鋸齒形斷層煤柱影響區(qū)沖擊危險(xiǎn)多參量分析*

王 超 賀志龍 周 濤 李 歡 李阿濤

（1.山東能源集團(tuán)沖擊地壓防治研究中心；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；3.山東能源集團(tuán)趙樓煤礦）

沖擊地壓是煤礦采掘過程中常見的煤巖動(dòng)力災(zāi)害之一［1］。國內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)踐表明，斷層構(gòu)造容易誘發(fā)沖擊地壓，尤其是當(dāng)采掘空間接近斷裂破碎帶時(shí)，沖擊地壓發(fā)生的頻度和強(qiáng)度急劇增加。

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

在分析斷層煤柱對工作面的影響時(shí)，斷層錯(cuò)動(dòng)特別是逆斷層上盤遺留煤柱對下盤工作面的應(yīng)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(wěn)規(guī)律。呂長國等［9］詳細(xì)總結(jié)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(shù)發(fā)現(xiàn)煤柱在長期礦壓作用下應(yīng)力向煤柱煤壁深處轉(zhuǎn)移，沖擊危險(xiǎn)性增加。李春元等［11］采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場驗(yàn)證的方法，綜合研究了遺留煤柱對下伏煤層的擾動(dòng)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(yīng)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(yīng)力，同時(shí)在逆斷層切割作用下，上盤采空遺留鋸齒形煤柱集中應(yīng)力向下傳遞，造成下盤7301工作面內(nèi)應(yīng)力重新分布，增加了工作面開采過程中的沖擊危險(xiǎn)程度。為指導(dǎo)工作面安全生產(chǎn)，現(xiàn)場借助多參量監(jiān)測數(shù)據(jù)，對工作面推進(jìn)過斷層切割鋸齒形煤柱區(qū)域時(shí)的應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析，為具有相似地質(zhì)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(qū)的首采面，工作面東臨一、七采區(qū)邊界，南臨7303工作面（未開采），西臨七采區(qū)3條準(zhǔn)備巷，北鄰三、七采區(qū)邊界，其中工作面臨近的采空區(qū)主要為一、三采區(qū)已采工作面。特別是工作面與其北側(cè)臨近的三采區(qū)采空區(qū)之間存在落差為50～70 m的FZ14逆斷層，并在該區(qū)域切割形成鋸齒形煤柱群（包含5個(gè)不同尺寸的鋸齒形煤柱），其中煤柱群在層位上位于7301運(yùn)輸順槽上方，如圖1所示。工作面軌道順槽長1 691 m，運(yùn)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(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了研究工作面開采過不同尺寸鋸齒型煤柱區(qū)的多參量演化規(guī)律，分別以工作面開采過煤柱1和煤柱2時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對象，對2個(gè)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(yīng)力在線及鉆屑量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 微震監(jiān)測結(jié)果與分析

2.1.1 過煤柱1階段微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

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

根據(jù)圖2，相對于工作面軌道順槽側(cè)，靠近鋸齒形煤柱側(cè)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(gè)區(qū)域，分別對應(yīng)著煤柱1邊緣區(qū)域和煤柱1與煤柱2交界區(qū)域（煤柱2邊緣區(qū)域），說明在煤柱邊緣（交界）區(qū)域應(yīng)力集中程度相對較高，這與該區(qū)域煤柱寬度變化有關(guān)。通過A、B2個(gè)區(qū)域內(nèi)事件分布對比，不難發(fā)現(xiàn)B區(qū)域微震事件沿工作面?zhèn)认蚍植挤秶黠@大于A區(qū)域，說明煤柱2造成的應(yīng)力集中對工作面應(yīng)力分布影響范圍要明顯大于煤柱1的影響，推測當(dāng)煤柱寬度較大時(shí)，煤柱造成的應(yīng)力集中程度相對較小，且應(yīng)力峰值距離工作面相對較遠(yuǎn)，對工作面應(yīng)力分布影響相對較小。

為了分析微震參量的演化規(guī)律，統(tǒng)計(jì)并做出微震日累計(jì)能量和事件數(shù)演化曲線，如圖3所示。

根據(jù)圖3，自7301工作面進(jìn)入煤柱影響區(qū)開始，微震日累計(jì)能量及事件數(shù)持續(xù)增加，直至工作面推進(jìn)至煤柱內(nèi)部區(qū)域，微震日累計(jì)能量與事件數(shù)出現(xiàn)明顯降低，并在工作面接近煤柱1與煤柱2交界區(qū)域開始再次明顯增加，同樣證明了煤柱區(qū)域應(yīng)力集中程度與煤柱寬度有關(guān)。特別是在工作面推進(jìn)接近煤柱1邊緣及煤柱1與煤柱2交界位置時(shí)，微震日累計(jì)能量及事件數(shù)出現(xiàn)明顯高值，并達(dá)到該階段峰值，說明在煤柱邊緣（交界）位置，煤柱變窄導(dǎo)致的應(yīng)力集中程度較高，推斷由于三角形煤柱形狀上的不規(guī)則容易導(dǎo)致邊角處的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致煤柱區(qū)域的應(yīng)力差異較大，微震事件頻發(fā)。

