鋸齒形斷層煤柱影響區沖擊危險多參量分析*

王 超 賀志龍 周 濤 李 歡 李阿濤

（1.山東能源集團沖擊地壓防治研究中心；2.中國礦業大學礦業工程學院；3.山東能源集團趙樓煤礦）

沖擊地壓是煤礦采掘過程中常見的煤巖動力災害之一［1］。國內外生產實踐表明，斷層構造容易誘發沖擊地壓，尤其是當采掘空間接近斷裂破碎帶時，沖擊地壓發生的頻度和強度急劇增加。

除斷層活化失穩可誘發沖擊地壓外，斷層切割煤柱造成的高靜載應力也是誘發煤體沖擊失穩的主要因素之一［2］。對此，學者們開展了關于斷層煤柱誘發沖擊失穩方面的研究。韓亮等［3］利用斷層構造應力及采空區轉移支承壓力計算模型，分析了厚硬巖層控制下不規則斷層煤柱應力分布情況及其沖擊危險性。王璐等［4］分析了不同斷層煤柱寬度條件下采動空間的沖擊危險性。顧士坦等［5］研究了不同尺寸斷層煤柱的垂直應力和彈性應變能密度。楊偉利等［6］研究了不等寬斷層煤柱誘沖機理。上述研究主要分析了不同寬度斷層煤柱的應力集中分布特征及其沖擊失穩機理，并未涉及斷層煤柱高靜載應力對工作面應力分布的影響。

在分析斷層煤柱對工作面的影響時，斷層錯動特別是逆斷層上盤遺留煤柱對下盤工作面的應力傳遞作用不容忽視［7］。針對上覆煤柱的影響，王方田等［8］利用突變理論分析了淺埋煤層房式開采遺留煤柱突變失穩規律。呂長國等［9］詳細總結了工作面過遺留煤柱下方微震能量、頻次及頻譜分布特征。李靜等［10］利用CT反演技術發現煤柱在長期礦壓作用下應力向煤柱煤壁深處轉移，沖擊危險性增加。李春元等［11］采用理論計算、數值模擬、現場驗證的方法，綜合研究了遺留煤柱對下伏煤層的擾動范圍。但這些研究主要考慮了多煤層開采過程中，上覆煤層遺留煤柱對下煤層工作面應力分布的影響，忽略了斷層切割的作用。

趙樓煤礦7301工作面開采深度接近1 000 m，存在較高的原巖應力，同時在逆斷層切割作用下，上盤采空遺留鋸齒形煤柱集中應力向下傳遞，造成下盤7301工作面內應力重新分布，增加了工作面開采過程中的沖擊危險程度。為指導工作面安全生產，現場借助多參量監測數據，對工作面推進過斷層切割鋸齒形煤柱區域時的應力分布特征進行分析，為具有相似地質條件的工作面開采提供參考。

1 工作面概況

趙樓煤礦7301綜放工作面為七采區的首采面，工作面東臨一、七采區邊界，南臨7303工作面（未開采），西臨七采區3條準備巷，北鄰三、七采區邊界，其中工作面臨近的采空區主要為一、三采區已采工作面。特別是工作面與其北側臨近的三采區采空區之間存在落差為50～70 m的FZ14逆斷層，并在該區域切割形成鋸齒形煤柱群（包含5個不同尺寸的鋸齒形煤柱），其中煤柱群在層位上位于7301運輸順槽上方，如圖1所示。工作面軌道順槽長1 691 m，運輸順槽長1 664 m，工作面長度為230 m，煤層埋深為962～1 037 m。

2 多參量監測數據分析

為了研究工作面開采過不同尺寸鋸齒型煤柱區的多參量演化規律，分別以工作面開采過煤柱1和煤柱2時的監測數據為研究對象，對2個開采階段（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、應力在線及鉆屑量監測數據進行分析。

