劉金海，鄭學(xué)軍，劉 虎，王 永，盧緒濤，王維斌

（1.華北科技學(xué)院 河北省礦井災(zāi)害防治重點實驗室，北京 101601；2.山東李樓煤業(yè)有限公司，山東 菏澤 274900；3.山東能源集團有限公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

地下煤礦常需留設(shè)區(qū)段煤柱、大巷煤柱、上山（或下山）煤柱、條帶煤柱、斷層煤柱、巷間煤柱、防水煤柱等各類保護煤柱。 保護煤柱尺寸的合理性關(guān)系到煤柱本身及相鄰巷道的穩(wěn)定性，如留設(shè)區(qū)段煤柱、條帶煤柱、大巷煤柱偏小易造成煤柱自身發(fā)生變形失穩(wěn)，而對于沖擊地壓礦井，留設(shè)的條帶煤柱偏小或區(qū)段煤柱偏大易誘發(fā)相鄰巷道發(fā)生沖擊失穩(wěn)。 近年來，我國多次發(fā)生由保護煤柱設(shè)置不合理而誘發(fā)的動力災(zāi)害。

煤柱合理尺寸的確定是相關(guān)采礦工程設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容之一。 目前，有關(guān)學(xué)者主要基于煤柱彈性核區(qū)寬度及其穩(wěn)定性要求確定煤柱尺寸。 師維剛等［1］將防水隔離煤柱結(jié)構(gòu)分為塑性區(qū)、彈性核區(qū)、水壓破壞區(qū)，并在計算各區(qū)寬度的基礎(chǔ)上確定了董家河煤礦防水隔離煤柱寬度。 姚強嶺等［2］分析了水作用對井下煤柱壩體穩(wěn)定性的影響，將煤柱壩體分為彈性區(qū)和非彈性區(qū)，并在計算彈性區(qū)和非彈性區(qū)寬度的基礎(chǔ)上建立了煤柱壩體寬度計算公式。 余學(xué)義等［3］通過在巷間煤柱中布設(shè)鉆孔應(yīng)力測點監(jiān)測掘巷、采動期間煤柱應(yīng)力變化，揭示了巷間煤柱承載特性及破壞特征，并結(jié)合現(xiàn)場條件對巷間煤柱寬度進行了優(yōu)化。 于洋等［4］考慮煤柱剝離對其長期穩(wěn)定性的影響，改進了條帶煤柱設(shè)計方法，給出了條帶煤柱寬度計算公式。 王方田等［5］運用突變理論揭示了淺埋煤層房式開采遺留煤柱失穩(wěn)機理，并將彈性核區(qū)與煤柱截面面積比作為判斷遺留煤柱失穩(wěn)的指標(biāo)。 陳紹杰等［6-7］研究了深部條帶煤柱蠕變支撐效應(yīng)和漸進破壞機制，揭示了煤柱彈性核區(qū)應(yīng)力變化特征及其漸進破壞與宏觀破壞過程。 楊永杰等［8］基于煤樣及煤柱蠕變特征提出了考慮長期穩(wěn)定性的深井采區(qū)上山保護煤柱合理寬度確定方法。張明等［9-10］建立了厚硬巖層-煤柱結(jié)構(gòu)模型及協(xié)調(diào)變形模型，給出了3 類失穩(wěn)類型（厚硬巖層破斷-煤柱穩(wěn)定、厚硬巖層穩(wěn)定-煤柱失穩(wěn)、厚硬巖層失穩(wěn)-煤柱失穩(wěn)）的判據(jù)。 王德超等［11］綜合考慮煤柱穩(wěn)定性、次生災(zāi)害控制及煤炭資源回收等因素，確定了趙樓煤礦深部沿空巷道護巷煤柱合理寬度。 上述研究更多集中于煤柱自身的穩(wěn)定性，而關(guān)于煤柱寬度對相鄰巷道影響的研究較少。 然而，煤柱寬度不合理將直接影響到相鄰巷道的穩(wěn)定性，甚至有可能誘發(fā)沖擊地壓等動力災(zāi)害，如較為典型的紅陽三礦西三上采區(qū)702 工作面與東側(cè)采空區(qū)之間留寬度為31～45 m 的隔離煤柱，回采期間工作面超前支承壓力與東側(cè)采空區(qū)側(cè)向支承壓力疊加，導(dǎo)致工作面超前218 m 范圍發(fā)生沖擊地壓，造成10 人死亡、214 m 巷道嚴(yán)重?fù)p壞。 因此，在確定沖擊地壓礦井相關(guān)煤柱合理寬度時，應(yīng)考慮煤柱對相鄰巷道沖擊地壓的影響。 劉金海等［12-13］從有利于相鄰巷道沖擊地壓防范的角度，提出了深井特厚煤層綜放工作面區(qū)段煤柱及深井厚煤層采空區(qū)迎采動隔離煤柱合理寬度的確定方法。

