煤柱过渡区的应力迁移与冲击矿压显现特征

张少杰，王金安，魏现昊

（北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083）

在煤炭开采中煤柱的作用十分重要。煤柱冲击矿压现象时有发生，对煤柱冲击矿压的研究具有十分重要的意义［1－2］。冲击矿压通常是在煤岩力学系统达到极限强度时，以突然、急剧、猛烈的形式释放弹性能，导致煤岩体震动和破坏，将煤岩抛向井巷，造成井巷破坏及人身伤亡事故［3－7］。综合分析国内外发生的冲击矿压种类，可大致分为煤体压缩型、顶板断裂型和断层错动型［8］。煤柱型冲击地压是由于巷道周围煤体中的压力（开采引起的二次应力）由亚稳态增加至极限值，其聚积能量的突然释放［9］。目前国内外对煤柱型冲击矿压的研究，代表性成果有：章梦涛［10］提出的煤岩材料失稳理论，并建立了判别冲击地压发生的框架；Z.Mràz［11］研究的煤柱弹塑性变形和稳定问题；王金安［12－15］研究的综放异形煤柱留巷系统力学场演化规律和异形煤柱尺寸效应；谢广祥［16－18］研究的煤柱宽度对综放面围岩应力分布规律影响等。本文对华亭煤矿250103工作面煤柱过渡区域进行了数值模拟、微震监测和应力监测，揭示了煤柱宽度变化时，煤体内应力的迁移规律和矿压显现特征。

1 概况

华亭煤矿250103工作面是2501采区首分层第三个回采工作面，开采煤层为煤5，煤层倾角6°，煤层平均厚度37.5m，本工作面分层厚度平均13.2m，运输顺槽标高为＋828.932～＋987.079m，回风顺槽标高为＋870.407～＋998.050m，地面标高为＋1457～＋1620m。煤层柱状图，见图1。原设计250103工作面与250101工作面之间有20m的隔离煤柱，当250103回风顺槽掘进至工作面700m时，考虑到回采期间20m煤柱应力集中，容易发生强矿压，250103工作面从700m处开始将回风顺槽调为6m小煤柱掘进，并在大小煤柱过渡处扩掘撤架通道，如图2所示。本文针对250103工作面煤柱过渡区域的应力迁移和矿压显现特征进行研究。

如图3所示，建立的FLAC3D模型，走向长600m，倾斜宽220m，模型高280m。图4为煤层剖面图。模型侧面限制水平移动，模型底面限制垂直移动，模型上部施加垂直载荷模拟上覆岩层的重量6.5MPa。根据华亭煤矿地应力测量数据，矿区地应力场为构造应力场类型，地应力以水平应力为主，模型倾向方向水平应力取竖向应力的1.6倍，走向方向取竖向应力的1.2倍，力学参数见表1。

图1 250103工作面综合柱状图

图2 250103工作面、回撤通道和煤柱相邻位置图

图3 三维采场数值模型

表1 岩石力学参数

2 小煤柱区应力特征分析

图5为250103工作面距回撤通道54m时的最大主应力场图。工作面回采过程中，受250101工作面沿煤层倾向支承压力和250103工作面本身沿走向超前支承压力分布的叠加作用，250103工作面煤层上隅角位置产生较高的应力集中。图6为250103工作面距回撤通道26m时的最大主应力场图。当250103工作面距回撤通道54m时，最大主应力值为68.5MPa，应力峰值距回撤通道35.7m，应力集中主要位于回风顺槽下帮煤体中。当250103工作面距回撤通道26m时，最大主应力值为66.3MPa，应力峰值距回撤通道12.4m，应力集中位置主要位于回撤通道上帮煤体中。随着250103工作面的回采推进，煤层中的应力峰值逐渐向回撤通道移近。