2.1 微震監測結果與分析

2.1.1 過煤柱1階段微震監測數據分析

自2019年9月30日—11月30日，7301工作面自286 m推進至501 m，即從煤柱1外側推進至煤柱1中間位置（接近煤柱2邊緣區域），相應的微震事件平面分布如圖2所示。

根據圖2，相對于工作面軌道順槽側，靠近鋸齒形煤柱側工作面微震事件明顯較多，且相對大能量事件（能量大于103J）具有明顯的集中分布特征，主要集中在A、B2個區域，分別對應著煤柱1邊緣區域和煤柱1與煤柱2交界區域（煤柱2邊緣區域），說明在煤柱邊緣（交界）區域應力集中程度相對較高，這與該區域煤柱寬度變化有關。通過A、B2個區域內事件分布對比，不難發現B區域微震事件沿工作面側向分布范圍要明顯大于A區域，說明煤柱2造成的應力集中對工作面應力分布影響范圍要明顯大于煤柱1的影響，推測當煤柱寬度較大時，煤柱造成的應力集中程度相對較小，且應力峰值距離工作面相對較遠，對工作面應力分布影響相對較小。

為了分析微震參量的演化規律，統計并做出微震日累計能量和事件數演化曲線，如圖3所示。

根據圖3，自7301工作面進入煤柱影響區開始，微震日累計能量及事件數持續增加，直至工作面推進至煤柱內部區域，微震日累計能量與事件數出現明顯降低，并在工作面接近煤柱1與煤柱2交界區域開始再次明顯增加，同樣證明了煤柱區域應力集中程度與煤柱寬度有關。特別是在工作面推進接近煤柱1邊緣及煤柱1與煤柱2交界位置時，微震日累計能量及事件數出現明顯高值，并達到該階段峰值，說明在煤柱邊緣（交界）位置，煤柱變窄導致的應力集中程度較高，推斷由于三角形煤柱形狀上的不規則容易導致邊角處的應力集中，從而導致煤柱區域的應力差異較大，微震事件頻發。

2.1.2 過煤柱2階段微震監測數據分析

自2019年11月30日—2020年1月30日，7301工作面自501 m推進至721 m，即從煤柱2邊緣推進至煤柱2與煤柱3交界位置（接近煤柱3邊緣區域），相應的微震事件平面分布如圖4所示。

根據圖4，靠近鋸齒形煤柱側工作面微震事件分布同樣明顯多于工作面軌道順槽側，且靠近煤柱區域相對大能量事件分布相對集中。與上一階段類似，微震事件具有明顯的超前分布特征，該階段微震事件主要集中在煤柱3和煤柱4區域，微震事件分布超前工作面最遠達379 m范圍，推斷工作面超前影響范圍最大可達400 m左右。另外，通過與上一階段微震事件側向分布范圍對比，該階段微震事件沿工作面側向分布范圍明顯較高，推斷煤柱2造成的應力集中對工作面應力分布影響范圍更廣，證明煤柱寬度較小時，煤柱造成的應力集中程度更高，且對工作面應力分布影響程度更高。

根據圖5所示該階段微震日累計能量和事件數演化曲線，在工作面推進至煤柱交界（邊緣）位置時，微震日累計能量及事件數明顯增加，并達到該階段峰值，同樣說明在煤柱邊緣（交界）位置，煤柱變窄導致的應力集中程度較高。另外，通過與上一階段對比，該階段微震日累計及事件數明顯高于上一階段，說明煤柱寬度是影響煤柱應力集中程度的重要因素。

綜上，通過對工作面推進過煤柱1和煤柱2階段微震參量分析，受煤柱集中應力影響，工作面開采過程中的微震事件主要集中在煤柱側，且煤柱造成的應力集中對工作面應力分布的影響與煤柱寬度有關。在煤柱寬度較小的邊緣區域，微震事件明顯集中，微震能量及事件數明顯較高，且煤柱寬度越小，微震事件各參量值異常程度越高，說明煤柱寬度較小時，煤柱應力集中程度相對更高。另外，根據微震事件分布特征，該工作面超前影響區域較遠，最遠可達400 m，推斷與煤層上覆巖層結構有關。