近年來，我國多次發(fā)生采區(qū)下山（或上山）煤柱區(qū)域沖擊地壓顯現(xiàn)，并造成嚴(yán)重破壞。 如山東某礦3301 工作面回采至終采線時，進風(fēng)巷超前180 m 處的西翼軌道下山和回風(fēng)下山區(qū)域發(fā)生沖擊地壓，造成2 人死亡、100 余米巷道破壞（圖1）。 防范這類沖擊地壓的原則是避免采區(qū)下山（或上山）巷道受到回采工作面超前采動影響，其關(guān)鍵在于合理確定采區(qū)下山（或上山）一側(cè)保護煤柱寬度（即回采工作面停采線至近側(cè)下山或上山巷道的距離）。 筆者以李樓煤礦采區(qū)下山保護煤柱合理寬度的確定為背景，在分析微震、應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)及采區(qū)下山?jīng)_擊地壓類型的基礎(chǔ)上，確定工作面采動影響范圍和采區(qū)下山保護煤柱合理寬度，并進行工程驗證。

圖1 沖擊地壓事故位置及破壞情況Fig.1 Location and damage of rock burst accident

1 工程概況

李樓煤礦采區(qū)采用雙翼布置方式（圖2），下山布置在采區(qū)中間，由南向北依次布置軌道下山、回風(fēng)下山、運輸下山，隔離煤柱寬55 m；軌道下山南側(cè)由西向東依次布置1300、1301 等工作面；運輸下山北側(cè)由西向東依次布置1302、1304 等工作面。 1300工作面是該采區(qū)的首個工作面，傾斜長度100 m，推進長度1 263 m，埋深平均860 m。 1302 工作面是該采區(qū)的第2 個工作面，傾斜長度120 m，推進長度946 m，埋深平均850 m。 1300 工作面由南向北推進，1302 工作面由北向南推進。 工作面采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤法，割煤高度3.6 m，循環(huán)進度0.8 m，放煤高度2.7 m，采放比為1 ∶0.75，采用全部垮落法管理頂板。

該采區(qū)3 煤回采傾角3°～6°，煤層厚度5.0 ～8.8 m，平均厚度6.3 m。 3 煤的單向抗壓強度為16 MPa，具有弱沖擊傾向性，呈褐色～黑色，弱玻璃～玻璃光澤，參差狀、階梯狀結(jié)構(gòu)，沉積穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，含有1 層夾矸，厚度0.03 m，上距煤層頂板2.4 m。鄰近鉆孔柱狀圖顯示，3 煤直接頂為厚2.5 m 的泥質(zhì)砂巖、粉砂巖，基本頂為厚12.85 m 的中細砂巖和厚11.25 m 的細砂巖，煤層上方149 m 處賦存厚30.18 m 的細砂巖，構(gòu)成工作面高位主關(guān)鍵層。 3 煤頂板、底板分別具有強、弱沖擊傾向性。