图5 工作面距回撤通道54m时煤层最大主应力场

图6 工作面距回撤通道26m时煤层最大主应力场

华亭煤矿引进了波兰16通道“SOS”微震监测系统。该微震监测系统能自动记录微震活动，实时进行震源定位和微震能量计算。图7和图8分别为250103工作面距回撤通道54m和26m时的微震震源定位图。从图7、图8中可以看出：在工作面距回撤通道54m和26m，均有一次能量处于1.0E7J至5.0E7J范围的震动发生。250103工作面距回撤通道54m时，震源位于开采线前方回风顺槽下帮煤体中；250103工作面距回撤通道26m时，震源位于250101采空区内，距250103工作面回风顺槽外帮102m，开采线前方63m。在小煤柱区，震动主要集中在相邻采空区中，震动为相邻采空区中覆岩结构再次失稳，与工作面覆岩协同运动所致。

图7 震源定位图（工作面距回撤通道54m）

图8 震源定位图（工作面距回撤通道26m）

3 过渡区应力特征分析

图9为250103工作面回采至回撤通道时的最大主应力场图。图10为250103工作面越过回撤通道10m时的最大主应力场图。从图9、图10中可以看出，随着工作面的回采推进，应力集中位置逐渐从回撤通道上帮煤体向回撤通道下帮煤体和大煤柱中转移。

图9 工作面回采至回撤通道时煤层最大主应力场

图10 工作面越过回撤通道10m时煤层最大主应力场

图11和图12分别为250103工作面回采至回撤通道和越过回撤通道10m时的微震震源定位图。从图11、图12中可以看出，250103工作面回采至回撤通道时，能量处于1.0E6J至5.0E6J范围的震动有两次，一次震源位于开采线前方，一次位于250101采空区内。250103工作面越过回撤通道10m时，能量处于1.0E6J至5.0E6J范围的震动有三次，两次位于开采线前方，一次位于250103采空区内。

在微震监测系统的基础上，在过渡区域安装KSE－Ⅱ－Ⅰ型钻孔应力计对过渡区的煤体应力进行监测，测点布置方案，如图13所示。

图11 震源定位图（工作面回采至回撤通道）

图12 震源定位图（工作面越过回撤通道10m）

图13 钻孔应力计测点布置方案

图14 为109＃、104＃和106＃测点的煤体应力变化曲线。从图14中可以看出：①250103工作面距回撤通道80m时，106＃测点的应力值明显增大，应力值为11.4MPa；109＃测点的应力明显减小。②250103工作面距回撤通道71m时，104＃和106＃测点的应力值增大，109＃测点的应力值减小。③250103工作面距回撤通道54m时，106＃测点的应力值明显增大，应力值为11.5MPa；109＃测点的应力明显减小。④250103工作面距回撤通道39m时，109＃测点的应力值明显减小。⑤250103工作面从距回撤通道26m开始，109＃、104＃和106＃测点的应力值均明显减小，可以得出回采工作面的超前影响范围为26m。⑥250103工作面距回撤通道17m时，109＃、104＃和106＃测点的应力值均明显增大，发生一次较大强度的来压。

图14 钻孔应力变化曲线（109＃、104＃和106＃）

图15 为111＃、110＃和120＃测点的煤体应力变化曲线。从图15中可以看出：①250103工作面距回撤通道80m时，111＃、110＃和120＃测点的应力值均开始逐渐增大。②250103工作面距回撤通道54m时，应力值开始减小。③250103工作面距回撤通道26m时，110＃测点的应力值迅速增大。④250103工作面距回撤通道7m时，111＃测点应力值明显增大，应力值为14.4MPa；110＃测点应力值明显减小。

图16为111＃、110＃和120＃测点的煤体应力变化曲线。从图16中可以看出：①250103工作面距回撤通道43m时，198＃测点的应力值有所增大，205＃测点的应力值明显减小。②250103工作面距回撤通道17m时，205＃测点的应力值再次明显减小。

综合分析可得：测点应力出现对应升高和降低时，易发生强矿压。随着工作面的推进，周期来压步距逐渐减小，从17m减小到13m。

4 大煤柱区应力特征分析

图17为250103工作面越过回撤通道30m时的最大主应力场图。图18为250103工作面越过回撤通道50m时的最大主应力场图。从图17、图18中可以看出，当250103工作面越过回撤通道，进入大煤柱区域时，回撤通道上帮煤体积聚的应力和能量已经释放，应力集中位置转移到回风顺槽下帮煤体和大煤柱中。

