文章编号：

近距离下伏煤层工作面进集中煤柱动载矿压特征及机理

王健达^1 2，李宏艳^{1 2}，孔令海^{1 2}，邓志刚^{1 2}，毕忠伟^{1 2}

（1 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京 100013；3 北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013）

 

摘要：以布尔台煤矿42107工作面过2-2煤遗留煤柱动压显现为工程研究背景，基于理论分析和现场实测方法，结合自主研发的KJ768微震监测系统得到了工作面进上煤层遗留煤柱时动压显现机理。研究表明：42107工作面推进至上部煤层遗留煤柱时诱发强动压现象，进煤柱阶段周期来压步距减小5m，支架末阻力增大1325KN左右；煤柱影响区域内高能量微震事件在2-2煤和4-2煤顶板岩层中分布密集，覆岩运动剧烈；进煤柱阶段，上部煤层顶板关键块回转失稳对下部煤层关键层产生动载，造成下部煤层顶板关键块滑落失稳，引发动载矿压灾害。

关键词：近距离煤层；遗留煤柱；动载矿压；微震监测

Dynamic load characteristics and mechanism of concentrated coal pillar near working face of underlying coal seam

WANG Jian-da^{1 2} ,LI Hong-yan^{1 2}, KONG Ling-hai^{1 2}, DENG Zhi-gang^{1 2}, BI Zhong-wei^{1 2}

( 1.Mine Safety Technology Branch，China Coal Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2．National Key Lab of Coal Resources High Efficient Mining and Clean Utilization，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

 

Abstract：Taking the dynamic pressure revelation of 42107 coal face of the Buertai coal mine as the engineering background, taking advantage of microseismic monitoring technology, the mechanism of dynamic pressure revelation of coal pillars left over from 2-2 coal has been studied by means of theoretical analysis and field measurement. Study shows that when 42107 coal face is pushed to the left-over coal pillar in the upper coal seam to cause strong dynamic pressure, periodic weighting interval during the stage of coal pillar entry has decreased 5m, and the resistance at the end of support structure has increased about 1325KN; high-energy microseismic events in the pillar-affected areas are densely distributed in the 2-2 coal and 4-2 coal roof strata,overlying rock in an active state；At the entering coal pillar stage，the sliding instability of the key block in the upper coal seam will cause sliding instability of the lower coal seam by generating dynamic load on it and lead to further strong dynamic disasters.

Key Words：Near seam; Residual pillar of coal; Dynamic load pressure; Microseismic monitoring

 

 

 

 

 

 

在煤层群开采过程中，上层煤受地质条件、开采方式、工作面布置方式等因素影响，在开采期间常遗留大量煤柱。遗留煤柱的存在是下层煤开采过程中的重大安全隐患，工作面在过煤柱期间常诱发动载矿压现象，造成支架压死、支架爆缸等动压灾害。

我国学者对煤柱下工作面开采问题开展了大量研究。郑百生等^[1]通过数值模拟分析了近距离煤层或煤层群开采时，上部煤层开采后遗留煤柱对下部煤层开采的影响，结果表明下部煤层工作面推进到煤柱下方时形成的高应力区极易诱发矿井灾害；鞠金峰等^[2,3]研究发现下煤层工作面出煤柱过程中由于煤柱上方不稳定关键块体的相对旋转运动，使得关键块体及其控制的岩层整体压下，诱发工作面强矿压显现；陈苏社等^[4]通过大量现场实测，发现工作面过上层煤遗留煤柱时可以通过工作面调斜、加大支架工作阻力等技术措施，有效避免工作面发生动载矿压现象；付兴玉等^[5]研究得出煤层工作面出房式采空区集中煤柱诱发动载矿压的机理；于斌等^[6]研究得出煤柱条件下工作面开采的“煤柱-覆岩运动”联合作用机理；杜锋等^[7]研究了浅埋近距离煤层下煤层工作面推进至进煤柱阶段诱发强动压显现的机理。综上所述，目前我国学者所做的研究主要围绕出煤柱时动载诱发工作面矿压显现展开，对进煤柱时动载诱发矿压显现方面的研究相对较少。

