增量荷载作用下沿空工作面冲击地压防治研究

王 超，孔令海，王光民，张 勇，韩宁宁，孙麒鹏

(1.兖矿集团有限公司 防冲研究中心，山东 济宁 272102；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

冲击地压是煤矿深部开采的主要风险之一，其致灾因素复杂多样[1-3]。工作面受侧向和超前采动覆岩的集中荷载作用，邻空巷道煤柱集中应力是影响冲击地压发生的主要因素之一[4-7]。因此，确定合理的煤柱宽度及防冲方案，是工作面冲击地压防治的重点。工作面区段煤柱宽度的确定是开采设计的重要内容，其留设宽度决定着资源回收与采掘接续、沿空工作面及巷道围岩应力破坏状态及冲击地压等[8-13]，尤其是进入深部开采后，工作面开采面临应力环境恶化、围岩强度劣化及结构性失稳、围岩大变形、冲击地压等诸多问题[14-18]，需要综合考虑上覆岩层运动、侧向支承压力、冲击地压防治及巷道围岩控制的影响[19-21]，区段煤柱合理宽度的选取显得更加重要。鄂尔多斯地区是我国重要煤炭基地之一，为适应高产高效需要，深部矿井仍沿用了浅埋条件下适于大型现代化装备的高效开采方案，即：工作面集中布置、顺序开采、宽煤柱留设、大断面巷道设计。由于没有考虑深部开采造成的冲击地压防治问题，工作面区段煤柱较宽[22-26]，造成沿空开采中多次发生冲击地压。

由于矿井所在地区深部开采小煤柱沿空开采的防冲经验不多，针对鄂尔多斯深部开采工作面区段煤柱防冲问题，以石拉乌素煤矿1201工作面为背景，研究了采动覆岩的荷载变化规律及区段煤柱不同承载状态下沿空开采冲击地压发生机制与工程实践，实现了防冲安全。

1 工程背景

石拉乌素井田位于呼吉尔特矿区，开采的2-2煤层具有弱冲击倾向性。1201工作面为一侧沿1217工作面采空区开采，沿空巷道选用小煤柱护巷方案，区段煤柱宽度为5 m。

工作面整体为一单斜构造，煤层倾角平均约2°，倾角变化最大约5°。工作面煤层伪顶、直接顶为厚度0.12～0.79 m的煤岩互层，强度较低；基本顶为厚度7.8～19.7 m(平均15.82 m)的中细砂岩，f=3.5；直接底为砂质泥岩，厚度0～6.35 m(平均2.25 m)，f=1.5；老底为中细砂岩，厚度0～18.81 m(平均10.85 m)，f=3。1201工作面沿空巷道沿煤层底板布置，煤层厚度5 m，埋深600～700 m，直接顶为砂质泥岩，基本顶为粉砂岩，直接底一般为砂质泥岩。煤层及顶底板岩层综合柱状见表1。

表1 煤层及顶底板岩层综合柱状统计

2 覆岩荷载与煤柱应力迁移关系

2.1 覆岩结构及荷载迁移关系

长壁工作面煤层开采后，顶板岩层的运动下沉，造成采场矿压及其显现，依次形成不同的覆岩破坏形态，即：冒落带、断裂带、弯曲下沉带。进入深部开采后，工作面上覆岩层整体厚度及运动时间增大，在采空区周边煤体形成更高集中荷载。在煤壁内部形成高应力集中区，致使支承压力升高。

沿空开采时，采场覆岩最大断裂高度约为首采工作面的2倍，沿空侧向覆岩结构及荷载迁移关系如图1所示。煤层采出后，近场厚硬岩层先断裂下沉，随工作面推进，距采场较远厚硬岩层发生弯曲下沉和断裂下沉，作用于沿空煤体的荷载持续增加，直至触矸后进入相对稳定状态。其间，采动覆岩荷载迁移过程分别经历缓增、急增、缓增三个阶段，致使煤体应力集中区发生迁移，支承压力峰值增大。

