0 引 言
在近距离煤层群开采过程中，上层煤受地质条件、开采方式、工作面布置方式等因素影响，开采期间常遗留大量护巷集中煤柱、区段集中煤柱等，这些煤柱由于设计原因大部分宽度超过20 m，甚至出现集中煤柱群。现场实践发现，下伏工作面在推出集中煤柱时容易发生动载矿压灾害[1-4]，在推进集中煤柱时也易诱发强烈的矿压显现，两者均对工作面的安全生产形成较大威胁。
我国学者对煤柱下工作面开采问题开展了大量研究。文献[5-6]等认为浅埋煤层工作面推过沟谷地形上坡段期间，受侵蚀岩层断裂岩块发生滑落失稳后将诱发动载矿压灾害；郑百生等[7]认为下部煤层工作面推进到煤柱下方时形成高应力区是诱发矿井灾害的关键；鞠金峰等[8-9]认为工作面出煤柱过程中关键块体发生相对旋转运动后将诱发工作面异常矿压显现；付兴玉等[10]认为应力集中导致房式采空区小煤柱连锁失稳后，冒落覆岩的冲击作用是诱发出房式采空区集中煤柱动压灾害的根本原因；于斌等[11]认为“煤柱-覆岩运动”的联合作用诱发工作面强矿压显现。综上所述，目前我国学者对下伏工作面推出集中煤柱期间动压灾害显现及机理研究较多，而对进煤柱时动载诱发矿压显现方面的研究相对较少，一些学者仅定性地从覆岩结构稳定性出发揭示了工作面进集中煤柱的异常矿压显现机制，未分析该类异常矿压显现特征，也未对异常矿压力学作用机制进行定量描述[12]。
为了揭示近距离下伏煤层进集中煤柱期间异常矿压显现特征及发生机理，笔者以神东煤炭集团布尔台煤矿42107工作面为工程背景开展研究，研究成果可为该类工况工作面的安全高效生产提供技术指导。
1 工作面概况
42107工作面为布尔台煤矿4-2煤层的临空工作面，工作面走向长4 800 m，倾向长300 m，平均埋深480 m，煤层平均厚度6 m，倾角3°～9 °，工作面采高为3.5 m，放顶煤高度为2.5 m。4-2煤层上部依次为5.2 m厚的砂质泥岩，3.2 m厚的细粒砂岩，2.6 m厚的砂质泥岩，4.8 m厚的泥岩，17.0 m厚的细粒砂岩，6.6 m厚的砂质泥岩，3.4 m厚的2-2煤层，27.1 m厚的粉砂岩；42107工作面覆岩存在2个关键层[13-15]。其中，27.1 m厚的粉砂岩和6.6 m厚的细粒砂岩分别为主关键层和亚关键层，分别是位于2-2煤层基本顶和位于4-2煤层基本顶，工作面矿压显现受上方2个关键层协同影响。
42107工作面距上层2-2煤层采空区平均间距40 m，两煤层属于近距离煤层，上覆2-2煤层采空区遗留有2条倾向集中煤柱，运输巷侧的倾向遗留集中煤柱宽度为165 m，对应于工作面内1—77号支架，辅运巷侧的倾向遗留集中煤柱宽度为100 m，对应于工作面内95—140号支架，如图1所示。
图1 42107工作面平面布置
Fig.1 Plan layout of No.42107 working face
2 进煤柱期间异常矿压及覆岩运动特征
为了分析42107工作面进集中煤柱期间矿压显现特征，在现场布置支架阻力监测设备及微震监测设备进行观测，将研究区域分为工作面进煤柱前的采空区下回采、进煤柱2个阶段进行研究。
2.1 进集中煤柱异常矿压显现规律分析
通过支架末阻力分析得到的两阶段矿压显现对比情况如图2所示，采空区下回采期间周期来压步距为15～20 m，支架工作阻力为15 400～18 500 kN；进集中煤柱期间周期来压步距为11～13 m，支架工作阻力约为2 1000 kN。整体而言，与采空区下回采相比，工作面进集中煤柱期间呈现周期来压步距减小、来压强度急剧增大的特征。
图2 进集中煤柱矿压显现对比情况
Fig.2 Contrast of pressure during face mining into the coal pillar
2.2 进集中煤柱覆岩破断特征分析
在42107工作面两巷道各布置了7个微震探头，结合微震事件频次及总能量2个指标，利用微震监测[16-20]技术分析工作面回采期间覆岩破断特征。2018年，工作面在采空区下回采及进集中煤柱2个阶段的微震事件对比情况如图3所示。采空区下回采期间每日微震事件频次不超过40次，微震事件总能量不超过2 MJ；2次进集中煤柱期间每日微震事件频次超过100次，总能量大于4 MJ。同时，在煤柱影响范围内开采时，高能量微震事件在4-2煤层与2-2煤层顶板岩层中分布密集，如图4所示。整体而言，与采空区下回采相比，工作面进集中煤柱期间微震监测频次和总能量迅速增多，覆岩破坏程度明显增大。
图3 进集中煤柱期间微震事件对比情况
