顶板型冲击地压矿井不同煤柱宽度动力显现特征及适用性对比

赵善坤; 董续凯; 柴海涛; 侯煜坤

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507032

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (22) :9498-9509 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507032

矿冶工程

顶板型冲击地压矿井不同煤柱宽度动力显现特征及适用性对比

赵善坤 ¹^,² ,
董续凯 ¹^,^* ,
柴海涛 ² ,
侯煜坤 ²

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Comparative of Dynamic Manifestation Characteristics and Applicability of Different Coal Pillar Widths in Roof-type Rockburst Mines

ZHAO Shan-kun ¹^,² ,
DONG Xu-kai ¹^,^* ,
CHAI Hai-tao ² ,
HOU Yu-kun ²

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摘要

针对矿井宽煤柱、窄煤柱分区布置工程特点,通过理论分析和现场应用实践,探讨了顶板型冲击地压矿井不同煤柱宽度动力显现特征。通过关键块结构和围岩极限平衡理论计算得到煤柱留设宽度合理范围在4.3~7.13 m,最优值为5.7 m,与矿井实际应用窄煤柱尺寸5.6 m极接近;对比窄煤柱和宽煤柱工作面微震事件空间分布情况,包括微震事件的能量与频次在走向、倾向、垂向分布特征,发现宽煤柱工作面微震事件和大能量事件高度集中于60 m范围内,窄煤柱工作面微震事件高度集中于100 m范围内,大能量事件集中在40 m范围内;宽煤柱工作面走向和倾向两个方向上微震能量和频次均高于窄煤柱工作面。煤柱尺寸对微震事件分布范围具有较大影响,在宽煤柱的支撑下顶板更容易悬顶发生大能量事件,窄煤柱工作面顶板基本无悬顶,通过多次小能量事件释放顶板弹性能,小尺寸区段煤柱对顶板型冲击地压的防治具有重要作用。

Abstract

Based on the engineering characteristics of wide-pillar and narrow-pillar zoning layouts in a coal mine, the dynamic manifestation characteristics of roof-type rockburst under different coal pillar widths were investigated through theoretical analysis and field observations. Using the key block structure theory and the limit equilibrium theory of surrounding rock, the reasonable range of coal pillar width was calculated to be 4.3~7.13 m, with an optimal value of 5.7 m, which is very close to the actual small pillar width of 5.6 m applied in the mine. A comparative analysis of the spatial distribution of microseismic events between working faces with small and wide pillars was conducted, including the energy and frequency characteristics along strike, dip, and vertical directions. It was found that microseismic and high-energy events in wide-pillar working faces were highly concentrated within 60 m, whereas microseismic events in small-pillar working faces were concentrated within 100 m, and high-energy events within 40 m. The microseismic energy and frequency in both strike and dip directions were higher for wide-pillar working faces than for small-pillar ones. The coal pillar width was shown to have a significant influence on the spatial distribution of microseismic activity. Under the support of wide pillars, the roof was more prone to hanging and generating high-energy events, while the roof of small-pillar working faces exhibited no hanging and released elastic energy through multiple low-energy events. Small-section coal pillars were found to play an important role in the prevention and control of roof-type rockbursts.

Graphical abstract

关键词

顶板型冲击地压 / 煤柱尺寸 / 综合分析 / 冲击地压防治

Key words

roof type rock burst / coal pillar size / comprehensive analysis / rockburst prevention

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赵善坤, 董续凯, 柴海涛, 侯煜坤. 顶板型冲击地压矿井不同煤柱宽度动力显现特征及适用性对比[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(22): 9498-9509 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507032

ZHAO Shan-kun, DONG Xu-kai, CHAI Hai-tao, HOU Yu-kun. Comparative of Dynamic Manifestation Characteristics and Applicability of Different Coal Pillar Widths in Roof-type Rockburst Mines[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(22): 9498-9509 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507032