图15 钻孔应力变化曲线（111＃、110＃和120＃）

图16 钻孔应力变化曲线（205＃、199＃和198＃）

图17 工作面越过回撤通道30m时煤层最大主应力场

图19 和图20分别为250103越过回撤通道30m和50m时的微震震源定位图。从图19、图20中可以看出，当250103工作面越过回撤通道30m时，能量处于5.0E6J至1.0E7J范围的震动有一次，震源位于开采线附近。当250103工作面越过回撤通道50m时，能量处于1.0E6J至5.0E6J范围的震动有五次，一次位于开采线前方运输顺槽侧，两次位于250103采空区内，两次位于250101采空区内。在大煤柱区，煤柱有效隔开了工作面和相邻采空区间的结构联系，震动主要集中在当前工作面和大煤柱中。

图18 工作面越过回撤通道50m时煤层最大主应力场

图19 震源定位图（工作面越过回撤通道30m）

图20 震源定位图（工作面越过回撤通道50m）

5 过渡段矿压防治措施

随着工作面逐渐回采至大小煤柱过渡区，此时工作面切巷、回风顺槽以及撤架通道之间就形成了一个“逐渐缩小的三角型煤柱”，易导致强矿压以及巷道支护等困难，为最大限度的减弱可能出现的强矿压危险以及保证巷道的支护稳定，采取了以下防治措施。

1）对过渡区煤体进行大直径钻孔卸压。御压分以下几种情况。①撤架通道煤柱侧：钻孔间距2m，孔径100mm以上，孔深8m以上（确保将大小煤柱过渡区回风顺槽钻透），单排布置；②撤架通道工作面侧：沿撤架通道及扩掘处回风顺槽往外共80m范围进行钻孔卸压，钻距2m，孔径100mm以上，孔深15m，单排布置；③回风顺槽煤柱侧：在撤架通道扩掘处沿回风顺槽往外50m范围内，在大煤柱侧进行钻孔卸压，钻距2m，孔径100mm以上，孔深15m，单排布置。④同时，为进一步降低撤架通道及过渡段回风顺槽的强矿压危险性，在回风顺槽过渡区往工作面方向50m范围内进一步进行大直径钻孔卸压，钻孔间距2m，孔径100mm以上，孔深12～15m，如图21所示。

图21 过渡区大直径钻孔卸压布置图

2）当工作面回采至撤架通道15m左右时，对工作面欲撤架段进行锚网索支护，锚杆排、间距800mm×800mm，锚索排、间距800mm×1600mm，并在支护开始工作面向前推进5m后，顶部开始铺设双层金属网，锚杆、锚索支护方式不变。同时，对撤架通道和过渡区回风顺槽进行补强支护，撤架通道采用0.5m抬棚密集支护，过渡区回风顺槽采用0.8m抬棚密集支护。

3）当工作面回采至距大小煤柱过渡区150m左右时，经过大小煤柱过渡区的回风顺槽向前向后各50m区域内尽量避免人员逗留，尽量不摆设各种杂料、零散设备及工具，确需存放的设备、材料等应严格采取固定措施，堆放高度尽量不超过0.8m。

6 结论

1）250103工作面回采推进过程中，煤柱内的应力迁移路径为：回风顺槽下帮煤体→回撤通道上帮煤体→回风顺槽下帮煤体和大煤柱。

2）在小煤柱区，冲击矿压主要集中在相邻采空区中，震动为相邻采空区中覆岩再次失稳，与工作面覆岩结构协同运动所致；在大煤柱区，煤柱有效隔开了工作面和相邻采空区间的结构联系，震动主要集中在当前工作面和大煤柱中。

3）过渡区内煤体应力的数据表明：测点应力出现对应升高和降低时，易发生强矿压。

4）针对过渡区易发生强矿压和支护困难的问题，采取了大直径钻孔卸压、锚网索加强支护和抬棚密集支护等措施，保证了工作面的安全回采。

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