胡旭东 郝建新

（中煤大同能源有限责任公司塔山煤矿，山西 大同 037000）

1 工作面概况

塔山煤矿30515 工作面位于煤矿三盘区，标高1 008.5 m，工作面东部为实煤区，南部有3-5#煤层1045 辅运、胶带、回风三条大巷，西部隔10 m 煤柱为30501 工作面采空区，北部隔矿界（煤柱）与同煤白洞井田相邻。30515 工作面内为3-5#煤层实体煤，平均厚度14.04 m，平均倾角4°。工作面上覆跨本矿2#煤层10201 工作面和10215 工作面采空区，两采空区间的保护煤柱30 m，该煤柱位于30515 回风顺槽左侧27.5～57.5 m 处，对应上覆2#层采空区，与30515 工作面层间距为4.41～4.85 m，平均4.64 m。

2 上覆遗留煤柱对煤层影响分析

2.1 遗留煤柱塑性破坏区计算分析

受到2#煤层工作面掘进和回采的影响，区段保护煤柱应力发生多次重新分布，从煤柱体边缘到深部，会出现破裂区、塑性区、弹性区和原岩应力区，围岩应力向深部转移。侧向支承应力峰值点位于煤柱内，工作面回采后，其周边围岩应力重新分布，两侧煤体边缘首先遭到破坏，并逐步向深部扩展和转移，直至弹性区边界。根据极限平衡理论，工作面区段煤柱的塑性区宽度为：

式中：R0为塑性区宽度，m；M 为煤层一次性采出厚度，取3 m；λ 为侧压系数，由式λ ＝μ（1-μ）得λ 为0.21；φ0为煤岩体本身的层理面等交界面的内摩擦角，取34°；K 为回采引起的应力集中系数，取3；γ 为上覆岩层的平均容重，取2.5 t/m³；H 为开采深度，取400 m；C0为煤岩体本身的层理面等交界面的粘聚力，取3.0 MPa；

计算得到2#煤层集中煤柱塑性区深度：R0=0.94 m。因此，2#煤层集中煤柱宽度为30 m 时，整个煤柱的塑性区宽度为1.88 m，其余28.12 m 煤柱处于弹性或弹塑性状态。

根据2#煤层集中煤柱塑性区和弹性区宽度的计算可知，集中煤柱约93.7%的宽度为弹性区范围，说明集中煤柱没有被破坏，具有支撑上覆顶板岩层的能力。

2.2 上部遗留煤柱集中应力分布特征数值模拟

采用FLAC3D数值模拟软件，建立三维数值模型，开挖后的模拟结果如图1。不开挖3-5#煤层时的上部遗留煤柱应力影响范围模拟结果，由图可知，30 m 宽煤柱对3-5#煤层影响范围80 m，应力最大为25 MPa，应力集中区的范围为40 m。

图1 上部集中30 m 煤柱时3-5#煤层应力分布平面投影

3 水力致裂卸压措施

3.1 水力致裂钻孔布置

为解决工作面上覆煤柱的影响，中煤大同塔山煤矿采用水力压裂措施对煤柱进行卸压。30515 回风顺槽距离上覆2#煤层遗留煤柱水平距离28 m，煤柱宽度30 m，煤柱高度3 m。致裂2#层煤柱钻孔为1 组2 个孔，分别为1#、2#孔。1#孔致裂煤柱直接顶，垂直进入2#煤层直接顶岩石1 m；2#孔致裂煤柱，垂直进入煤柱1.5 m。1#孔与2#孔之间间距1～2 m，每组致裂孔间隔布置，间距20 m，开孔位置距离底板2.3 m，致裂管按照要求送到距孔底1 m位置。水力致裂钻孔布置示意图如图2。

