连续尖角煤柱影响工作面冲击危险分析与防治研究

吕鹏飞，邱 林，苗 壮，崔学凯

(内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010)

冲击地压是严重的矿井动力灾害之一，威胁煤矿安全生产[1-2]。加之煤矿日趋复杂的开采条件，由不规则煤柱引起的冲击灾害越来越多、强度越来越大。国内外诸多学者对煤柱影响区冲击地压发生机理及防治措施进行了大量研究，例如：孙刘伟等[3]利用数值模拟方法研究深井宽煤柱区诱冲机理，采用震波CT技术分析宽煤柱区冲击危险性，并提出了防治措施；杨伟利等[4-5]研究了深井工作面不同宽度煤柱诱冲机理，建立了不等宽断层煤柱承载模型，认为覆岩应力叠加超过煤柱综合强度是诱发冲击的主要原因；翟孝昆等[6]建立了覆岩空间结构煤柱应力模型，认为触矸点应力传递和侧向支承压力是诱发采空区煤柱发生冲击地压的主要原因；曹民远等[7]研究认为冲击地压的主要影响因素是煤柱和采掘扰动叠加，提出煤层动态权重法计算体系，划分了冲击危险区域；陈学华等[8]以东滩煤矿为背景，分析了断层煤柱区冲击危险性与开采活动的关系，认为断层煤柱区冲击机理是断层切割顶板与下盘形成高应力煤柱；张明等[9]研究认为厚硬岩层悬顶结构和老巷煤壁支承应力叠加是造成煤柱冲击失稳的主要原因；刘伟建等[10]通过现场实测和数值模拟研究了宽煤柱诱冲机理，揭示了宽煤柱发生冲击的结构条件；祁和刚等[11]以葫芦素煤矿为背景，研究发现区段煤柱在侧向支承压力作用下对底板岩层影响较大；王博等[12]利用数值模拟和理论分析，研究区段煤柱应力演化规律，揭示了区段煤柱诱发冲击地压机理，提出了有针对性的防治措施。目前的研究多针对煤柱宽度合理留设及支承应力方面，对于连续尖角煤柱影响工作面诱发冲击地压方面的研究较少。

笔者以东滩煤矿14320工作面回采与邻近工作面采空区形成5个连续尖角煤柱为工程背景，采用数值模拟、理论分析、工程实践等方法，综合研究工作面冲击地压的地质影响因素，采动影响下连续尖角煤柱应力演化规律，并划分冲击危险区，提出不同危险区域的防冲措施，为本工作面安全开采提供保障。

1 工作面概况

东滩煤矿14320工作面位于十四采区西部，北邻井田边界，南邻采空区(随回采与其依次形成 5个尖角煤柱，记作煤柱1～5)，西与鲍店煤矿7302采空区相距50.2 m，东侧为14采区上山。工作面走向长度885 m，倾斜宽度287 m，煤层埋深平均 540 m，煤厚平均9.3 m，倾角平均4°。14320工作面布置如图1 所示。工作面直接顶和基本顶分别为10.4 m厚的粉细砂岩互层和24.3 m厚的细砂岩，直接底和基本底分别为2.15 m厚的泥岩和8.75 m厚的粉砂岩。顶板属硬厚岩层，采掘活动容易诱发顶板释放较大能量， 5个尖角形煤柱容易形成应力集中且不均衡的条件，具备诱发冲击地压的可能性。

图1 14320工作面布置示意图

2 影响冲击地压发生的地质因素

2.1 煤岩冲击倾向

开采过程中煤岩体的冲击倾向性对冲击地压能否发生有较大影响[13-14]。经测定，3煤层的强度为8.33 MPa，动态破坏时间为87.5 ms，弹性能指数为2.52，冲击能指数为1.97，属于弱冲击倾向性煤层；顶底板复合弯曲能指数分别为112.80、111.30 kJ，属于弱冲击倾向性顶底板。

2.2 地质构造

在褶曲、断层等地质构造区，冲击地压发生相对集中[15]。14320工作面受C7背斜(轴向S60°～W80°，波幅40～100 m)影响，煤层呈缓波状起伏，轴部应力相对集中，工作面南部煤层倾角变化较大，受开采影响煤岩体破坏释放能量较大。工作面运输平巷揭露NF92(H=3.2 m)、NF89(H=0.8 m)、NF89-1(H=0.7 m)3条断层(位置如图1所示)，均为正断层且落差较小，故断层对回采的影响较小。

2.3 地应力

根据14320工作面地应力实测结果可知：工作面最大主应力σ1为17.95 MPa，仰角12°，方位角N92°，是垂直应力σh的1.35倍(σh为13.3 MPa)，且与工作面回风平巷夹角57°(工作面回风平巷为N35°)。故认为水平应力对巷道围岩稳定性有一定影响，但影响程度不大。