Fig.3 Contrast of microseismic events during face mining into the coal pillar
图4 煤柱影响范围内高能量微震事件分布情况
Fig.4 Distribution of high energy microseismic events within the influence of coal pillars
2.3 进集中煤柱异常矿压显现原因
通过以上矿压显现及覆岩运动特征可以初步推断，工作面进集中煤柱期间，顶板应力增大导致顶板破断程度增大，因此伴随着微震事件频次及总能量的增加，同时促进了基本顶的断裂，导致进集中煤柱期间呈现来压步距减小、来压强度增大的特征。
3 进煤柱期间异常矿压显现机理研究
考虑到神东矿区工作面宽度较大，采场中部受两端的侧向约束不明显，因此，可以假设为平面应变问题，即采用梁结构进行分析，后续均基于该假设开展分析。
3.1 进集中煤柱顶板破断步距分析
工作面回采过程中，关键层及其上覆软弱岩层协同变形、运动，当关键层弯曲变形程度较小时，在上、下位岩层的夹持作用下，上覆软弱岩层弯曲变形程度将更小，导致软弱岩层两侧固支端不与下方关键层对齐，而是偏向悬露岩体内部，如图5所示。由于两侧固支端实际位置外侧岩体未发生明显的协同变形及运动，因此岩层固支端位置及其向外位置将受到超前支承压力作用。
图5 关键层及其上覆软弱岩层固支端
Fig.5 Fixed support of the key stratum and its overlying soft stratum
当上覆采空区基本顶关键层断裂步距大于下工作面基本顶破断步距时，上覆采空区破断顶板将形成保护结构，此时，可建立以下力学模型，如图6所示，笔者研究针对基本顶块体块度i>0.5的工况，因此基本顶可按悬臂梁考虑。
图6 考虑超前应力的基本顶受力分析
Fig.6 Stress analysis of basic roof considering leading stress
图6中，q1为塑性破坏区煤体所受超前支承压力，MPa；q2为悬臂段所受载荷，MPa；q3为极限平衡状态下塑性区煤体对顶板的支反力，通过单轴试验确定，MPa；x0为破断面深入煤体的宽度，与塑性区宽度接近，m；H为基本顶厚度，m；L为基本顶破断步距，m。其中q1及q2表示为
(1)
式中：K为超前支承压力集中系数；γ为覆岩平均容重，kN/m3；∑H为覆岩总厚度，m；Hd为基本顶关键层及其所控软弱岩层总厚度，m。
由受力平衡可知
q1x0+q2(L-x0)=q3x0
(2)
破断面深入煤体宽度表示为
(3)
式中：m0为煤层平均采厚，m；C煤体黏聚力，MPa；φ为煤体内摩擦角；f为煤层与其顶底板接触面间摩擦因数；ζ为三轴应力系数，ζ=(1+sin φ)/(1-sin φ)。
破断面所受弯矩为
(4)
当L满足以下公式时，基本顶发生破断，基本顶抗拉强度为
(5)
式中，Wt为抗弯截面系数，m2。
Wt=H2/6
(6)
通过式(1)—式(6)可得：
(7)
q1=Kγ∑H，根据文献[21]，K取2～3，这里取最小值2；q2=γHd，这里Hd取最大值100 m；q3取最大值单轴抗压强度，显然q1-q2-q3>0。x0为应力集中系数K的单调增函数，因此式(7)所示函数为应力集中系数K的单调递减函数。
对于近距离煤层群下伏工作面，在采空区下回采期间，超前应力集中系数为K1，K1主要受下伏工作面采动影响。下伏工作面在进集中煤柱期间，超前应力集中系数为K2，K2由下伏工作面采动及上覆采空区集中煤柱边界应力集中叠加影响，显然K2>>K1。结合式(7)可知，下伏工作面进上覆采空区集中煤柱期间，呈现破断面深入煤体深度x0增加、破断步距L减小的特征。
3.2 进集中煤柱顶板支架载荷分析
工作面回采期间支架载荷为
(8)
式中：A为直接顶质量，kN；l为控顶距，m。
显然，该函数为应力集中系数K的增函数。因此下伏工作面进上覆采空区集中煤柱期间，支架载荷将明显增加，发生异常矿压显现。
4 进煤柱期间覆岩运动特征的相似模拟试验
为了验证理论分析结果，根据42107工作面实际情况进行了相似模拟实验研究。结合覆岩岩性、完整性及强度，考虑到边界条件及模拟范围，因此设计为模型长度为200 m，基于前面平面假设，模型宽度设计5 m，对于上煤层综采面裂隙带发育高度，按12倍采高，普通综采面采厚一般为3.0～5.5 m，因此高度设计为150 m，顶部无外力加载。相似学参数取1∶100，因此模型的尺寸为2.00 m×0.05 m×1.50 m。模拟过程中，首先开挖上煤层形成长壁采空区，并遗留集中煤柱，待采空区稳定后，开采下煤层，下煤层工作面开切眼布置在采空区下，持续推进至进集中煤柱，观察期间覆岩破断特征。
