煤柱過渡區的應力遷移與沖擊礦壓顯現特征

張少杰，王金安，魏現昊

（北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083）

在煤炭開采中煤柱的作用十分重要。煤柱沖擊礦壓現象時有發生，對煤柱沖擊礦壓的研究具有十分重要的意義［1－2］。沖擊礦壓通常是在煤巖力學系統達到極限強度時，以突然、急劇、猛烈的形式釋放彈性能，導致煤巖體震動和破壞，將煤巖拋向井巷，造成井巷破壞及人身傷亡事故［3－7］。綜合分析國內外發生的沖擊礦壓種類，可大致分為煤體壓縮型、頂板斷裂型和斷層錯動型［8］。煤柱型沖擊地壓是由于巷道周圍煤體中的壓力（開采引起的二次應力）由亞穩態增加至極限值，其聚積能量的突然釋放［9］。目前國內外對煤柱型沖擊礦壓的研究，代表性成果有：章夢濤［10］提出的煤巖材料失穩理論，并建立了判別沖擊地壓發生的框架；Z.Mràz［11］研究的煤柱彈塑性變形和穩定問題；王金安［12－15］研究的綜放異形煤柱留巷系統力學場演化規律和異形煤柱尺寸效應；謝廣祥［16－18］研究的煤柱寬度對綜放面圍巖應力分布規律影響等。本文對華亭煤礦250103工作面煤柱過渡區域進行了數值模擬、微震監測和應力監測，揭示了煤柱寬度變化時，煤體內應力的遷移規律和礦壓顯現特征。

1 概況

華亭煤礦250103工作面是2501采區首分層第三個回采工作面，開采煤層為煤5，煤層傾角6°，煤層平均厚度37.5m，本工作面分層厚度平均13.2m，運輸順槽標高為＋828.932～＋987.079m，回風順槽標高為＋870.407～＋998.050m，地面標高為＋1457～＋1620m。煤層柱狀圖，見圖1。原設計250103工作面與250101工作面之間有20m的隔離煤柱，當250103回風順槽掘進至工作面700m時，考慮到回采期間20m煤柱應力集中，容易發生強礦壓，250103工作面從700m處開始將回風順槽調為6m小煤柱掘進，并在大小煤柱過渡處擴掘撤架通道，如圖2所示。本文針對250103工作面煤柱過渡區域的應力遷移和礦壓顯現特征進行研究。

如圖3所示，建立的FLAC3D模型，走向長600m，傾斜寬220m，模型高280m。圖4為煤層剖面圖。模型側面限制水平移動，模型底面限制垂直移動，模型上部施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量6.5MPa。根據華亭煤礦地應力測量數據，礦區地應力場為構造應力場類型，地應力以水平應力為主，模型傾向方向水平應力取豎向應力的1.6倍，走向方向取豎向應力的1.2倍，力學參數見表1。

圖1 250103工作面綜合柱狀圖

圖2 250103工作面、回撤通道和煤柱相鄰位置圖

圖3 三維采場數值模型

表1 巖石力學參數

2 小煤柱區應力特征分析

圖5為250103工作面距回撤通道54m時的最大主應力場圖。工作面回采過程中，受250101工作面沿煤層傾向支承壓力和250103工作面本身沿走向超前支承壓力分布的疊加作用，250103工作面煤層上隅角位置產生較高的應力集中。圖6為250103工作面距回撤通道26m時的最大主應力場圖。當250103工作面距回撤通道54m時，最大主應力值為68.5MPa，應力峰值距回撤通道35.7m，應力集中主要位于回風順槽下幫煤體中。當250103工作面距回撤通道26m時，最大主應力值為66.3MPa，應力峰值距回撤通道12.4m，應力集中位置主要位于回撤通道上幫煤體中。隨著250103工作面的回采推進，煤層中的應力峰值逐漸向回撤通道移近。