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在中国西北矿区已有多个煤矿频繁发生采掘工作面冲击地压事故^[1-2],而这些矿区是中国煤炭生产的主要基地,严重制约着矿井高产高效生产。经研究,坚硬顶板^[3-4]和煤柱留设^[5-6]已成为西北矿区部分矿井高地压、强扰动特征的主要影响因素^[7-8]。因此,许多学者对坚硬顶板-煤柱结构形式、力学作用关系及控制措施进行了研究。张俊文等^[9]研究揭示了厚煤层一次采全高低位厚硬岩层垮落致冲机理,提出了窄煤柱护巷+高低位爆破工艺的有效防冲方法。褚渊等^[10]建立了遗留煤柱高、低位坚硬顶板结构“联合失稳”力学模型,阐述了末采期遗留煤柱下高低位顶板发生联合失稳的风险来源;任建喜等^[11]采用数值模拟及现场实测的方法研究了浅埋综采工作面合理区段煤柱宽度。张震等^[12]研究表明工作面煤柱较宽时侧向支承压力呈“双承载点同步传递”的状态,对煤柱宽度优化具有参考意义;Dong等^[13]和Zhang等^[14]分析了复合坚硬顶板的主控致灾层位,揭示了复合坚硬顶板破断致灾机理,提出并应用了顶板双向高低位爆破防治冲击地压的方法。王博等^[15]采用多种手段综合判定方法探讨了诱发冲击地压的主控层位和矿井冲击地压治理的主要目标层位。刘艳红等^[16]研究了极近距离煤层叠加煤柱合理布留宽度及工作面轨道巷布置方式。孙利辉等^[17]通过确定沿空掘巷内应力场分布范围,对比不同宽度护巷煤柱下巷道围岩的形变特征,得到了厚煤层沿空掘巷最优护巷煤柱宽度。文献[18-19]研究了坚硬顶板砂岩水力压裂裂缝扩展规律,为顶板型冲击地压矿井水力压裂防冲措施事件提供了参考。张俊文等^[20]提出了煤矿深部开采冲击地压灾害结构调控技术架构,阐述了系统失稳-结构致灾路径,并通过调节煤岩结构有效保障了安全开采。翁明月等^[21]指出顶板既是工作面系统内高静载力源,又是系统外强动载荷来源。于斌等^[22]根据坚硬顶板作用机理,在大采场空间范围内研究了坚硬顶板控制的新理论和新技术体系;解嘉豪等^[23]揭示了顶板预裂爆破防冲机理,并开展了预裂爆破防冲实践。Lai等^[24]研究了夹层岩柱顶板急倾斜开采力学模型,通过 “内-外”控制急倾斜工作面开采过程中煤岩动态破坏的“时空”响应关系有效降低了围岩高应力集中和能量畸变。

综上,现有研究在坚硬顶板结构特征、煤柱稳定性及冲击地压防治机理方面取得了诸多成果,但针对顶板型冲击地压矿井不同煤柱尺寸留设及动力显现差异规律的归纳研究仍较为缺乏。西北矿区深部矿井在煤炭开采过程中形成了宽煤柱和窄煤柱分区布置的工程特点。因此,现以深部矿井相似顶板条件不同煤柱宽度留设为背景,从理论分析和现场应用反馈两方面展开顶板型冲击地压矿井煤柱宽度适用性研究。两种煤柱留设方式工作面开采矿压监测数据全面,为深部顶板型冲击地压矿井煤柱优化设计与防冲技术体系构建提供理论依据与实践参考。

1 工程概况

1.1 地质概况

内蒙古一深部矿井地质构造简单,地层倾角介于1°~3°,平均埋深约560 m,主采煤层可采厚度2.7~5.6 m,平均可采厚度4.6 m,顶底板以砂岩为主。根据该矿井煤层及其顶底板岩层冲击倾向性鉴定(表1):主采煤层及顶板具有强冲击倾向性,底板岩层具有弱冲击倾向性,为典型的顶板型冲击地压矿井类型。在矿井煤层采掘期间,部分地段出现明显动力现象,兼之煤层较厚,一次采全高工艺,矿井具有高地压、强扰动的特征。