2.4 坚硬顶板活动

图2为14320工作面内补32和P1-1钻孔柱状图，其中补32钻孔和P1-1钻孔分别距开切眼246 m和813 m(位置如图1所示)。初采阶段煤层上方砂岩累计厚度为36.21 m，硬度较大且受开采影响容易释放较大能量；回采后期煤层上方泥岩和黏土岩累计厚度为6.20 m，此类岩石的硬度比砂岩硬度低，释放能量较弱。故工作面回采初期发生冲击地压的可能性较回采后期更大。

图2 钻孔柱状图

3 连续尖角煤柱应力演化特征

3.1 数值模型的建立

依托14320工作面地质及开采情况，基于RHINO 6软件建立三维模型，再利用FLAC3D软件分析采动影响下依次形成的5个煤柱内应力演化规律。所建模型如图3所示,模型中各岩层分布及其力学参数如表1所示。模型四周和底部分别施加水平和垂直约束，顶部为自由边界。模型顶部施加10.75 MPa梯度应力，应力分解后x、y方向分别施加14.25、8.05 MPa的水平应力。

图3 数值模拟三维模型网格划分

表1 数值模拟模型各层岩石力学参数

3.2 模拟结果分析

首先，按照实际开采顺序将邻近14316、14317、14318、14309和鲍店煤矿7302工作面开挖完毕；然后分Ⅰ～Ⅴ阶段开挖14320工作面，每个开挖阶段范围为过邻近煤柱尖角处50 m(对应开挖距离分别为220、398、644、912、1 043 m)并在煤柱尖角左右各25 m处共设立8个应力监测点。据此分析各煤柱在不同开采阶段的应力演化特征。

不同阶段最大主应力分布和测点应力分别如图4和图5所示。

(a)邻近采空区开采完成

(b)第Ⅰ阶段回采完成

(c)第Ⅱ阶段回采完成

(d)第Ⅲ阶段回采完成

(e)第Ⅳ阶段回采完成

(f)第Ⅴ阶段回采完成

图5 各监测点应力变化曲线

由图4和图5可以看出：第Ⅰ阶段回采完成后，与鲍店煤矿采空区形成的矿界煤柱内最大主应力为52 MPa，煤柱1(测点1)最大主应力为49.8 MPa，开切眼及回风平巷应力升高，有发生冲击的可能性。此后的Ⅱ～Ⅴ阶段回采完成后(见图4(c)～(f))，煤柱 2～5(测点2～8)、煤柱3(测点4、5)、煤柱4(测点6、7)、煤柱5(测点8)最大主应力分别为54.9、51.2、59.9、60.1、61.2、61.5、61.3 MPa，回风平巷最大主应力增大，对应位置的冲击危险性随之升高。受连续尖角煤柱影响，Ⅱ～Ⅴ阶段回采完成后，煤柱1(测点1)内最大主应力较Ⅰ阶段回采完成时分别增加了5.3、10.3、12.1、15.1 MPa；煤柱2～4内最大主应力随Ⅲ～Ⅴ阶段回采完成时增大6%～26%。由此可知，5个尖角煤柱处具备较高的应力集中且连续尖角煤柱存在应力累积效应，故回采过程中，回风平巷侧为该工作面冲击地压危险性最强区域。

4 工作面冲击危险分析

4.1 冲击危险性综合指数法宏观评判

采用综合指数法[16-18]宏观评价14320工作面冲击危险性。其中，地质条件影响因素如下：①3煤层发生过2次冲击事故，该项影响因素取值为2；②工作面最大采深558.84 m，该项影响因素取值为1；③坚硬岩层距煤层18.56 m，该项影响因素取值为3；④煤层上方100 m范围内顶板岩层厚度特征参数为82.34 m，该项影响因素取值为2；⑤开采区域构造复杂，该项影响因素取值为2；⑥煤的强度为 8.33 MPa，该项影响因素取值为1；⑦煤的弹性能指数为2.52，该项影响因素取值为1。

开采技术条件影响因素如下：①部分工作面两侧沿空，该项影响因素取值为2；②区段煤柱不规则，该项影响因素取值为3；③工作面长885 m，该项影响因素取值为0；④掘进巷道距采空区50.2 m，该项影响因素取值为3；⑤运输平巷揭露NF-92断层(落差3.2 m)，该项影响因素取值为2；⑥煤层倾角小于15°，该项影响因素取值为0；⑦工作面无保护层，该项影响因素取值为0；⑧巷道掘进不留底煤，该项影响因素取值为0。

基于上述影响因素评定工作面冲击危险等级，计算公式如式(1)和式(2)所示：

(1)

Wt=max{Wt1,Wt2}

(2)

式中：Wti为危险等级评定指数；Wi为各项影响因素实际取值；Wimax为各项影响因素最大可取值;Wt为危险等级评定综合指数；Wt1、Wt2分别为地质因素和开采技术因素冲击危险等级评定指数。

