綜放沿空巷道覆巖結構及微震特征分析與研究

王國舉1,2

（1.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.河北省礦井微震重點實驗室，河北 邢臺 054000）

0 引 言

隨著技術的不斷改進，綜放開采技術廣泛應用于厚煤層開采，是煤礦實現高產高效的有效途徑。在綜放技術廣泛應用的過程中也不斷出現新的問題，如采出率低、含矸率高、區段煤柱留設及采場周圍巷道布置不合理等[1]。區段保護煤柱的留設在很大程度上直接影響著采出率，煤柱尺寸留設過大采出率較低，留設過小可能無法控制巷道變形。針對煤柱尺寸優化問題，相關學者進行了理論分析與數值試驗，初步設計煤柱尺寸，并通過工業性試驗進行了驗證[2-3]。近些年，為充分提高煤炭采出率，小煤柱沿空掘巷技術得到大力發展，并取得一定成果[4]。

東龐礦北井具有煤層埋藏淺、厚度大的特點，留設小煤柱沿空掘巷綜放開采得到了廣泛的推廣應用。本文以東龐礦北井9205 工作面軌道巷為背景，采用理論分析，建立沿空掘巷上覆結構力學模型并確定保護煤柱的寬度，應用高精度微震監測系統對現場進行了監測，分析9205 軌道巷在工作面回采過程中圍巖微震事件特征，圈定9205 軌道巷的破壞范圍，研究9205 工作面回采過程中軌道巷的變形破壞機制，并驗證煤柱寬度留設的合理性，同時對礦區類似條件下，推廣留設小煤柱護巷積累基礎數據。

1 概 況

9205 試采工作面北鄰已回采的9203 工作面，南至F3 斷層保護煤柱附近，西至工業廣場保護煤柱附近。9205 試采工作面煤層結構復雜，沉積穩定，一般含多層夾矸，煤層及夾矸厚度有一定變化。92 煤厚度為2.5～2.8 m，平均厚度為2.65 m；93 煤厚度為2.9 m，平均厚度為2.9 m，92 煤與93煤夾矸為碳質泥巖，厚度為0.7 m，平均厚度為0.7 m，煤層總厚度5.8～7.6 m，平均為6.25 m。煤層傾角為11°～14°，平均傾角為12.2°。走向長度762.6 m，傾斜長度83.5 m。9205 工作面平面布置如圖1 所示。

圖1 9205 工作面平面布置示意Fig.1 Plane layout of No.9205 Face

2 沿空巷道覆巖結構特征分析

2.1 沿空巷道上覆覆巖結構

沿空巷道圍巖的整體穩定性比實體煤巷更容易遭受到破壞，當巷道布置在應力降低區時，能夠更好的維持巷道圍巖的穩定性。根據采礦學中的砌體梁理論，沿空巷道砌體梁斷裂結構如圖2 所示。該砌體梁鉸接結構的一個支點位于本區段老頂巖層內，另一個支點位于上區段采空區的冒落直接頂碎石上。當上區段回采過后，上覆巖層運動穩定之后，沿空巷道位于塊體B 的下方，塊體B 兩端鉸接的狀態對工作面下的沿空巷道形成一種承載“保護”結構。沿空巷道在這種結構下受力較小容易支護。因此塊體B 對沿空巷道上覆巖層大結構的穩定性起著重要作用。

圖2 沿空巷道上覆巖層斷裂結構模式Fig.2 Fracture structure of overlying strata in gob-side entry

在工作面回采過程中，受超前支承壓力的影響，掘巷形成的穩定結構再次被打破，煤柱頂板的下沉讓頂部破斷鉸接結構得到新的變形空間，巖塊發生進一步回轉，產生二次變形動壓，實體煤幫和煤柱上支承壓力增大，加速了巷道表面的位移。控制煤柱的變形不僅可以保證巷道服務期間的斷面使用要求，而且可以穩定支撐頂板結構，優化圍巖應力環境，使巷道圍巖避免承受二次動載影響，因此提高小煤柱的穩定是控制沿空巷道圍巖的關鍵。

2.2 煤柱的寬度

沿空巷道應布置在應力降低區內，留設的煤柱尺寸應滿足隔離上工作面采空區、阻止老空水倒流進沿空巷道；盡量提高采出率，減少煤炭資源的損失。煤柱寬度的留設大于極限平衡穩定寬度，才能形成巷道的穩定支護。