通过相似模拟研究下伏近距离煤层进集中煤柱过程顶板岩块运动特征，如图7所示。
图7 下伏煤层进集中煤柱顶板岩层破断运动
Fig.7 Fracture movement of roof of mining goafs into the concentrated coal pillar
根据图7可知，下伏煤层进集中煤柱前，顶板破断步距较大，顶板结构稳定；下伏煤层进集中煤柱时，破断面深入煤体深度增加，内应力通过岩层传递到下部岩层，造成下伏工作面应力集中，同时下方岩块破碎，垮落步距减小。相似模拟结果与理论分析基本吻合。
5 防治措施
针对下伏煤层工作面进集中煤柱此类工况，为避免进煤柱期间发生异常矿压显现，可以采用以下3种措施。
1)下伏工作面进入集中煤柱影响区时加快工作面推进速度。工作面进集中煤柱时，基本顶破断后矿压显现强烈，加快推进速度后，可以保证在集中煤柱覆岩运动尚未调整结束前即应力集中系数K尚未达到最大值前，工作面已推过集中煤柱异常矿压影响范围，结合式(8)可知此时可以降低工作面矿压显现强度。
2)增加支架初撑力，实现支架的及时、有效接顶，从而实现对顶板的有效控制。
3)加强采场煤壁护帮工作。包括充分发挥支架护帮装置作用，在机组割煤前，提前于采煤机1～2架将护帮板收起，使工作面煤壁始终处于护帮板支撑下，及时带压移架并提高初撑力。加强护帮能力可以降低煤壁片帮程度，从而避免煤壁上破碎煤体喷出导致的人员伤亡。
6 结 论
1)下伏煤层工作面进上覆采空区遗留集中煤柱时，基本顶呈现破断步距减小、来压强度增大的特征，同时，由微震事件频次和总能量表征的覆岩破坏程度明显增大，呈现强烈的矿压显现。
2)建立了考虑超前应力集中影响的基本顶力学模型，得到了基本顶破断步距、来压强度与超前应力集中系数K间的定量关系，整体表现为应力集中系数K增大时来压步距L减小、来压强度P增大；进集中煤柱期间，集中煤柱叠加影响的应力集中系数K明显增大，导致了异常矿压显现。
3)通过相似模拟研究下伏近距离煤层进集中煤柱过程顶板岩块运动特征，相似模拟结果与理论分析基本吻合。
4)针对下伏工作面进上覆采空区遗留集中煤柱期间发生的异常矿压问题，给出了加快工作面推进速度、增加支架初撑力和加强采场煤壁护帮工作的建议。
[1] 张宏伟，周坤友，荣 海，等. 浅埋深大采高工作面矿压显现及支架适应性研究[J]. 煤炭科学技术, 2017, 45(4): 20-25.
ZHANG Hongwei,ZHOU Kunyou,RONG Hai,et al. Study on mine strata behaviors and powered support suitability of high cutting coal mining face with shallow mining depth[J].Coal Science and Technology, 2017, 45(4): 20-25.
[2] 许家林，朱卫兵，鞠金峰.浅埋煤层开采压架类型[J].煤炭学报，2014，39(8)：1625-1634.
XU Jialin，ZHU Weibin，JU Jinfeng.Supports crushing types in the longwall mining of shallow seams[J].Journal of China Coal Society，2014，39(8)：1625-1634.
[3] 商晶志，付兴玉，李凤明，等.房式采空区集中煤柱下动载矿压灾害防治技术[J].煤矿开采，2016，21(3)：112-116.
SHANG Jingzhi，FU Xingyu，LI Fengming，et al.Disaster prevention of dynamic Loading mine pressure under central coal pillar with room goaf.[J].Coal Mining Technology，2016，21(3)：112-116.
[4] 鞠金峰.浅埋近距离煤层出煤柱开采压架机理及防治研究[D].徐州：中国矿业大学，2013.
[5] 王方田.浅埋房式采空区下近距离煤层长壁开采覆岩运动规律及控制[D].徐州：中国矿业大学，2012.
[6] 许家林,朱卫兵,王晓振,等.沟谷地形对浅埋煤层开采矿压显现的影响机理[J].煤炭学报,2012,37(2):179-185.