由于前期采掘布置和接续未考虑冲击地压防治,该矿井在煤炭开采过程中形成不同煤柱宽度工作面开采方式,如图1所示,矿井初期为方便快速掘进的宽煤柱布置工艺,煤柱宽度25 m,后期采用窄煤柱布置工艺,煤柱宽度5~6 m。已发生冲击事件统计发现,冲击地压事件全部发生在宽煤柱布置工作面,窄煤柱布置工作面无冲击事件发生。

1.2 冲击倾向性和冲击显现情况

根据井下钻孔取芯,该矿主采煤层上方100 m内具有多层厚硬顶板(表2),强冲击倾向性顶板容易悬顶,崩断时对工作面的扰动也更大。

据统计,该矿冲击事件显现时工作面煤柱侧有明显震感,煤柱区域顶板冲击性下沉破碎,煤柱向外挤出,煤柱侧巷道超前应力迅速预警并急速下降,如图2所示。分析该矿发生数次冲击事件均与顶板与煤柱的协同作用关系相关,亟需开展顶板型冲击矿井煤柱合理留设尺寸的研究。

2 顶板型冲击地压矿井煤柱合理宽度理论分析

该矿井建设初期采用相邻矿区浅埋薄基岩采掘经验^[25],将双巷掘进、宽煤柱(25 m)模式应用到深部煤层开采,不仅造成资源浪费,也导致矿井多个工作面面临严重的冲击地压问题。后续,矿井根据实际生产经验布置窄煤柱宽度为5.6 m,取得了较好的防冲效果。两种煤柱布置方式形成了鲜明对比,但还缺乏理论分析和验证。因此,采用理论分析和现场应用数据统计分析方法验证顶板型冲击地压宽、窄煤柱适用情况,为西北矿区深部开采顶板型冲击地压矿井后续工作面采掘布置煤柱尺寸留设和新建矿井煤柱设置提供参考。

2.1 关键块结构计算煤柱尺寸

关键块体的断裂位置影响了巷道围岩受力情况,上覆岩层传递到巷道围岩的支承压力在关键块断裂线位置为应力降低区(Z₁)和应力升高区(Z₂),Z₁内部支承压力由基本顶自重及其运动状况决定,其力学模型如图3所示。将煤柱布置在Z₁区域有利于维护巷道围岩的稳定。

Z₁区域距离采空区边缘x处的支承压力σ_x的表达式^[26]为

(1)

${\sigma }_{x}=\frac{{G}_{0}{\epsilon }_{0}}{{Z}_{1}^{2}}({Z}_{1}x-{x}^{2})$

式(1)中:G₀为Z₁区域煤体最大刚度,Pa;ε₀为Z₁区域煤体最大变形量,m。

分布区域的支承压力与基本顶初次来压的自重相当,则

(2)

${\int }_{0}^{Z { }_{1}}{\sigma }_{x}dx=\frac{{G}_{0}{\epsilon }_{0}{Z}_{1}}{6}=LSh\gamma $

(3)

${Z}_{1}=\frac{6LSh\gamma }{{G}_{0}{\epsilon }_{0}}$

式中:L为上区段工作面长度,m;S为上区段基本顶初次破断距,m;h为基本顶层厚,m;γ为基本顶容重,N/m³。

根据该矿地质及开采技术条件,煤体极限刚度G₀为1.2×10⁹ Pa;煤体压缩极限量为0.8 m;基本顶层厚h为14.15 m;基本顶容重γ为25 000 N/m³;上区段工作面长度L为300 m;上区段基本顶初次破断距S为19.8 m;计算应力降低区Z₁为

(4)Z₁=$\frac{6\times 300\times 19.8\times 14.15\times 25 000}{1.2\times {10}^{9}\times 0.8}$=13.13