微震监测可以对岩体破裂进行定位，反映岩体的破坏特征，近年被广泛应用于监测矿震、突水等动力灾害问题。其中在监测覆岩运动规律方面，姜福兴等^[8]基于重复采动下巨厚岩层失稳引发大能量矿震的特点，分析重复开采上覆岩层的冒落和移动规律，得出了重复采动引发矿震的机理；孔令海等^[9,10]基于工作面采动覆岩裂隙分布的微震监测结果，分析了微震事件分布与采动覆岩破裂，采场上覆岩层运动与支架阻力等之间的关系（采动覆岩裂隙分布特征的微震监测研究）；徐学锋等^[11]利用微震监测技术对巨厚上覆岩层破断规律进行了分析，用微震数据很好得解释了亚关键层的初次断裂和主关键层的破断发展过程；窦林名和贺虎^[12]利用微震监测技术，对OX、F 与T覆岩结构的开采过程中的震源分布规律进行了研究。

基于上述认识，在前人研究的基础上，本文以布尔台煤矿42107工作面为案例，通过理论分析和现场实测，结合煤炭科学技术研究院有限公司自主研发的KJ768微震监测系统探究了42107工作面进煤柱期间动压致灾机理。

1 工作面概况

布尔台煤矿42107工作面位于4-2煤一盘区，工作面走向长4807.9m，倾向长300.3m，面积约144.38万m²，埋深480m左右，煤层厚度平均6.13m，倾角3-9°，采高为3.6m，放顶煤高度为2.53m，采放比1：0.7，老顶为6-39m的细粒砂岩，直接顶为6-18m的砂质泥岩，直接底为1-19m的砂质泥岩。其综合柱状图如图1所示。

 

图1  42107工作面钻孔柱状图

42107工作面距上层22106、22107工作面（已回采）煤层底板间的正常基岩厚度为45-78m，由于22106、22107工作面跳采（工作面分布跨工作面的两个大断层，落差分别为2.9m-7.8m和10.5m），工作面存在一个走向遗留煤柱和两个倾向遗留煤柱，其中走向遗留煤柱宽25m，距离42107运输巷170m，对应于工作面80-91号支架，跨整个工作面，运输巷侧的倾向遗留煤柱宽度为165m，位于距42107工作面开切眼560m处，对应于工作面内1-77号支架，辅运巷侧的倾向遗留煤柱宽度为100m，位于距开切眼649m处，对应于工作面内95-140号支架，如图2所示。

 

图2  42107工作面平面布置图

由钻孔柱状图可得，42107工作面顶板岩层中存在两个关键层，分别是位于2-2煤老顶岩层的主关键层和位于4-2煤老顶岩层的亚关键层，工作面来压受上方两个关键层协同影响。当42107工作面推进至倾向煤柱附近时，关键层结构的变化会对42107工作面矿压显现情况造成重要影响。

2  42107工作面动载矿压显现规律研究

根据现场情况，42107工作面进运输巷侧煤柱时诱发强动压灾害，具体情况：工作面进入运输巷侧煤柱过程中，82号支架右立柱爆缸，60~90号支架压力达45~50MPa。本节基于支架工作阻力和微震监测，揭示42107工作面动载矿压显现规律。

2.1  基于支架工作阻力的采场动压规律分析

42107工作面开采过程中使用液压支架支护顶板，该液压支架安装PM32电液控制系统，能够实时提取采动过程中支架压力数据。为分析工作面进出煤柱期间矿压显现规律，将研究区域分为三部分，即工作面进煤柱前、进煤柱期间和进煤柱后3个阶段，以40号支架末阻力变化曲线为例进行分析，如图3所示。

 

 图3  支架末阻力实测变化图

由图3可知，工作面周期来压在研究区域内具有以下特征：

1）工作面进煤柱过程中周期来压步距明显缩短。周期来压步距进煤柱前为16-20m，进煤柱期间为13m，进煤柱后为16-22m。

2）工作面矿压显现时支架末阻力增大，但该值要小于进煤柱前后的支架末阻力。工作面支架末阻力进工作面前最大为18485KN，进煤柱期间为19810KN，进煤柱后为21310KN。工作面进煤柱过程中2-2煤老顶关键层岩块失稳回转，引起工作面支架阻力增大，工作面进煤柱后受2-2煤柱自重影响，支架末阻力进一步增大。

2.2  基于微震监测的采场动压规律分析

1）根据现场实际，总结得出42107工作面来压预警指标：每日微震事件频次达40个以上，总能量达1.2E+06J以上。2018.4.2-2018.4.15期间每日微震事件频次、总能量分布情况如图4、图5所示。根据图3，距煤柱30m开始支架末阻力峰值明显增大，基于上述分析确定煤柱前后30m为煤柱影响范围（对应日期为2018.4.3-2018.4.8），其中4月6日42107工作面进入2-2煤运输巷侧集中煤柱下开采，4月7日微震事件的频次和总能量诱发突增，同时两个指标均超过预警值。在煤柱影响范围外，每日微震事件的频次和能量均明显减少。