评判原则如下：

1)无冲击危险：Wt≤0.25；

2)弱冲击危险：0.25

3)中等冲击危险：0.50

4)强冲击危险：Wt>0.75。

计算得到地质条件和开采技术条件冲击危险指数Wt1和Wt2分别为0.67和0.42，判定14320工作面冲击危险等级评定综合指数Wt为0.67，故该工作面具有中等冲击危险。

4.2 冲击危险多因素耦合划分

针对运输平巷、回风平巷和开切眼巷道分析14320工作面冲击地压危险程度及区域，将冲击危险等级划分为强、中、弱3类，划分原则如表2所示。

表2 冲击危险等级划分原则

回采期间，回风平巷受5个连续尖角煤柱耦合影响，预测共计948.81 m巷道具有强冲击危险。运输平巷揭露3条断层(NF92、NF83、NF89-1)，其中NF92断层前后85.07 m、NF89和NF89-1断层前后128.42 m，共计213.49 m范围受采动影响，预测具有中等冲击危险。开切眼巷道受到50.2 m矿界煤柱影响具有弱冲击危险。具体划分结果如图6所示，可见，14320工作面冲击危险主要集中在回风平巷侧和运输平巷断层带附近，有必要在回采过程中实施解危措施。

图6 14320工作面冲击危险划分结果

5 围岩强度弱化防冲技术

5.1 围岩强度弱化防冲有效性分析

为分析煤岩体强度弱化防冲的有效性，将原数值模型中煤层及顶底板参数降低至50%[19-20]。再次开挖计算，得到煤层及顶底板强度弱化后最大主应力曲线，如图7所示。

图7 强度弱化后各阶段最大主应力分布曲线

对比图5和图7计算结果可以看出：第Ⅰ阶段回采完成后，煤柱1(测点1)最大主应力为37.5 MPa，比强度弱化前降低12.3 MPa。此后Ⅱ～Ⅴ阶段回采完成，煤柱2～5(测点2～8)最大主应力分别降低了13.3、11.4、 14.2、12.4、10.5、9.9、12.8 MPa。可见，强度弱化后计算模型的8个测点最大主应力降低17%～24%。因此认为采取围岩强度弱化措施对煤岩体内能量积聚程度有所改善，说明围岩强度弱化对降低围岩冲击危险有效。

5.2 围岩强度弱化专项防冲措施与实践

基于上述冲击危险区域划分结果，对工作面强冲击危险区实施大直径钻孔与煤层注水组合卸压措施，中等冲击危险区实施大直径钻孔卸压措施，弱冲击危险区实施钻屑法解危措施。具体实施方式如下：

1)强冲击危险区：回采前对煤壁前方回风平巷两帮70 m范围实施注水软化措施，且工作面每掘进20 m继续超前70 m实施注水软化措施，确保煤壁前方50 m以上为软化缓冲区，回采中对回风平巷实体煤帮实施大直径钻孔卸压，钻孔孔径125 mm，孔深20 m，孔间距9 m。

2)中等冲击危险区：回采中对运输平巷实施大直径钻孔卸压，钻孔孔径130 mm，孔深 20 m，孔间距10 m。

3)弱冲击危险区：回采前开切眼巷道受50.2 m宽的矿界煤柱影响，存在一定的应力集中，具备发生冲击地压的可能性。采取钻屑法对开切眼巷道进行解危，钻孔孔径50 mm，孔深14 m，孔间距2 m。

5.3 效果检验

对解危后的上述冲击危险区巷道实施钻屑法检测，钻孔参数如下：孔径42 mm，孔深14 m，孔间距20 m。

提取上述模型应力监测点附近8个钻屑法钻孔煤粉量数据。钻孔深度1～5 m和6～14 m对应煤粉临界量分别为3.5 kg/m和6.8 kg/m。各钻孔煤粉量曲线如图8所示。

图8 各钻孔煤粉量

由图8可以看出，两类钻孔深度对应最大煤粉量分别为3.35 kg/m和6.75 kg/m，均未超过临界煤粉量。证明采用上述组合防治方法后，冲击危险区巷道围岩内积聚的能量得到了释放，有效降低了14320工作面的冲击危险性。

6 结论

1)分析了尖角煤柱工作面冲击地压地质影响因素，认为工作面发生冲击地压主要受煤岩冲击倾向、地质构造、地应力、坚硬顶板活动4项因素影响。

2)模拟分析了回采与邻近工作面形成的5个尖角煤柱内最大主应力演化规律，最大主应力值达到61.5 MPa，认为连续的尖角煤柱具有应力累积效应；尖角煤柱影响区巷道围岩冲击危险性最强。

3)划分了尖角煤柱影响工作面的冲击危险区域，认为回风平巷受连续尖角煤柱影响共计948.81 m具有强冲击危险；运输平巷受断层影响共计213.49 m具有中等冲击危险；开切眼巷道受矿界煤柱影响具有弱冲击危险。对强、中、弱冲击危险区分别实施大直径钻孔与煤层注水组合卸压、大直径钻孔卸压、钻屑法解危措施，效果良好。