2.2 應力在線及鉆屑量監測結果與分析

在7301工作面回采過程中，分別對工作面兩順槽超前250 m范圍內的應力值及超前60 m范圍內的鉆屑量進行了監測，根據工作面開采過鋸齒形煤柱不同階段，分別對應力在線及鉆屑量監測結果進行分析。

2.2.1 應力在線監測數據分析

7301工作面安裝了一套沖擊地壓實時監測預警系統，該系統的鉆孔應力計分別安裝在上下平巷的待采煤層中，測站間距為25 m，隨著工作面的推進，實時對工作面超前影響區進行沖擊地壓監測預警，距7301切眼25 m布置1號測站，依次向外間隔25 m布置1個測站（允許誤差±5 m），每個測站布置2個測點，鉆孔應力計安裝深度分別為14 m和8 m，間隔1～1.5 m。隨工作面推進，及時拆卸前移，保證監測范圍不小于250 m。

監測日報表是統計當日兩巷煤壁前方250 m范圍的應力峰值，則應力峰值所在位置即可表明超前250 m內的高應力。巷道不同位置到開切眼的距離及與煤柱的相對位置如圖6所示。首先統計并做出工作面過煤柱1階段巷道應力峰值分布曲線，如圖7所示。其中軌順淺（深）、運順淺（深）表示兩順槽深、淺孔的應力峰值。

根據圖7，在工作面推進至煤柱1區域過程中，巷幫煤壁應力值出現明顯波動，相對于軌道順槽，巷道煤壁應力高值主要集中靠近鋸齒形煤柱的運順順槽側，主要受煤柱造成的應力集中影響。雖然在超前工作面10～250 m范圍均有應力峰值出現，但應力高值主要集中在運順順槽350，500，600及700 m附近，從圖6可知，這些位置分別對應著煤柱1邊緣、煤柱1中部、煤柱1與煤柱2交界（煤柱2邊緣）及煤柱2中部等區域，說明在煤柱邊緣和煤柱中部區域，應力集中程度要明顯高于其它區域。

圖8為工作面過煤柱2階段巷道應力峰值分布曲線，應力高值同樣主要集中在運順順槽側，且應力峰值頻繁出現在運順順槽741，840及866 m附近，從圖6可知，這些位置對應著煤柱2與煤柱3交界（邊緣）及煤柱3中部區域，說明在鋸齒煤柱邊角區域更容易產生應力集中，造成工作面應力升高。

2.2.2 鉆屑量監測數據分析

統計并做出工作面回采過程中鉆屑量變化曲線，如圖9所示，其中鉆屑鉆孔深度為15 m，鉆屑量按5 m為階段進行統計。

根據圖9，當工作面推進至煤柱1區域時，鉆屑量出現了明顯上升，說明煤柱1區域整體的應力值較高，相應的沖擊危險程度也較高，但當工作面推進至煤柱2區域時，鉆屑量相對于上一階段整體較低，說明當7301工作面推進至煤柱1區域時沖擊危險性最大。

綜上，根據工作面兩順槽煤壁應力值演化規律，在鋸齒煤柱邊角區域更容易產生應力集中，工作面應力值較高。另外，根據鉆屑量變化特征，當工作面初次進入煤柱影響區時，工作面應力集中程度較高，相應的沖擊危險程度也較高。

3 結論

（1）受煤柱集中應力影響，7301工作面高應力區主要集中在靠近斷層側的運輸順槽。

（2）煤柱造成的應力集中對7301工作面應力分布的影響與煤柱寬度有關，當煤柱寬度較小時，煤柱應力集中程度更高，對工作面應力分布影響程度更大。

（3）7301工作面推進至煤柱邊緣（交界）區域時，更容易產生高應力集中，造成工作面應力升高。工作面初次進入煤柱影響區時，工作面應力集中程度較高，相應的沖擊危險程度也增大。