隨著1300、1302 工作面向采區(qū)下山推進，采區(qū)下山逐漸受到工作面超前采動影響，以及回采末期可能受到兩翼工作面超前支承壓力相互疊加與集中影響，存在發(fā)生沖擊地壓的可能性。 為此，需要通過留設(shè)合理的采區(qū)下山保護煤柱防范沖擊地壓。

圖2 采區(qū)平面圖及微震傳感器與應(yīng)力測點布置示意Fig.2 Layout of mining area，microseismic sensors and stress measuring points

2 向采區(qū)下山推進過程中支承壓力演化特征及沖擊顯現(xiàn)類型

2.1 采場覆巖運動與支承壓力演化特征

采場覆巖運動、應(yīng)力演化、沖擊顯現(xiàn)之間具有一定的邏輯聯(lián)系，即覆巖運動是煤層應(yīng)力演化和沖擊顯現(xiàn)的根源，煤層應(yīng)力是沖擊顯現(xiàn)的直接力源，其演化起著傳遞“覆巖運動”影響給“沖擊顯現(xiàn)”的作用，演化特征決定著沖擊顯現(xiàn)特征，沖擊顯現(xiàn)是覆巖運動和煤層應(yīng)力演化的現(xiàn)場反應(yīng)。 因此，分析工作面向下山推進過程中采場覆巖運動與支承壓力演化特征對確定沖擊顯現(xiàn)類型具有重要的作用。

根據(jù)文獻［9?10］和文獻［14］相關(guān)研究，全部垮落法管理頂板的工作面進入充分采動之前，覆巖最大破裂高度約為采空區(qū)短邊寬度的1/2。 對于李樓煤礦1300、1302 工作面而言，預(yù)計采場覆巖最大破裂高度為50 ～60 m，小于主關(guān)鍵層至煤層的距離。 工作面推進過程中，厚12.85 m 的中細砂巖和厚11.25 m 的細砂巖作為基本頂發(fā)生周期性破斷，影響著煤層支承壓力分布。 基本頂和主關(guān)鍵層是地層系統(tǒng)的骨架，其控制著覆巖運動和支承壓力演化特征，同時考慮到主關(guān)鍵層不會發(fā)生破斷和運動，可將采場覆巖簡化為直接頂和2層基本頂巖層。

工作面向采區(qū)下山推進過程中下山保護煤柱應(yīng)力演化如圖3 所示。 由圖3 可知，工作面距軌道下山②較遠時，由于采區(qū)下山保護煤柱①寬度較大，工作面超前支承壓力Ⅰ與采區(qū)下山垂直應(yīng)力Ⅱ未發(fā)生疊加（圖3a），采場基本頂破斷，震源⑤伴隨的地震波⑥有可能傳遞至軌道下山②，產(chǎn)生的附加應(yīng)力Ⅲ有可能與采區(qū)下山垂直應(yīng)力Ⅱ疊加；隨著采區(qū)下山保護煤柱①寬度變小，采場基本頂破斷位置和超前支承壓力Ⅰ前移，超前支承壓力Ⅰ與采區(qū)下山垂直應(yīng)力Ⅱ開始疊加，形成新的應(yīng)力分布Ⅳ（圖3b），采場基本頂破斷，震源⑤伴隨的地震波⑥傳遞至軌道下山②的可能性及震動附加應(yīng)力Ⅲ與采區(qū)下山垂直應(yīng)力Ⅱ疊加的可能性增大；隨著采區(qū)下山保護煤柱①寬度繼續(xù)減小，采場超前支承壓力Ⅰ與采區(qū)下山垂直應(yīng)力Ⅱ疊加并產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成新的應(yīng)力分布Ⅴ（圖3c），震動附加應(yīng)力Ⅲ也會與采區(qū)下山垂直應(yīng)力Ⅱ疊加；隨著采區(qū)下山另一翼工作面推采，兩翼工作面超前支承壓力發(fā)生疊加并產(chǎn)生集中，形成新的應(yīng)力分布Ⅵ（圖3d），同時由于基本頂破斷，震源⑤位置至采區(qū)下山的距離變小，地震波⑥必將傳遞至軌道下山②，震動附加應(yīng)力Ⅲ必將與采區(qū)下山垂直應(yīng)力Ⅱ疊加。