圖5 工作面距回撤通道54m時煤層最大主應力場

圖6 工作面距回撤通道26m時煤層最大主應力場

華亭煤礦引進了波蘭16通道“SOS”微震監測系統。該微震監測系統能自動記錄微震活動，實時進行震源定位和微震能量計算。圖7和圖8分別為250103工作面距回撤通道54m和26m時的微震震源定位圖。從圖7、圖8中可以看出：在工作面距回撤通道54m和26m，均有一次能量處于1.0E7J至5.0E7J范圍的震動發生。250103工作面距回撤通道54m時，震源位于開采線前方回風順槽下幫煤體中；250103工作面距回撤通道26m時，震源位于250101采空區內，距250103工作面回風順槽外幫102m，開采線前方63m。在小煤柱區，震動主要集中在相鄰采空區中，震動為相鄰采空區中覆巖結構再次失穩，與工作面覆巖協同運動所致。

圖7 震源定位圖（工作面距回撤通道54m）

圖8 震源定位圖（工作面距回撤通道26m）

3 過渡區應力特征分析

圖9為250103工作面回采至回撤通道時的最大主應力場圖。圖10為250103工作面越過回撤通道10m時的最大主應力場圖。從圖9、圖10中可以看出，隨著工作面的回采推進，應力集中位置逐漸從回撤通道上幫煤體向回撤通道下幫煤體和大煤柱中轉移。

圖9 工作面回采至回撤通道時煤層最大主應力場

圖10 工作面越過回撤通道10m時煤層最大主應力場

圖11和圖12分別為250103工作面回采至回撤通道和越過回撤通道10m時的微震震源定位圖。從圖11、圖12中可以看出，250103工作面回采至回撤通道時，能量處于1.0E6J至5.0E6J范圍的震動有兩次，一次震源位于開采線前方，一次位于250101采空區內。250103工作面越過回撤通道10m時，能量處于1.0E6J至5.0E6J范圍的震動有三次，兩次位于開采線前方，一次位于250103采空區內。

在微震監測系統的基礎上，在過渡區域安裝KSE－Ⅱ－Ⅰ型鉆孔應力計對過渡區的煤體應力進行監測，測點布置方案，如圖13所示。

圖11 震源定位圖（工作面回采至回撤通道）

圖12 震源定位圖（工作面越過回撤通道10m）

圖13 鉆孔應力計測點布置方案

圖14 為109＃、104＃和106＃測點的煤體應力變化曲線。從圖14中可以看出：①250103工作面距回撤通道80m時，106＃測點的應力值明顯增大，應力值為11.4MPa；109＃測點的應力明顯減小。②250103工作面距回撤通道71m時，104＃和106＃測點的應力值增大，109＃測點的應力值減小。③250103工作面距回撤通道54m時，106＃測點的應力值明顯增大，應力值為11.5MPa；109＃測點的應力明顯減小。④250103工作面距回撤通道39m時，109＃測點的應力值明顯減小。⑤250103工作面從距回撤通道26m開始，109＃、104＃和106＃測點的應力值均明顯減小，可以得出回采工作面的超前影響范圍為26m。⑥250103工作面距回撤通道17m時，109＃、104＃和106＃測點的應力值均明顯增大，發生一次較大強度的來壓。

圖14 鉆孔應力變化曲線（109＃、104＃和106＃）

圖15 為111＃、110＃和120＃測點的煤體應力變化曲線。從圖15中可以看出：①250103工作面距回撤通道80m時，111＃、110＃和120＃測點的應力值均開始逐漸增大。②250103工作面距回撤通道54m時，應力值開始減小。③250103工作面距回撤通道26m時，110＃測點的應力值迅速增大。④250103工作面距回撤通道7m時，111＃測點應力值明顯增大，應力值為14.4MPa；110＃測點應力值明顯減小。

圖16為111＃、110＃和120＃測點的煤體應力變化曲線。從圖16中可以看出：①250103工作面距回撤通道43m時，198＃測點的應力值有所增大，205＃測點的應力值明顯減小。②250103工作面距回撤通道17m時，205＃測點的應力值再次明顯減小。

綜合分析可得：測點應力出現對應升高和降低時，易發生強礦壓。隨著工作面的推進，周期來壓步距逐漸減小，從17m減小到13m。

4 大煤柱區應力特征分析

圖17為250103工作面越過回撤通道30m時的最大主應力場圖。圖18為250103工作面越過回撤通道50m時的最大主應力場圖。從圖17、圖18中可以看出，當250103工作面越過回撤通道，進入大煤柱區域時，回撤通道上幫煤體積聚的應力和能量已經釋放，應力集中位置轉移到回風順槽下幫煤體和大煤柱中。