应将煤柱和巷道整体布置在应力降低区,则煤柱宽度和巷道宽度之和应不超过应力降低区范围。巷道宽度Z_h为6 m,则煤柱宽度Z_z≤7.13 m。

综上,根据关键块结构计算的煤柱尺寸最大值为7.13 m。

2.2 围岩极限平衡理论计算煤柱尺寸

根据围岩极限平衡理论^[27-28]可以得出煤柱宽度S的计算公式,计算示意如图4所示,煤柱应力极限平衡区宽度公式可以表示为

(5)

$S={S}_{1}+{S}_{2}+{S}_{3}$

(6)

${S}_{1}=\frac{m\beta }{2tan\varphi }ln\frac{K\gamma H+\frac{C}{tan\varphi }}{\frac{C}{tan\varphi }+\frac{{P}_{x}}{\beta }}$

式中:S₁为采空区侧煤柱塑性区宽度;S₂为煤柱弹性核区宽度,根据实践经验,窄煤柱弹性核区取值为0;S₃为安全系数(防火、瓦斯、水作用),S₃=0.15∼0.35(S₁+S₂);m为煤层厚度,值为4.6 m;β为侧压系数,取0.4;

$\varphi $

为煤层内摩擦角,计算值为32°;C为煤岩层交界处黏聚力,计算值为2.2 MPa;K为集中应力系数,取1.8;H为巷道埋深,为560 m;P_x为煤体支护阻力,为0.2 MPa。

由以上条件计算,可得S₁=3.7 m,S=4.3~5.1 m。

综合以上计算可知,该矿煤柱留设尺寸合理范围在4.3~7.13 m。在实际应用中为避免特殊情况发生,一般取中间值。因此,由理论计算得出该矿井工作面窄煤柱留设尺寸为5.7 m,与矿井实际应用窄煤柱尺寸5.6 m极接近,理论验证了该矿由实践得出窄煤柱尺寸的合理性。

2.3 数值模拟验证

利用FLAC^3D软件Extrusion模式建立长×宽×高为1 000 m×700 m×60 m、煤厚4.6 m的厚煤层模型,对不同煤柱尺寸(5.6 m,25 m)的超前应力集中程度、位置和变形量进行对比。如图5所示,以煤柱及巷道为重点研究对象,对模型进行网格划分,煤柱与巷道区域网格尺寸为0.4 m×0.4 m×0.4 m,其余部分网格尺寸为4 m×4 m×4 m,选用摩尔-库仑本构模型模拟煤岩破坏和塑性行为,固定模型底面和周围四面法向位移,模型顶部设置为自由面。以该矿地应力测试报告结果为依据,在数值模型X-X方向施加13.2 MPa的均布载荷,在Y-Y方向施加6.1 MPa的均布载荷,模型顶部至地表间岩层重量通过施加14 MPa均布载荷代替(埋深560 m),施加上述边界条件并使其初始应力平衡,提取围岩应力分布进行分析,如图6~图9所示。

当留设小尺寸煤柱时,应力主要在煤体帮深部应力集中,超前30 m范围内煤柱的变形量较大,且具有一定的支承能力。留设宽煤柱护巷时,在煤柱中部靠近巷道形成高应力集中区,超前20 m出现煤体帮应力集中,煤柱中部存在弹性核,且超前50 m内煤柱无变形,说明留设25 m时刚度大,具有发生冲击地压的风险。

综上所述,通过理论公式及数值模拟方法验证了顶板型冲击地压矿井窄煤柱留设的合理性。根据关键块结构计算的煤柱尺寸最大值为7.13 m,围岩极限平衡理论计算煤柱尺寸最小值为4.3 m,由理论计算得出该矿井工作面窄煤柱留设尺寸为5.7 m,与矿井实际应用窄煤柱尺寸5.6 m基本相同,同时利用数值模拟软件验证了窄煤柱合理性。