東龐礦北井9205 工作面軌道巷煤柱兩側9201工作面采空區和9205 軌道巷，依據巷道圍巖極限平衡理論可得煤柱最小寬度計算公式，計算示意如圖3 所示。

圖3 9205 軌道巷留設煤柱示意Fig.3 Setting coal pillar of No.9205 track roadway

式中：Z1為9201 工作面回采后形成的塑性區寬度；Z2為錨桿的有效長度，取1.8 m，增加15%的富裕系數；Z3為煤柱的安全系數，按0.15 ～0.35（Z1+Z2） 計算。

由式2 可以發現，Z1的大小與煤厚有關，煤層越厚煤柱內的應力極限平衡區越大，其大小與自身強度參數粘結力C、摩擦角φ有關。代入東龐礦北井的煤體參數，得到9201 工作面回采后形成的塑形區煤柱平衡區寬度為2.1 m，錨桿的有效長度為1.8 m，則Z2=1.8×1.15=2.07 m，Z3=0.62 ～1.46 m，所以9205 軌道巷合理煤柱寬度為B=Z1+Z2+Z3=2.1 m+2.07 m+0.62 ～1.46 m，計算求得煤柱寬度為B=4.79 ～5.63 m，因此9205 軌道巷護巷煤柱合理寬度取6 m。

對待沿空巷道應先確定合適的上覆覆巖結構，將巷道布置在應力降低區內，是確保沿空巷道穩定的前提；繼而選擇合理的保護煤柱厚度，在保證安全生產的前提下，提高采出率，減少煤炭資源的損失；對煤柱進行必要的支護，選擇合適的支護形式和支護強度，提高煤柱的承載能力，限制煤柱的初期變形；在采動過程中對超前段進行支護，使回采工作順利進行。

3 覆巖結構對礦壓影響的微震監測研究

微震監測技術是通過監測系統對礦井煤巖破裂或其它物體在震動過程中的微震活動信息來研究煤巖結構和穩定性的一種實時、動態、連續的監測方法，分析監測結果對監測對象的破壞狀況、安全狀況等做出評價，從而為預報和控制災害提供依據的成套設備和技術[5-6]。微震監測可以確定微震事件的坐標位置，從而得到煤巖體破壞位置；微震事件時間的密集型能夠直觀反映煤炭開采時間變化。對微震事件活動的特征研究有利于對采動應力、覆巖運動與破壞規律的進一步研究。

對東龐礦北井9205 工作面開采期間微震監測數據進行統計分析，統計時間為2021 年2 月7 日～2021 年3 月28 日，總計50 d，工作面回采軌道巷推進95 m，皮帶巷推進84 m。自2021 年2 月7日開始回采，以10 d 為單位對工作面的微震事件進行統計，從而研究在工作面采動過程中上覆巖層結構對9205 軌道巷微震特征變化。把工作面一定范圍內的微震事件以10 d 為一個統計周期表示在圖上，如圖4（a） ～4（e），圖中豎線條表示為采線，分別為2.16 日、2.26 日、3.8 日、3.18 日、3.28 日；圖中線框內表示的9205 軌道巷附近的區域；圖中黑色點代表微震事件。

圖4 微震事件分布圖Fig.4 Microseismic events distribution

分析微震事件分布結果，得到以下結論：

（1） 正常回采過程中，微震事件總量多，軌道巷附近的數量也相應增多，說明微震事件的多少受采動影響決定。

（2） 工作面開采初期，軌道巷附近微震事件分布較分散，當軌道巷推進到34 m 時，微震事件開始增多，說明軌道巷在開采初期巷道穩定性良好，便于維護；推過34 m 后，軌道巷微震事件在采線前方密集分布，分析為受超前支承壓力的影響產生應力集中，圍巖應力和能量聚集增大，圍巖變形破裂增多，從而產生大量微震事件，現場表現為巷道片幫、底鼓。

（3） 隨工作面的不斷推進，當工作面初次見方的時候，9205 工作面推進距離與工作面長度在平面上投影為正方形。圍巖應力和能量聚集增大，圍巖變形破裂增多，從而產生大量微震事件。在此過程中，軌道巷出現片幫、底鼓，通過維護，回采工作正常運行。

4 結 論

（1） 通過對沿空巷道上覆巷道結構進行分析，巷道應布置在應力降低區內，得到了合理巷道布置的位置；依據圍巖極限平衡理論，9205 軌道巷護巷煤柱合理寬度取6 m。

（2） 軌道巷在采動過程中，初期巷道穩定性良好；在推進34 m 后，微震事件開始增多；推進到見方階段時，微震事件顯著增多。微震事件的發生與9205 軌道巷道圍巖變化情況基本一致。

（3） 依據微震監測結果，圈定9205 軌道巷破壞范圍，驗證護巷煤柱寬度留設合理性，同時對礦區類似條件下推廣留設小煤柱護巷積累基礎數據。