0 引言
冲击显现[1]是煤矿井下开采过程中发生的一种灾害性动力现象，严重影响煤矿安全生产。由于冲击显现机理、特征等存在不同，造成不同区域的冲击显现类型、严重性也不同[2-4]。冲击显现类型主要包括厚硬顶板型、断层型、煤柱型等，已有研究表明，厚硬顶板和煤柱是造成冲击显现的主要致灾源之一，严重制约煤炭资源的合理开发与利用。
厚硬顶板通常质地坚硬且不易破断，在开采后易形成悬空顶板，当悬空顶板超过一定长度时，便会破断冒落。由于悬空顶板属于不稳定结构，长度越长积聚的能量也就越大，当其突然破断时内部积聚的巨大弹性能转化为冲击波，冲击波传递至工作面及巷道区域时产生强烈冲击，从而造成冲击显现[5-6]。李振雷等[7]研究了坚硬顶板孤岛煤柱工作面冲击特征，从围岩应力及结构特性2个方面分析了工作面开采过程中孤岛煤柱型冲击显现机制。窦桂东等[8]通过分析厚硬顶板工作面巷道群区域冲击显现特性，得出巷道群区域在采动影响下由于集中静动载荷叠加而产生异常积聚，进而造成冲击显现。煤柱是工作面开采过程中由于护巷、隔绝气体等要求，在相邻工作面之间留设的一定宽度的煤体[9]。不规则煤柱存在能量异常积聚、应力异常集中等现象，易造成工作面煤柱区域的冲击显现可能性显著提高。李康[10]分析了上覆遗留煤柱对下层工作面冲击灾害的影响，得出不规则采空区与遗留煤柱对工作面开采的影响特征。李振雷等[11]研究了厚煤层综放开采下覆岩破断诱发矿压显现机制，根据覆岩破断能量释放确定工作面断顶步距，从而进行冲击地压防治，现场应用效果显著。以上研究针对特定条件下的冲击显现特征与机制进行了分析，缺乏对厚硬顶板条件下煤柱诱发冲击显现的研究。
针对上述问题，本文以新疆某冲击显现矿井为工程背景，通过分析该矿工作面开采过程中煤柱侧的冲击显现特征，研究厚硬顶板多煤层开采条件下煤柱型冲击显现原因，为矿井提高安全生产效益及冲击显现防治提供理论依据。
1 工程背景
研究矿井位于新疆呼图壁县，煤层埋深为300 m左右，井田面积约为18.02 km2，井田内河流有白杨河及其他小河流。矿井自上而下共有6个煤层，依次为B4-2(已回采)，B4-1(已回采)，B3，B2(回采中)，B1，B0。
B2煤层分东西两翼开采，其中西翼包含I010201，I010203等工作面。B2煤层平均厚度为9.5 m，含矸0～2层，结构简单，煤质较硬，强度大，具有弱冲击倾向性，单轴抗压强度为26.34 MPa。B2煤层顶板依次为细砂岩直接顶(7 m)、粉砂岩基本顶(10 m)，顶板单轴抗压强度为33.33 MPa，经测定,顶板具有强冲击倾向性，属于典型的坚硬厚顶板。
I010203工作面倾向宽度为192 m，走向长度为1 469 m，采用综放开采，割煤厚度为3.2 m，放顶煤厚度为6.3 m。I010203工作面倾向中部布置有1条工艺巷，I010203工作面向北下行为I010201采空区，I010203工作面与I010201工作面采空区之间留设有15 m宽的区段煤柱。工作面上方50 m为B4-1煤层，B4-1煤层向北70 m为I010403采空区，终采线位置向西13～745 m、运输巷南侧120 m至北侧60 m段为B4-1煤层I010405采空区，2个采空区组合形成“刀把形”采空区；B2煤层下方为B1实体煤层。I010203工作面具体布置如图1所示。
(a) 平面图
(b) 剖面图(剖面1-1)
图1 I010203工作面布置
Fig.1 Layout of I010203 working face
I010203工作面从开采初期就安装了ARAMIS微震监测系统，通过监测工作面生产过程中所产生的微震事件，有效识别采掘扰动过程中工作面、顶底板及煤柱附近的冲击危险区域。自安装微震监测系统以来，对各个工作面进行实时监测，微震探头(包含固定式微震探头和可移动微震探头)的位置随工作面推进实时变化。在工作面回风巷、运输巷、工艺巷分别布置2个、2个和1个可移动微震探头，所有探头均布置在回采工作面前方，并随工作面推进向前移动(探头与工作面距离小于50 m时往前移动200 m)，固定式微震探头主要安装在大巷、相邻工作面及上一煤层之中。
通过微震监测发现工作面共发生过3次大能量事件(根据工作面反应及以往大能量/冲击显现事件的能量大小,选取能量大于等于104 J且工作面产生响应的事件作为大能量事件)，导致巷道及工作面煤体崩落、锚索拉断和支架弯曲等，给工作面生产造成一定影响。
2 现场监测数据分布规律
2.1 微震大能量事件空间分布规律
I010203工作面在2018年2月—10月回采期间发生3起大能量事件，分别为“3·7”大能量事件(3.1×105J)、“5·7”大能量事件(3.2×106J)和“9·16”大能量事件(8.5×105 J)，事件造成了井下巷道围岩不同程度的变形及顶板下沉，且造成工作面及巷道附近出现明显的响动，给工作面造成了潜在风险。