圖3 向采區(qū)下山推采過程中下山保護煤柱應(yīng)力演化示意Fig.3 Schematic of stress evolution during work mining to district dip

2.2 采區(qū)下山區(qū)域沖擊地壓顯現(xiàn)類型

由工作面向采區(qū)下山巷道推進過程中的下山保護煤柱應(yīng)力演化特征可知，采區(qū)下山區(qū)域存在3 種沖擊地壓類型。

1）動靜載疊加型沖擊［15］。 當(dāng)覆巖破斷伴隨的地震波傳遞至采區(qū)下山附近，震動附加應(yīng)力與采區(qū)下山垂直應(yīng)力疊加，若疊加后的應(yīng)力超過沖擊地壓臨界應(yīng)力，將發(fā)生動靜載疊加型沖擊。 這類沖擊地壓發(fā)生的可能性主要與采區(qū)下山保護煤柱寬度、斷裂線角度、破斷巖層高度等有關(guān)。 采區(qū)下山保護煤柱寬度越小，震源距采區(qū)下山越近，產(chǎn)生的震動附加應(yīng)力越大，采區(qū)下山區(qū)域發(fā)生這類沖擊地壓的可能性越大。

2）應(yīng)力疊加型沖擊［16］。 采場超前支承壓力與采區(qū)下山垂直應(yīng)力疊加并產(chǎn)生應(yīng)力集中，或兩翼采場超前支承壓力疊加并產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成采區(qū)下山區(qū)域的應(yīng)力超過沖擊臨界應(yīng)力，將發(fā)生應(yīng)力疊加型沖擊。 這類沖擊地壓發(fā)生的可能性及破壞性主要與采區(qū)下山保護煤柱寬度有關(guān)。 采區(qū)下山保護煤柱寬度越小，采區(qū)下山區(qū)域應(yīng)力集中系數(shù)越大，采區(qū)下山區(qū)域發(fā)生這類沖擊地壓的可能性及破壞性越大。

3）蠕變型沖擊［17］。 采場超前支承壓力與采區(qū)下山垂直應(yīng)力疊加，疊加后應(yīng)力小于沖擊地壓臨界應(yīng)力，雖然不會發(fā)生應(yīng)力疊加型沖擊地壓，但由于采區(qū)下山區(qū)域垂直應(yīng)力水平升高，隨著時間延長，可能發(fā)生蠕變型沖擊地壓。 這類沖擊地壓發(fā)生所需時間與采區(qū)下山保護煤柱寬度有關(guān)。 采區(qū)下山保護煤柱寬度越小，采區(qū)下山區(qū)域應(yīng)力疊加后的應(yīng)力水平越高，采區(qū)下山區(qū)域發(fā)生這類沖擊地壓所需的時間越短。

由上述分析可知，通過合理留設(shè)采區(qū)下山保護煤柱避免采區(qū)下山受工作面超前采動影響，是防范采區(qū)下山區(qū)域沖擊地壓的有效途徑。 然而，獲得準(zhǔn)確的工作面超前采動影響范圍是確定采區(qū)下山保護煤柱合理寬度的基礎(chǔ)。