3 顶板型冲击地压矿井不同煤柱尺寸现场应用及对比分析

3.1 工作面微震事件空间分布特征

以工作面沿空巷道与切眼交接点为原点,建立微震事件分布图,如图10和图11所示。沿宽煤柱工作面走向,微震事件高度集中于煤层上方60 m范围内,微震事件集中分布在煤层上方和煤层上方20 m附近;且煤层附近微震集中区领先煤层上方20 m集中区域超前300 m发育,呈现阶梯型发育特征;微震大能量事件从400 m开始集中在低位发育,滞后工作面200 m,低位顶板破断提供上方顶板破断空间,进而向高位逐步发育,如图10(a)所示。

沿宽煤柱工作面倾向微震事件和大能量事件分布基本相似,都在宽煤柱上方集中分布,微震事件高度集中于60 m范围内,微震事件在煤层上方和煤层上方20 m形成微震事件集中层位;沿工作面倾向微震事件同样呈现阶梯型发育特征,低位微震事件领先高位150 m发育;采空区及宽煤柱护巷方式对工作面微震事件分布影响大,如图10(b)所示。

沿窄煤柱工作面走向微震事件高度集中于100 m范围内,微震事件在煤层上方40 m范围内发育并形成微震事件集中层位;微震大能量事件从200 m开始集中在煤层上方40 m范围内发育,如图11(a)所示。沿窄煤柱工作面倾向微震事件和大能量事件分布基本集中在煤层上方40 m范围内,如图11(b)所示。通过图10和图11可知,煤柱尺寸对微震事件分布范围具有较大影响,在宽煤柱的支撑下顶板更容易悬顶发生大能量事件,窄煤柱工作面顶板基本无悬顶,通过多次小能量事件释放顶板弹性能。

3.2 工作面微震事件能量、频次分布特征

统计沿工作面倾向微震能量和频次分布特征,如图12和图13所示。沿工作面走向,窄煤柱工作面的能量、频次峰值超前60 m左右,宽煤柱工作面能量频次峰值在超前80 m左右,宽煤柱工作面回采期间走向能量峰值达到2×10⁶ J,频次峰值达到580次,窄煤柱工作面回采期间倾向能量峰值为1.7×10⁶ J,频次峰值为580次,说明宽煤柱工作面顶板更不容易破断释放能量,一旦悬顶发生破断时发生微震事件释放能量更大。

通过图13(a)可以得出宽煤柱工作面回采期间倾向微震累计能量、频次主要分布在工作面沿空巷道两侧约各50 m范围内,且能量、频次峰值均位于煤柱上方,表明宽煤柱工作面回采过程中顶板破断事件主要发生在煤柱侧。窄煤柱工作面地质条件与宽煤柱工作面类似,窄煤柱工作面回采期间倾向微震能量、频次分布如图13(b)所示,通过对比可以看到宽煤柱工作面回采期间倾向能量峰值达到1.2×10⁷ J,频次峰值达到5 200次,窄煤柱工作面回采期间倾向能量峰值为2.4×10⁶ J,频次峰值为850次。宽煤柱工作面倾向能量、频次峰值远高于窄煤柱工作面,表明宽煤柱工作面回采期间顶板破断事件远多于小尺寸区段煤柱工作面,表明小尺寸区段煤柱对冲击地压的防治具有重要作用。

统计沿工作面垂向微震能量和频次分布特征,如图14所示。沿工作面垂向宽煤柱布置工作面的能量、频次集中分布在工作面垂向0~30 m,峰值位于顶板10 m左右,窄煤柱工作面能量、频次集中分布于工作面垂向0~50 m,峰值位于工作面垂向20 m左右。对比工作面总能量、频次发现,窄煤柱布置工作面总能量更小,频次反而更大,说明宽煤柱工作面顶板更容易集聚顶板弹性能,窄煤柱工作面更不容易发生大能量震动致灾事件。