图1 侧向采动覆岩结构及荷载迁移倾向剖面

2.2 采动覆岩荷载迁移与煤柱应力递增关系

在采动覆岩运动及荷载迁移过程中，侧向岩重荷载作用区域向深部转移扩大，造成沿空煤体侧向高应力区迁移扩大，支承压力峰值升高、影响范围扩大，煤柱区支撑的采动覆岩荷载及其与煤层应力集中区迁移关系如图2所示。

*沿空巷道与采空区距离关系：s—小煤柱；m—大煤柱；w—宽煤柱；侧向煤体支承压力分布曲线：a—沿空工作面采前；b—沿空工作面初采；c为沿空工作面采中

根据矿山压力与岩层控制理论，上覆岩层运动包括弯曲下沉和断裂下沉两种形式，岩重荷载从形成到加载有一个时间过程，分别经历缓增阶段、急增阶段、缓增阶段三个主要迁移阶段，造成煤体应力集中区迁移，支承压力峰值增大。在深部采场，各岩层组之间的差异性，造成其下沉运动的非同步性和覆岩结构形式的多变性，其下沉量及对下部岩层加载速度各异。选用小煤柱开采方案时，煤柱区采动覆岩集中荷载与煤体支承压力分布关系如图2所示。由图2，煤柱支撑岩重荷载Q为：

式中，Qi为某岩层组岩重，Qi=γihi，kN/m3；n为直接作用于煤柱区的岩层组数目(未出现离层的岩层组合数量)；hi为各岩层组合的厚度，m；γi为各岩层组合的平均容重，kN/m3；Li为各传递岩梁的跨度，m；ki为各岩层组合形成的覆岩结构作用于煤柱区的岩重荷载集中系数(重量比例)。

沿空工作面开采前，煤柱区支撑近场覆岩结构的集中荷载Q1，对应侧向支承压力分布曲线a；随工作面推进，超前采动覆岩发生断裂下沉，较远场覆岩结构集中荷载Q2形成增量k1Q2，煤柱区支撑荷载增加，支承压力大小及分布范围增大，对应侧向支承压力分布曲线b；一定条件下，远场采动覆岩断裂下沉，煤柱区增量荷载k2Q3进一步增大，煤体侧向支承压力大小及分布范围也增加，对应侧向支承压力分布曲线c。同时，随沿空工作面推进，对超前区域，煤柱还会受覆岩结构的超前影响，导致煤体超前支承压力进一步增大。

因此，在深部开采中，沿空工作面留设煤柱宽度越大，煤柱区支撑的采动覆岩集中荷载越大，这也是鄂尔多斯深部煤矿沿空工作面发出多次冲击地压的主要影响因素之一。因此，从资源最大化开采和防冲安全考虑，留设小煤柱为深部工作面冲击地压防治的最优方案。

2.3 沿空工作面冲击地压发生机制

近水平煤层单个工作面开采后，采空区周围岩层运动处于非充分采动阶段，岩层破裂高度约为采空区宽度的一半。采空区上覆岩层的运动是以岩层组为单位的，每一岩层组中的厚硬岩层作为控制层，控制着该岩层组的运动和变形。各岩层组在工作面前方产生离层，离层出现在上方岩层组的关键层和下方岩层组的软弱岩层之间，采空区一侧离层端的连线称为岩层移动线，该线与水平线的夹角α称为岩层移动角。采空区一侧煤体的侧向支承压力σ由自重应力σq和应力增量Δσ等两部分组成[19]，即：

σ=Δσ+σq

(2)

