应力分布特征

煤柱应力分布情况随着煤柱宽度留设尺寸B、回采引起的支承压力影响范围L 而变化。如图1 中所示，微震能量事件集中分布在工作面煤壁前方100m 处，认为工作面在正常回采过程中超前支承压力影响范围约为100m，一盘区大巷所在不规则煤柱最小宽度约为480m，因此煤柱应力呈“双峰形”分布，煤柱深处应力处于原岩应力状态，如图4 所示。

图4 煤柱支承压力示意图

2.2 动静载叠加原理

煤岩体承受的静载荷与矿震引起的动载荷叠加，超过煤岩体强度极限时，将导致煤岩体发生破坏，诱发冲击地压，冲击地压的发生需要满足如下条件

式中：σs为煤岩体中的静载荷，σd为矿震诱发的动载荷，[ σ]为诱发冲击地压的临界应力。

由于一、二盘区回采活动的进行，煤柱两侧采空区范围不断扩大，上覆岩层施加给煤柱的应力不断增加，导致煤柱上支承压力峰值向煤柱深处移动，直到煤体三轴抗压强度与静载荷和常规动载荷叠加大小相等处为止，煤柱的支承压力影响范围增加。此时煤柱支承压力曲线由“双峰形”向“马鞍形”过度，煤柱中部应力增加，此时较低的动载扰动就会达到大巷围岩强度极限，进而诱发冲击地压。

2.3 深部大巷围岩失稳能量判断准则

一盘区大巷围岩在动静载叠加作用下达到强度极限时，平衡状态被打破并释放大量能量，围岩系统内储存的弹性变形能Us以及动载荷产生的能量Ud开始释放，在不考虑摩擦热能和辐射能等其他能量的前提下，释放的能量一部分用于破碎大巷周围煤岩体耗散（Uk），一部分作为弹性余能（Un）留在大巷围岩系统内。

根据最小能量原理，煤岩体破坏消耗的能量为

式中：σc为煤岩体的单向抗压强度；E 为煤岩体的弹性模量。

广义虎克定理三向受力状态下的煤体弹性变形能计算公式为

式中：E为弹性模量； μ为泊松比；σ1为第一主应力；σ2为第二主应力；σ3为第三主应力。

顶板断裂弹性能传递至煤壁极限平衡区的能量Ud由下式计算

式中：Ud0为顶板断裂时释放的初始能量；R为顶板断裂位置与煤壁极限平衡区的距离；η 为煤岩介质中弹性波传播时的能量衰减指数。

根据能量理论，煤岩体破坏时所释放的能量应大于其破坏所消耗的各种能量，将诱发冲击地压，故大巷围岩发生冲击地压能量准则为:

3 不规则煤柱区大巷冲击地压防治

3.1 卸压方案

首先对大巷采取大直径钻孔卸压，帮部卸压孔垂直于帮部，钻孔深度30m，直径150mm，孔间距0.8m，距底板高1.2～1.6m；底板卸压孔垂直于巷帮走向，钻孔倾角-45°，孔间距1.0m，钻孔深度见岩。若仍然存在应力集中情况，则在钻孔卸压的基础上采取爆破卸压。首先采取帮部爆破卸压，爆破孔垂直巷帮布置，孔高1.2～1.6m，孔间距5m，垂直深度超过15m，钻孔直径44mm；卸压效果不明显时，继续采取底板爆破卸压，爆破孔每隔5m 布置一排，每排均匀分布4 个底板爆破孔，孔径75 mm，两侧钻孔以-45°倾角布置，孔深至见岩12m 处，中间两钻孔垂直底板布置，孔深至底板见岩10m 处；采用帮部底板爆破卸压后卸压效果依旧不明显时，则需要在此基础上进一步采取顶板爆破卸压，爆破孔在大巷肩窝处开孔，每5m 布置一个钻孔，直径75mm，钻孔倾角60°，钻孔深度50m。

3.2 卸压效果检验

图5 为一盘区大巷卸压前后102J 及以上微震能量分布情况。卸压后的104J 及以上大能量事件分布比卸压之前分布较为分散，不再聚集在大巷周围。卸压后大巷附近105J 及以上大能量事件出现频次相比较卸压之前下降了50%，104J～105J 能量事件出现频次相比卸压前降低了约38%，102J～104J 能量事件出现频次无明显变化，说明采区的卸压方案一定程度上释放了煤岩体内储存的能量，降低了大巷围岩应力集中情况。

图5 卸压前后102J 及以上微震能量分布情况

4 结论

4.1 根据一盘区大巷的微震能量事件分布情况及大巷覆岩空间结构，微震大能量事件多集中在不规则煤柱“T”结构长臂侧，随着采空区面积增加，微震能量逐渐向煤层深处推进，纵向上分布也从顶底板上下20m 范围向煤层上覆300m岩层和底板70m 岩层范围发展。

4.2 随着不规则煤柱两侧回采活动的进行，支承压力峰值不断向煤柱中间移动，一盘区大巷围岩承受静载荷逐渐升高，远场低动载与其叠加达到极限强度，煤岩体破坏启动，当大巷围岩中储存的能量达到煤岩体破坏消耗的最小能量时，诱发冲击地压。

4.3 通过微震监测系统对一盘区大巷区域进行监测，对出现微震大能量事件区域进行大直径钻孔卸压，并根据现场情况对卸压钻孔的布置进行优化，若卸压效果未达到标准，则在原有基础上采用爆破卸压，经现场实践该卸压方案效果良好。