2.1.2 過煤柱2階段微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

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

根據(jù)圖4，靠近鋸齒形煤柱側(cè)工作面微震事件分布同樣明顯多于工作面軌道順槽側(cè)，且靠近煤柱區(qū)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(qū)域，微震事件分布超前工作面最遠(yuǎn)達(dá)379 m范圍，推斷工作面超前影響范圍最大可達(dá)400 m左右。另外，通過與上一階段微震事件側(cè)向分布范圍對比，該階段微震事件沿工作面?zhèn)认蚍植挤秶黠@較高，推斷煤柱2造成的應(yīng)力集中對工作面應(yīng)力分布影響范圍更廣，證明煤柱寬度較小時(shí)，煤柱造成的應(yīng)力集中程度更高，且對工作面應(yīng)力分布影響程度更高。

根據(jù)圖5所示該階段微震日累計(jì)能量和事件數(shù)演化曲線，在工作面推進(jìn)至煤柱交界（邊緣）位置時(shí)，微震日累計(jì)能量及事件數(shù)明顯增加，并達(dá)到該階段峰值，同樣說明在煤柱邊緣（交界）位置，煤柱變窄導(dǎo)致的應(yīng)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(jì)及事件數(shù)明顯高于上一階段，說明煤柱寬度是影響煤柱應(yīng)力集中程度的重要因素。

綜上，通過對工作面推進(jìn)過煤柱1和煤柱2階段微震參量分析，受煤柱集中應(yīng)力影響，工作面開采過程中的微震事件主要集中在煤柱側(cè)，且煤柱造成的應(yīng)力集中對工作面應(yīng)力分布的影響與煤柱寬度有關(guān)。在煤柱寬度較小的邊緣區(qū)域，微震事件明顯集中，微震能量及事件數(shù)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(shí)，煤柱應(yīng)力集中程度相對更高。另外，根據(jù)微震事件分布特征，該工作面超前影響區(qū)域較遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)可達(dá)400 m，推斷與煤層上覆巖層結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.2 應(yīng)力在線及鉆屑量監(jiān)測結(jié)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(nèi)的應(yīng)力值及超前60 m范圍內(nèi)的鉆屑量進(jìn)行了監(jiān)測，根據(jù)工作面開采過鋸齒形煤柱不同階段，分別對應(yīng)力在線及鉆屑量監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2.1 應(yīng)力在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

7301工作面安裝了一套沖擊地壓實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的鉆孔應(yīng)力計(jì)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(jìn)，實(shí)時(shí)對工作面超前影響區(qū)進(jìn)行沖擊地壓監(jiān)測預(yù)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(gè)測站（允許誤差±5 m），每個(gè)測站布置2個(gè)測點(diǎn)，鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝深度分別為14 m和8 m，間隔1～1.5 m。隨工作面推進(jìn)，及時(shí)拆卸前移，保證監(jiān)測范圍不小于250 m。

監(jiān)測日報(bào)表是統(tǒng)計(jì)當(dāng)日兩巷煤壁前方250 m范圍的應(yīng)力峰值，則應(yīng)力峰值所在位置即可表明超前250 m內(nèi)的高應(yīng)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(tǒng)計(jì)并做出工作面過煤柱1階段巷道應(yīng)力峰值分布曲線，如圖7所示。其中軌順淺（深）、運(yùn)順淺（深）表示兩順槽深、淺孔的應(yīng)力峰值。

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

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

2.2.2 鉆屑量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

根據(jù)圖9，當(dāng)工作面推進(jìn)至煤柱1區(qū)域時(shí)，鉆屑量出現(xiàn)了明顯上升，說明煤柱1區(qū)域整體的應(yīng)力值較高，相應(yīng)的沖擊危險(xiǎn)程度也較高，但當(dāng)工作面推進(jìn)至煤柱2區(qū)域時(shí)，鉆屑量相對于上一階段整體較低，說明當(dāng)7301工作面推進(jìn)至煤柱1區(qū)域時(shí)沖擊危險(xiǎn)性最大。

綜上，根據(jù)工作面兩順槽煤壁應(yīng)力值演化規(guī)律，在鋸齒煤柱邊角區(qū)域更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，工作面應(yīng)力值較高。另外，根據(jù)鉆屑量變化特征，當(dāng)工作面初次進(jìn)入煤柱影響區(qū)時(shí)，工作面應(yīng)力集中程度較高，相應(yīng)的沖擊危險(xiǎn)程度也較高。

3 結(jié)論

（1）受煤柱集中應(yīng)力影響，7301工作面高應(yīng)力區(qū)主要集中在靠近斷層側(cè)的運(yùn)輸順槽。

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

（3）7301工作面推進(jìn)至煤柱邊緣（交界）區(qū)域時(shí)，更容易產(chǎn)生高應(yīng)力集中，造成工作面應(yīng)力升高。工作面初次進(jìn)入煤柱影響區(qū)時(shí)，工作面應(yīng)力集中程度較高，相應(yīng)的沖擊危險(xiǎn)程度也增大。