图2 水力致裂钻孔布置示意图

3.2 水力压裂效果检验

本文通过30515 工作面致裂前后工作面周期来压变化、回采期间工作面顶板破碎和煤壁片帮变化、微震频次变化、回风顺槽围岩变形变化，进行致裂效果验证。

当30515 工作面推进至第一组致裂孔位置时，根据工作面进入致裂区域前后的压力在线监测云图如图3，进行对比得出：（1）前半月、后半月周期来压均为3 次，平均来压步距为7.18 m 和10.4 m，后半月来压步距长；（2）前半月、后半月来压期间压力显现时间平均为3 d 和2.67 d，后半月压力持续时间缩短；（3）自8 月16 日起至26 日，煤柱下59～76#架无连续性的压力集中显现，期间工作面共推进31.1 m。

采用水力压裂卸压措施之后，工作面在后半月的来压强度有所减弱，特别是煤柱下压力无集中显现，判断工作面推进至上覆2#层煤柱致裂区后，工作面压力显现发生变化。

3.3 动力显现统计结果

如表1，根据工作面推进期间顶帮情况统计：前半月、后半月工作面片帮天数为9 d 和6 d，后半月工作面片帮减缓；前半月、后半月工作面顶板破碎天数8 d 和6 d，后半月工作面顶板破碎减缓。结果表明，工作面推进至上覆2#层煤柱致裂区后，工作面顶帮情况好转。

3.4 工作面微震监测结果

微震监测技术是利用采掘空间布置的拾振器，通过实时定位监测技术，分析震动信息，计算得到震源发生的时刻和微震波传播速度；综合利用拾振器坐标和记录的微震波到达时间建立联合方程组，可进一步求解得到震源位置和能量大小；通过对微震震源信息的分析，该技术还可以给出采动影响下采掘施工影响范围、来压规律、“三带”高度、覆岩破坏范围等信息。此外，通过进一步应用，该技术可为回采工作面日常监测、来压预报、煤岩体采动影响稳定性、矿震监测、冲击地压监测预警等提供重要参考依据。

为了区分致裂效果，将微震监测情况分为两个阶段进行统计：一是开始致裂阶段，工作面滞后致裂区域约150 m；二是工作面开始进入致裂区域。微震发生频次见表2。

分析发现，致裂前，微震频次下降明显，能量事件平均147 起/天，其中最少下降至20 起/天；在致裂期间，微震频次增加明显，最多达到18 000起/天，能量事件平均3280 起/天。说明2#煤层致裂导致微震事件增加，上覆煤柱及其顶板“被破坏”，超前覆岩运动剧烈。

当8 月14 日工作面开始进入致裂区域，30515工作面推进至第一组致裂孔位置时，微震发生频次如图4。前半月、后半月微震有效频次分别是232起和113 起，后半月超前能量释放减少。说明工作面进入上覆2#层煤柱致裂区后，微震能量释放减少，覆岩运动减弱。

表1 30515 工作面压力显现情况对比表（2019.8.1—2019.8.27）

表2 30515 工作面致裂与微震频次统计（2019.6.22—2019.7.28）

3.5 回风顺槽围岩变形

在煤矿开采过程中，围岩在采动应力的作用下发生变形，从而引起片帮、底鼓等动力现象，因此，变形量常常作为应力显现的一个判断指标。基于此，本文拟通过监测围岩变形量和变形速度判断水力压裂的卸压效果。

根据巷道围岩观测记录，在6 月23 日致裂开始后，回风顺槽里程830 m 往外巷道顶底板日均移近量由3 mm 变为1.7 mm，该段巷道两帮日均移近量由4 mm变为2.3 mm。这表明，致裂后顶底板移近、两帮收敛较前期变化减缓。

图3 30515 工作面压力在线监测云图（2019.8.1—2019.8.27）

图4 30515 工作面微震频次统计（2019.8.1—2019.8.27）

4 结论

以塔山煤矿30515 工作面为研究对象，通过理论计算以及数值模拟得到上覆2#煤层煤柱处于弹性或弹塑性状态，具有支撑上覆顶板岩层的能力，确定了钻孔“立体”布置原则的卸压技术方案。