3次大能量事件空间分布规律如图2—图4所示。由图2可看出，I010203工作面“3·7”大能量事件前微震能量以103～105 J居多，事件多集中在工作面运输巷区域和煤柱区域的煤层与顶板之中(将工艺巷至运输巷之间的区域定义为运输巷区域，工艺巷至回风巷之间的区域定义为回风巷区域)，而回风巷区域和煤层底板中的微震事件相对较少，说明该回采阶段可能存在小面积顶板断裂现象。由图3可看出，I010203工作面“5·7”大能量事件前微震能量以103～105 J居多，事件多集中在运输巷和煤柱区域，工作面回风巷的微震事件相对运输巷和煤柱区域的微震事件少，说明该回采阶段运输巷区域危险性较高。由图4可看出，I010203工作面“9·16”大能量事件前微震能量以103～105 J居多，事件多集中在工作面下部的煤柱区域煤层和工作面上覆顶板中，表明该回采阶段煤柱与运输巷区域围岩应力集中程度较高，顶板有断裂情况。综上可知，大能量事件前工作面运输巷区域微震事件集中程度大于回风巷区域。
(a) 平面图
(b) 剖面图(剖面1-1)
图2 “3·7”大能量事件空间分布规律
Fig.2 Spatial distribution of '3·7' high energy events
2.2 支架压力分布特征
I010203工作面从开采初期就通过安装在液压支架上的传感器对支架压力进行实时监测。本文通过分析2018年2月—10月I010203工作面开采期间支架压力监测数据，研究工作面推进过程中的支架压力分布规律。
(a) 平面图
(b) 剖面图(剖面1-1)
图3 “5·7”大能量事件空间分布规律
Fig.3 Spatial distribution of '5·7' high energy events
(a) 平面图
(b) 剖面图(剖面1-1)
图4 “9·16”大能量事件空间分布规律
Fig.4 Spatial distribution of '9·16' high energy events
I010203工作面开采过程中支架压力的分布规律如图5所示。可看出在该阶段支架压力变化较明显，且具有典型的区域性特征，即运输巷附近的支架压力高于回风巷附近的支架压力，整个回采阶段工作面中下部区域支架承压整体相对较高(运输巷侧应力多处于7 000～9 500 kN，回风巷侧应力多处于5 000～6 500 kN)；3次大能量事件发生区域附近的支架压力数据比其他区域高，支架压力分布特征与大能量事件分布特征具有较好的一致性。
图5 I010203工作面开采过程中支架压力分布规律
Fig.5 Cloud chart of support pressure in mining process of I010203 working face
3 围岩集中应力分布规律数值模拟研究
为进一步分析工作面回采过程中围岩应力分布特征与围岩弹性能分布规律，并验证现场监测数据分析结果的合理性，构建三维数值模型，如图6所示。模型尺寸为1 000 m×2 000 m×500 m(长×宽×高)，共257 712个网格、270 180个网格节点。I010203工作面巷道断面尺寸为5 m×4 m(宽×高)，I010203工作面和I010201工作面采空区间的区段煤柱留设宽度为15 m。根据模型尺寸和边界位置，I010203工作面回风巷倾向坐标X1=260～265 m，运输巷倾向坐标X2=455～460 m，走向坐标Y=150～1 650 m，模型走向和倾向边界各留200～250 m以尽量避免边界效应。在模型顶部设置应力边界，施加3.5 MPa等效埋深载荷，在模型四周设置应力边界。模型所需煤岩体物理力学参数见表1。
图6 数值模拟模型及工作面布置
Fig.6 Numerical simulation model and working face layout
I010203工作面推进400 m的应力分布如图7所示。可看出综放工作面前方的实体煤区域形成“L”形应力集中区，工作面运输巷区域应力集中程度高且范围广，工作面回风巷区域应力集中程度低且集中区域较小。区段煤柱受各向支承应力和上煤层不规则采空区边界传递应力叠加的影响，围岩载荷集中程度最高。
表1 数值模拟物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of numerical simulation
煤/岩层密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/(°)抗拉强度/MPa粉砂岩2 4478.030.265.1930.226.890细砂岩2 61813.620.256.3828.863.170粗砂岩2 54110.330.226.4929.984.480B2煤层1 4032.470.353.0031.002.210B4-1煤层1 3163.520.312.5037.492.210泥质砂岩2 5464.480.324.0030.412.426
图7 I010203工作面回采过程中围岩应力分布
Fig.7 Diagram of stress distribution of surrounding rock in mining process of I010203 working face