式中，Δσ等于采空区上方各关键层悬露部分传递到一侧煤体上的压力之和，即Δσ=∑σi；σi为第i层关键层悬露部分传递到一侧煤体上的压力，i=1～n。

每个坚硬厚岩层组悬露部分传递到采空区一侧煤体的重量为其重量的一半，传递到采空区一侧煤体的应力增量呈梯形分布，如图3所示。

图3 侧向支承压力计算模型

则第i个岩层组传递到采空区一侧煤体的应力增量为：

式中，σmaxi为第i层岩组作用在采空区侧煤体的最大支承压力，σmaxi=Qi/Hicotα；Mi为第i层岩层组厚度；Hi为第i层岩层组厚度中心到煤层底板的距离，Hi=I+Mi/2+ΣMj(j=1～i-1)；2I为采空区宽度；Qi为第i层岩层组在采空区悬露部分重量的一半，Qi=LiMiγ/2；Li为第i层关键层厚度中心位置在采空区的悬露长度，Li=2I+2Hicotα；γ为岩层容重。

将n个岩层组悬露部分产生的应力增量叠加，从而得到应力增量Δσ。自重产生应力σq为：

式中，H为采深，m；γ为岩层容重，t/m3；α为岩层移动角，(°)。

考虑到基岩厚度较大，取岩层移动角α为81°，采深685 m，工作面倾斜长300 m，得分段函数中自变量计算区间：[0，26]、[26，67]、[67，108]、[108，134]、[134，+∞]。

简化计算过程，将弯沉带以上岩层作为一个岩组，则其厚度M1为685 m。工作面参数代入式(2)—(4)，岩层容重γ为2.5 t/m3，得侧向支承压力压力计算公式为：

计算得到，煤体侧向支承压力峰值位置距采空区约80 m，支承压力峰值约为67 MPa；侧向距采空区134 m以外范围为原岩应力区。

因此，在鄂尔多斯深部沿空工作面开采中，在走向和倾向采动覆岩集中荷载联动作用下，超前区域大煤柱支承压力升高是冲击地压发生的根本原因。

3 增量荷载作用下煤柱破坏规律数值模拟

3.1 实体煤巷道围岩破坏

以石拉乌素矿1201工作面为背景，建立数值模型，模拟主运巷在静载和冲击条件围岩受力及破坏特征，如图4所示。由图4分析可知，掘进成巷期间，巷道围岩变形量、塑性区范围较小。工作面采动影响下，选取超前工作面10 m的巷道可以看出，巷道变形破坏程度加大，围岩塑性区大大扩展；巷道位移工作帮大于实体煤帮，顶板下沉量相比掘进期间明显增大。

图4 不同荷载作用下实体煤巷道围岩塑性区分布

考虑工作面上覆岩层运动诱发的震源冲击作用，分析图4可知，震源冲击对巷道围岩的位移和塑性区产生了明显的影响，冲击能量越大，巷道表面位移和塑性区越大。最大位移发生在巷道顶部，当冲击能量为105J时，震源处塑性区和巷道顶部塑性区没有贯通，顶部位移也较小，这说明当冲击能量小于105J时，巷道围岩不会发生整体失稳破坏；当冲击能量达到106J以上时，巷道顶部塑性区和震源冲击处的塑性区相互贯通，巷道顶部严重破坏，现场表现为顶板冒落。随着顶板冲击能量的增大，底板位移量和塑性区也明显增大，但底板破坏程度明显小于顶板破坏。

3.2 急增荷载作用下小煤柱巷道围岩破坏特征

沿空工作面开采时，上区段工作面采后未破断的上覆岩层破断下沉，上覆岩层运动高度增大，采动覆岩水平方向的影响范围也增大。当上覆岩层中存在坚硬厚岩层时，该岩层组的荷载作用在煤层，造成围岩应力升高和弹性能积聚。建立尺寸为400 m×200 m×150 m数值模型，划分114500节单元和106312个节点。原岩应力按实测数据施加，在建模过程中严格按照地质剖面图的尺寸，坐标系采用直角坐标系，规定向上为正。边界条件为：上部为自由边界，四周和底部采用铰支条件。巷道顶板12 m层位震源在不同能量冲击荷载作用下围岩塑性区如图5所示。