圖15 鉆孔應力變化曲線（111＃、110＃和120＃）

圖16 鉆孔應力變化曲線（205＃、199＃和198＃）

圖17 工作面越過回撤通道30m時煤層最大主應力場

圖19 和圖20分別為250103越過回撤通道30m和50m時的微震震源定位圖。從圖19、圖20中可以看出，當250103工作面越過回撤通道30m時，能量處于5.0E6J至1.0E7J范圍的震動有一次，震源位于開采線附近。當250103工作面越過回撤通道50m時，能量處于1.0E6J至5.0E6J范圍的震動有五次，一次位于開采線前方運輸順槽側，兩次位于250103采空區內，兩次位于250101采空區內。在大煤柱區，煤柱有效隔開了工作面和相鄰采空區間的結構聯系，震動主要集中在當前工作面和大煤柱中。

圖18 工作面越過回撤通道50m時煤層最大主應力場

圖19 震源定位圖（工作面越過回撤通道30m）

圖20 震源定位圖（工作面越過回撤通道50m）

5 過渡段礦壓防治措施

隨著工作面逐漸回采至大小煤柱過渡區，此時工作面切巷、回風順槽以及撤架通道之間就形成了一個“逐漸縮小的三角型煤柱”，易導致強礦壓以及巷道支護等困難，為最大限度的減弱可能出現的強礦壓危險以及保證巷道的支護穩定，采取了以下防治措施。

1）對過渡區煤體進行大直徑鉆孔卸壓。御壓分以下幾種情況。①撤架通道煤柱側：鉆孔間距2m，孔徑100mm以上，孔深8m以上（確保將大小煤柱過渡區回風順槽鉆透），單排布置；②撤架通道工作面側：沿撤架通道及擴掘處回風順槽往外共80m范圍進行鉆孔卸壓，鉆距2m，孔徑100mm以上，孔深15m，單排布置；③回風順槽煤柱側：在撤架通道擴掘處沿回風順槽往外50m范圍內，在大煤柱側進行鉆孔卸壓，鉆距2m，孔徑100mm以上，孔深15m，單排布置。④同時，為進一步降低撤架通道及過渡段回風順槽的強礦壓危險性，在回風順槽過渡區往工作面方向50m范圍內進一步進行大直徑鉆孔卸壓，鉆孔間距2m，孔徑100mm以上，孔深12～15m，如圖21所示。

圖21 過渡區大直徑鉆孔卸壓布置圖

2）當工作面回采至撤架通道15m左右時，對工作面欲撤架段進行錨網索支護，錨桿排、間距800mm×800mm，錨索排、間距800mm×1600mm，并在支護開始工作面向前推進5m后，頂部開始鋪設雙層金屬網，錨桿、錨索支護方式不變。同時，對撤架通道和過渡區回風順槽進行補強支護，撤架通道采用0.5m抬棚密集支護，過渡區回風順槽采用0.8m抬棚密集支護。

3）當工作面回采至距大小煤柱過渡區150m左右時，經過大小煤柱過渡區的回風順槽向前向后各50m區域內盡量避免人員逗留，盡量不擺設各種雜料、零散設備及工具，確需存放的設備、材料等應嚴格采取固定措施，堆放高度盡量不超過0.8m。

6 結論

1）250103工作面回采推進過程中，煤柱內的應力遷移路徑為：回風順槽下幫煤體→回撤通道上幫煤體→回風順槽下幫煤體和大煤柱。

2）在小煤柱區，沖擊礦壓主要集中在相鄰采空區中，震動為相鄰采空區中覆巖再次失穩，與工作面覆巖結構協同運動所致；在大煤柱區，煤柱有效隔開了工作面和相鄰采空區間的結構聯系，震動主要集中在當前工作面和大煤柱中。

3）過渡區內煤體應力的數據表明：測點應力出現對應升高和降低時，易發生強礦壓。

4）針對過渡區易發生強礦壓和支護困難的問題，采取了大直徑鉆孔卸壓、錨網索加強支護和抬棚密集支護等措施，保證了工作面的安全回采。

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