XU Jialin，ZHU Weibing，WANG Xiaozhen，et al.Influencing mechanism of gully terrain on ground pressure behaviors in shallow seam longwall mining[J]. Journal of China Coal Society，2012，37(2)：179-185.
[7] 郑百生,谢文兵,窦林名,等.不规则煤柱作用下工作面开采的三维数值模拟[J].煤炭学报,2006(2):137-140.
ZHENG Baisheng，XIE Wenbing，DOU Linming，et al.3D simulation on caving of face affected by irregular pillor[J]. Journal of China Coal Society，2006，31(2)：137-140.
[8] 鞠金峰,许家林,朱卫兵,等.近距离煤层采场过上覆T形煤柱矿压显现规律[J].煤炭科学技术,2010,38(10):5-8.
JU Jinfeng，XU Jialin，ZHU Weibing，et al.Strata Behavior Law of coal mining face with short distance to above seam passing through upper seam T crossing coal pillar[J]. Coal Science and Technology，2010，38(10)：5-8.
[9] 鞠金峰,许家林,朱卫兵,等.近距离煤层工作面出倾向煤柱动载矿压机理研究[J].煤炭学报,2010,35(1):15-20.
JU Jinfeng，XU Jialin，ZHU Weibing，et al.Mechanism of strong strata behaviors during the working face out of the upper dip coal pillar in contiguous seams[J]. Journal of China Coal Society，2010，35(1)：15-20.
[10] 付兴玉,李宏艳,李凤明,等.房式采空区集中煤柱诱发动载矿压机理及防治[J].煤炭学报,2016,41(6):1375-1383.
FU Xingyu，LI Hongyan，LI Fengming，et al.Mechanism and prevention of strong strata behaviors induced by the concentration coal pillar of a room mining goaf[J].Journal of China Coal Society，2016，41(6)：1375-1383.
[11] 于 斌,刘长友,杨敬轩,等.大同矿区双系煤层开采煤柱影响下的异常矿压显现机理[J].煤炭学报,2014,39(1):40-46.
YU Bin，LIU Changyou，YANG Jingxuan，et al. Mechanism of strong pressure revel under the influence of mining dual system of coal pillar in Datong Mining Area[J].Journal of China Coal Society，2014，39(1)：40-45.
[12] 杜 锋,袁瑞甫,郑金雷,等.浅埋近距离煤层煤柱下开采异常矿压机理[J].煤炭学报,2017,42(S1):24-29.
DU Feng，YUAN Ruifu，ZHENG Jinlei，et al. Mechanism of abnormal strata pressure of mining under coal pillar in close distance shallow coal seams[J].Journal of China Coal Society，2017，42(S1)：24-29.
[13] 钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报，1996，21(3)：225-230.
QIAN Minggao，MIAO Xiexing，XU Jialin.Theoretical study of key strata in ground control[J].Journal of China Coal Society，1996，21(3)：225-230.
[14] 许家林，钱鸣高.覆岩关键层位置的判别方法[J].中国矿业大学学报，2000，29(5)：463-467.
XU Jialin，QIAN Minggao.Method to distinguish key strata in Overburden[J].Journal of China University of Mining & Technology，2000，29(5)：463-467.
[15] 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.
[16] 姜福兴,姚顺利,魏全德,等.重复采动引发矿震的机理探讨及灾害控制[J].采矿与安全工程学报,2015,32(3):349-355.
JIANG Fuxing，YAO Shunli，WEI Quande,et al. Tremor mechanism and disaster control during repeated mining[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2015，32(3)：349-355.
[17] 欧阳振华,孔令海,齐庆新,等.自震式微震监测技术及其在浅埋煤层动载矿压预测中的应用[J].煤炭学报,2018,43(S1):44-51.
OUYANG Zhenhua，KONG Linghai，QI Qingxin，et al.Self-shocking microseismic monitoring technology and its application in prediction of dynamic pressure in shallow coal seam[J].Journal of China Coal Society，2018，43(S1)：44-51.
[18] 孔令海.煤矿采场围岩微震事件与支承压力分布关系[J].采矿与安全工程学报,2014,31(4):525-531.
KONG Linghai. Relationship between microseismic events and abutment pressure distribution in coal mining[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2014，31(4)：525-531.
[19] 徐学锋,窦林名,曹安业,等.覆岩结构对冲击矿压的影响及其微震监测[J].采矿与安全工程学报,2011,28(1):11-15.
XU Xuefeng，DOU Linming,CAO Anye,et al. Effect of overlying strata structures on rock burst and micro-seismic monitoring analysis[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2011，28(1)：11-15.
[20] 窦林名,贺 虎.煤矿覆岩空间结构OX-F-T演化规律研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(3):453-460.
DOU Lingming，HE Hu.Study of OX-F-T spatial structure evolution of overlying strata in coal mines[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(3)：453-460.
[21] 宋振骐.实用矿山压力控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1988.