图5 不同荷载作用下沿空巷道围岩塑性区分布

图6 工作面超前120 m小煤柱护巷情况

由图5可知，小煤柱沿空掘巷巷道掘进期间在无支护条件下巷道塑性区范围就比较大，煤柱基本整体都处于塑性状态，承载能力已经变得比较低。巷道顶板下沉量较大，下沉最大的区域位于顶板靠近煤柱帮侧。煤柱帮位移量相对于工作面更大，煤柱承载能力有限，应提高煤柱帮围岩综合支护性能。

4 沿空小煤柱巷道防冲实践及效果

4.1 沿空工作面下小煤柱安全稳定分析

根据前述分析，沿空工作面回采后，按5 m计算，由式(5)，沿空巷道小煤柱区域的侧向支承压力约7.1 MPa，煤柱无冲击危险。因此，从防冲角度，小煤柱方案大大降低了大煤柱方案造成的冲击危险性，使得巷道布置在低应力区，有利于防冲安全。但是，对沿空巷道实体煤区域，侧向支承压力的高应力区为距离采空区40～108 m范围，煤体侧向支承压力超过冲击地压临界值，巷道面临冲击危险。考虑工作面超前支承压力影响，该区域范围将变小。因此，采动覆岩集中荷载作用下，沿空巷道实体煤区域仍将面临一定的冲击风险。另外，小煤柱区的煤体受上区段回采及掘巷扰动，煤柱煤体完全塑性破坏，从巷道稳定性控制角度，沿空巷道合理护巷煤柱也应能满足自身承载力且具有一定的自稳性和完整性。因此，小煤柱工作面安全开采的条件需要同时保证巷道处于低应力区和小煤柱自稳且具有较好的承载能力。

4.2 工程实践

掘进和回采工况条件的工程实践表明，针对覆岩增量荷载的三个迁移阶段，在煤体卸压、侧向顶板岩层预裂、防冲支护优化及超前液压支架和精准监测等防冲措施的基础上，基于沿空工作面窄区段煤柱留设的开采方案取得了良好防冲效果，现场未发生冲击现象。验证了上述研究结论是合理的。

总体来看，对于沿空掘进巷道来说，掘进阶段的变形量不大，矿压显现不强烈。沿空巷道掘进成巷后，顶底板变形量较小，巷道围岩变形以两帮移近为主。顶底板移近量在20～50 mm之间，两帮移近量为100～200 mm。围岩位移在距离迎头150～200 m左右开始逐步达到稳定。

在经受了回采阶段的影响后，工作面超前40～60 m围岩位移变化明显，其中两帮变形量在1000～1200 mm之间，煤柱帮内移量较大；顶底板变形量在800 mm左右，底鼓不明显。从回采阶段的围岩位移变化情况来看，顶板变化不大，帮部变形量较大，但仍有优化空间。

综上所述，现场优化了沿空巷道支护方案，采取了二次主动支护方案，在巷道围岩变形较大区域加强顶板锚梁、巷帮锚索等支护，提高了巷道支护结构的完整性。

5 结 论

1)在鄂尔多斯深部沿空工作面开采中，在走向和倾向采动覆岩集中荷载联动作用下，超前区域大煤柱支承压力升高是冲击地压发生的根本原因。

2)小煤柱方案大大降低了大煤柱方案造成的冲击危险性，使得巷道布置在低应力区，有利于防冲安全；但在采动覆岩集中荷载作用下，小煤柱不仅受上区段回采及掘巷扰动影响，同时还将受沿空工作面超前支承压力的耦合影响，沿空巷道实体煤区域仍将面临一定的冲击风险。

3)小煤柱承载能力有限，巷道顶板下沉量和煤柱帮位移量相对较大，下沉最大的区域位于顶板靠近煤柱帮侧，应确保煤柱帮围岩具有一定的承载能力。

4)在石拉乌素煤矿1201小煤柱工作面冲击地压综合防控实践证明，在实施一定的安全保障措施的前提下，深部巨厚基岩地层条件沿空工作面小煤柱留设切实可行，是减弱冲击危险的最优方案。针对鄂尔多斯深部小煤柱工作面冲击地压防治取得了初步成功，还需对非充分开采条件下后续小煤柱工作面开展更深入研究。