2）工作面在煤柱影响范围内开采时，微震事件分布平面图、剖面图如图6和图7所示。由图6、图7可知，高能量微震事件在4-2煤与2-2煤顶板岩层中分布密集。

 

图4 微震事件频次-日期柱状图

 

图5 微震事件总能量-日期柱状图

 

 

图6  煤柱附近顶岩层微震事件平面分布图

 

图7  沿走向煤柱附近顶板岩层微震事件分布剖面图

3 基于微震监测的顶板岩层运动规律

根据42107工作面柱状图可知，其层间控制层为4-2煤上方18m厚的坚硬细粒砂岩。2-2煤老顶为粉砂岩，较为坚硬，岩层强度较高，回采稳定后在2-2煤集中煤柱边界附近形成塑性铰接结构。基于“砌体梁”结构和“S-R”稳定条件^[13]，认为工作面在进入煤柱前和进入过程中，将在42107工作面上方顶板岩层形成砌体梁结构，如图8所示。

由图8（a）可知，工作面进入煤柱前，2-2煤顶板主关键层保持稳定的铰接结构，其上载荷无法全部传递到4-2煤顶板亚关键层，也不会产生动载，4-2煤老顶岩块仍能保持稳定铰接结构，不会产生顶板失稳现象。

由图8（b）可得，当下层煤工作面推进至上层煤运输巷侧集中煤柱附近时，受回采扰动影响，极易诱发2-2煤顶板岩块二次失稳，2-2煤顶板岩块回转对4-2煤关键层产生动载，使得2-2煤顶板和4-2煤顶板裂隙贯通，顶板下沉造成下部工作面强矿压显现。根据微震监测，在煤柱影响范围内，2-2煤和4-2煤顶板岩层中高能量微震事件分布密集，与上述分析基本吻合。

下部工作面进入运输巷侧集中煤柱开采后，由于运输巷侧集中煤柱支撑2-2煤上方顶板，使得4-2煤老顶运动高度减小，高位岩层运动不充分，在此期间微震监测到的事件能量普遍减少与分析基本吻合。

 

（a）

 

（b）

图8  进运输巷侧煤柱阶段顶板运动情况

4 进煤柱开采期间动压显现机理

工作面推进至上层煤集中煤柱附近时，2-2煤关键层岩块受开采扰动影响回转失稳，造成下部工作面的动压显现。下文对4-2煤“砌体梁”结构在42107工作面回采期间的稳定性进行分析。

根据相关文献^[14]，计算得到估算垮落带高度预计为，基本顶中的细砂岩不会垮落，得到基本顶岩层承载厚度为，同时实测得到的42107工作面周期来压步距，因此块度，老顶为“短砌体梁”结构^[15]。建立4-2煤老顶的“短砌体梁”结构模型，如下图9所示。

 

图9 两块体结构运动形态与受力

 

鉴于岩块之间的接触是塑性铰接关系，因此水平力作用点位置可取在a/2处接触面高度，，由几何关系可知，，，由全结构计算得， ，取，，令，计算得

令由 得

显然小于180m，4-2煤顶板不会出现回转变形失稳。“短砌体梁”结构在A点诱发滑落失稳的判别条件(1)为：

                

基于，可得：

，其中为直接顶厚度，为冒落带高度，为岩石碎胀系数，这里取1.3，计算得。    

将相关参数，，为岩层间摩擦系数，取0.5代入判别式（1），得到判别式（2）

                                        

根据式（2）可知2-2煤上覆岩层的铰接结构回转导致4-2煤顶板关键层结构滑落失稳，从而造成了工作面在进煤柱时诱发了强动压灾害。

5 结论

1）下部煤层回采至上部煤层遗留煤柱时，工作面诱发强动压显现，工作面进煤柱期间周期来压步距减小5m，支架末阻力增大1325KN左右。

2）工作面进煤柱期间，高能量微震事件在2-2煤和4-2煤顶板岩层中分布密集，工作面顶板岩层运动活跃；进煤柱期间微震预警指标突增且均超过预警值，证明了利用微震进行预警的可行性；基于微震监测分析了工作面进煤柱期间顶板岩层运动规律。

3）采用“砌体梁”理论进行分析，结果表明：下部煤层进煤柱期间，受回采扰动，2-2煤上覆关键岩块回转对4-2煤顶板关键岩块产生动载，引起4-2煤顶板关键岩块的滑落失稳，造成工作面动压显现。

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