综上所述,通过对比窄煤柱和宽煤柱工作面微震事件空间分布特征发现煤柱尺寸显著影响微震事件的空间分布、能量特征及频次规律。宽煤柱工作面微震事件在走向和倾向上均表现为高度集中分布,主要位于煤层上方及上方20 m范围内,呈阶梯式向高位发展,大能量事件多在低位起始并逐步向高位扩展,且回采期间能量与频次峰值显著高于窄煤柱工作面。这表明宽煤柱条件下顶板更易形成悬顶积聚弹性能,一旦破断将释放较大的能量。相较之下,窄煤柱工作面微震事件分布范围更宽、集中性较弱,顶板多通过多次小能量事件释放应力,难以形成大规模能量积聚。垂向分布分析进一步显示,宽煤柱工作面能量与频次集中于顶板0~30 m范围,而窄煤柱集中于0~50 m且峰值更靠近20 m位置。总体而言,减小煤柱尺寸有助于削弱顶板大能量破断风险。因此,通过微震事件能量、频次走向、倾向分布特征,可以得出小尺寸区段煤柱对顶板型冲击地压的防治具有重要作用。

4 顶板型冲击地压矿井不同煤柱宽度防冲思考

综合理论计算、数值模拟及现场微震监测结果,不同煤柱宽度对顶板结构形态及冲击地压防治效果具有显著影响。在宽煤柱工作面条件下,顶板悬露跨度大,结构稳定性依赖煤柱支撑,容易形成大范围悬顶,导致弹性能高度积聚。一旦顶板破断,释放能量集中且幅值大,冲击风险将显著升高。因此,根据前述理论计算、数值模拟及现场微震监测结果的研究,一般在宽煤柱工作面采取双向顶板处理措施,在窄煤柱工作面采取采空区侧单向顶板处理措施,如图15所示。另外,在封孔长度不足不适用顶板爆破或水力压裂等直接卸压手段的条件下,为降低此类型不利影响,应采取大直径钻孔或煤体水力压裂等非直接措施调整顶板断裂位置,使深部三向应力煤体承担大能量扰动,如图16所示。

在窄煤柱工作面条件下,煤柱支撑能力相对有限,顶板悬露长度较小,更易在采动扰动过程中通过多次小规模破断释放能量,形成“多次、小幅、分散”的能量释放模式,有助于降低大能量冲击事件的发生概率。然而频繁的局部破断可能导致顶板碎化局部冒落和窄煤柱大变形风险,需配合高效的联合支护方式,减小窄煤柱大变形可能性,保证顶板稳定。

5 结论

(1)通过理论验证了顶板型冲击地压矿井窄煤柱留设的合理性。通过计算得到该矿煤柱留设尺寸合理范围在4.3~7.13 m,该矿井工作面窄煤柱留设尺寸最优值为5.7 m,与矿井实际应用窄煤柱尺寸5.6 m极接近。

(2)通过数值模拟验证了留窄煤柱的变形量较大,但还具有一定的支承能力;留设宽煤柱护巷时,在煤柱中部靠近巷道形成高应力集中区,超前20 m出现煤体帮应力集中,煤柱中部存在弹性核,且超前50 m内煤柱无变形,说明留设25 m时刚度大,具有发生冲击地压的风险。

(3)通过对比窄煤柱和宽煤柱工作面微震事件空间分布特征,微震事件能量、频次走向、倾向、垂向分布特征,可以得出采空区及宽煤柱护巷方式对工作面微震事件分布影响大,小尺寸区段煤柱对顶板型冲击地压的防治具有重要作用。

(4)给出了顶板型冲击地压矿井不同煤柱宽度防冲建议,应根据煤柱宽度及其作用方式,选择合理、科学的防冲措施。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金(52474230)

国家自然科学基金(U23B2093)

国家重点研发计划(2024YFC2909500)

天地科技创新创业资金专项重点项目(2024-TD-ZD010-01)

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Received	Published	Revised
2025-10-04	2026-08-08	2025-11-27
Online Date
2026-09-03

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