在分析工作面开采过程中围岩应力分布规律的基础上，提取工作面开采过程中围岩的弹性能[12]，并在工作面前方12.5 m处设置倾向监测线，从而得到工作面开挖不同距离时的垂直应力集中系数K与倾向弹性能密度ρ分布，如图8所示。可看出工作面垂直应力集中系数、弹性能密度自回风巷至运输巷均整体呈线性递增趋势；区段煤柱区域应力集中系数与弹性能密度最大，分别为4，26 kJ/m3，表明这一阶段开采过程中区段煤柱最易诱发工作面冲击显现，工作面中下部具有较高冲击危险性。
4 冲击显现分析
4.1 I010203工作面动静载叠加冲击显现特征
分析大能量事件空间分布、支架压力分布特征及工作面回采期间围岩应力分布特征可知，工作面运输巷区域应力集中程度和微震事件密集程度均高于回风巷区域，顶板与煤层区域应力集中程度与微震事件密集程度大于底板区域。
(a) 垂直应力集中系数
(b) 弹性能密度
图8 I010203工作面围岩垂直应力集中系数和 倾向弹性能密度分布
Fig.8 Distribution of vertical stress concentration coefficient and incline elastic energy of I010203 working face surrounding rock
为了进行护巷和防止气体泄漏，在I010203工作面运输巷与相邻的I010201工作面采空区间留设有15 m宽的区段煤柱，由于难以完全垮落,从而形成应力集中区域；此外B2煤层上覆有巨厚坚硬顶板，工作面开采后顶板难以垮落,从而形成悬空顶板，悬空顶板长度达到一定程度后突然垮落，从而发生冲击显现。动静载叠加理论认为,矿井在生产过程中，煤岩体垮落产生的动载荷与开采扰动产生的围岩静载荷相互叠加后超过临界载荷时，便会造成煤岩变形破坏，进而诱发冲击显现[13-16]。基于动静载叠加诱冲理论，分析I010203工作面开采过程中煤柱型冲击显现特征。
I010203工作面开采后，运输巷区段煤柱上方容易产生侧向悬顶，长悬顶突然破断并产生大量动载荷，同时开采过程中煤柱和顶板积聚了大量静载荷，当两者叠加超过临界载荷时便会造成工作面冲击动力灾害或大能量事件。I010203工作面运输巷埋深大于回风巷，且在开采后工作面受到超前支承压力、采空区与煤柱之间的支承压力影响，冲击危险性明显增大。工作面在开采过程中受煤柱集中应力、上覆坚硬厚顶板破断动载及顶板支承压力等主控因素影响，易产生煤柱型、厚硬顶板垮落型冲击显现。I010203工作面动静载叠加诱冲原理如图9所示。
图9 I010203工作面动静载叠加诱冲原理
Fig.9 Schematic diagram of rock burst caused by dynamic and static combined load in I010203 working face
4.2 上覆采空区边界诱冲分析
在前期开采过程中,由于受运输巷侧区段煤柱集中应力、厚硬顶板等因素影响，I010203工作面运输巷区域冲击危险性高于工作面回风巷区域。然而，该矿在上水平的B4-1煤层采掘布置过程中，由于地质构造、煤层赋存及其他因素，除了在I010203工作面本煤层形成区段煤柱外，还在工作面斜上方由I010403和I010405采空区共同形成了“刀把形”采空区。
在距离“刀把形”采空区较远时，I010203工作面主要受超前支承压力a及侧向支承压力等静载应力的影响，应力集中程度较高，工作面开采过程中受到动载扰动时，与静载应力叠加,从而诱发冲击显现。当工作面回采位置逐渐接近“刀把形”采空区边界时，由于上覆I010405采空区边界应力b集中程度较高，该应力向下传递至I010203工作面，与侧向及超前应力相互叠加，构成叠加支承应力，不仅使I010203工作面中下部冲击危险性增大，还会造成回风巷区域冲击危险性增大,如图10所示。因此，对于该区域前后的冲击显现监测预警及防治，应在现有技术手段基础上增加力度，以确保工作面回采时能够顺利通过该危险区域。
图10 上覆“刀把形”采空区附近三向应力叠加诱冲机制
Fig.10 Three stress superposition diagram near overlying 'knife-shape' goaf
5 结论
(1) 分析了I010203工作面采动过程中覆岩运移特征,结果表明，工作面运输巷区域应力集中程度和微震事件密集程度均高于回风巷区域，顶板与煤层区域应力集中程度与微震事件密集程度大于底板区域。现场监测数据与数值模拟结果均表明,运输巷区域和煤柱区域冲击危险性较高，研究结果具有较好的一致性。
(2) I010203工作面开采后，运输巷区段煤柱上方易产生侧向悬顶，长悬顶突然破断并产生大量动载荷，同时在开采过程中煤柱和顶板积聚了大量静载荷，当两者叠加超过临界载荷时便可能造成工作面冲击显现或大能量事件。I010203工作面回采过程中受煤柱集中应力、上覆顶板及围岩支承应力等主控因素影响，易产生煤柱型、厚硬顶板垮落型冲击显现。
(3) 当工作面回采位置逐渐接近“刀把形”采空区边界时，上覆I010405采空区边界应力向下传递至I010203工作面，与侧向及超前应力相互叠加，构成支承压力，不仅使I010203工作面中下部冲击危险性增大，还会造成回风巷区域冲击危险性升高。
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