3 回采工作面采動影響范圍監(jiān)測

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)布置

為準(zhǔn)確獲得回采工作面采動影響范圍，在李樓煤礦一采區(qū)布置ARAMIS M/E 微震監(jiān)測系統(tǒng)，在1300、1302 工作面布置kJ649 應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)。 一采區(qū)共布置13 個微震傳感器，其中下山區(qū)域布置2個，南翼布置7 個，北翼布置4 個，如圖2 所示。 由圖2 可知，一采區(qū)北翼微震傳感器集中布置在1302工作面，南翼微震傳感器集中布置在1300、1301 工作面。 上述微震傳感器布置方式能夠保證較好的定位精度。 1300、1302 工作面回采過程中，在超前300 m 范圍內(nèi)布置了應(yīng)力測站，具體為：在工作面軌道巷和運輸巷內(nèi)幫距開切眼30 m 處開始布置應(yīng)力測站，依次向外每間隔30 m 布置1 個測站，每個測站布置2 個測點，測點間距為2 m，鉆孔應(yīng)力計安裝深度分別為7 m 和14 m；隨著工作面推進，測站監(jiān)測裝置及時拆卸前移，重新布置應(yīng)力測點，始終確保應(yīng)力監(jiān)測范圍在300 m 以內(nèi)。 1300 工作面的77、95 號應(yīng)力測點和1302 工作面的39、49 號應(yīng)力測點布置位置如圖2 所示，其中95 號測點距軌道下山260 m，77 號測點距軌道下山245 m，39 號測點距膠帶下山437 m，49號測點距軌道下山363 m，4 個測點的鉆孔應(yīng)力計安裝深度均為14 m。

3.2 微震監(jiān)測揭示的工作面采動影響范圍

1300、1302 工作面微震事件的固定工作面投影分別如圖4、圖5 所示。 由圖4 可知，1300 工作面回采產(chǎn)生的微震事件分布范圍為工作面前方375 m 至工作面后方397 m、軌道巷外側(cè)183 m 至運輸巷外側(cè)153 m，集中分布范圍為工作面前方228 m 至工作面后方266 m、軌道巷外側(cè)85 m 至運輸巷外側(cè)106 m。 由圖5 可知，1302 工作面回采產(chǎn)生的微震事件分布范圍為工作面前方315 m 至工作面后方278 m、軌道巷外側(cè)278 m 至運輸巷外側(cè)175 m，集中分布范圍為工作面前方220 m 至工作面后方204 m、軌道巷外側(cè)117 m 至運輸巷外側(cè)114 m。

圖4 1300 工作面微震事件固定工作面投影Fig.4 Fixed-face projection of microseisms in No.1300 working face

微震事件分布一定程度上反映了工作面采動影響范圍，尤其是微震事件集中分布區(qū)，代表著工作面采動劇烈影響范圍［18］。 由上述微震事件分布特征可知，1300、1302 工作面的超前采動影響距離分別為375、315 m，平均345 m；滯后采動影響距離分別為397、267 m，平均332 m；軌道巷外側(cè)采動影響距離分別為183、278 m，平均230.5 m；運輸巷外側(cè)采動影響距離分別為153、175 m，平均164 m；超前采動劇烈影響距離分別為228、220 m，平均224 m；滯后采動劇烈影響距離分別為266、204 m，平均235 m；軌道巷外側(cè)采動劇烈影響距離分別為85、117 m，運輸巷外側(cè)采動劇烈影響距離分別為106、114 m，平均側(cè)向影響距離為105.5 m。

圖5 1302 工作面微震事件固定工作面投影Fig.5 Fixed-face projection of microseisms in No.1302 working face

3.3 應(yīng)力監(jiān)測揭示的工作面采動影響范圍

根據(jù)1300 工作面77、95 號測點應(yīng)力-時間關(guān)系曲線和推進距離-時間關(guān)系曲線，整理得到測點應(yīng)力-至工作面距離關(guān)系曲線，如圖6 所示。 由圖6 可知，布置在1300 工作面軌道巷的77 號測點應(yīng)力值距工作面221.2 m 時開始明顯升高，距工作面69.4 m 時達到峰值7 MPa，此后快速下降至3 MPa；布置在1300 工作面運輸巷的95 號測點應(yīng)力值距工作面234.2 m 時開始升高，距工作面88.2 m 時達到峰值8 MPa，此后應(yīng)力值快速下降至3.2 MPa。

根據(jù)1302 工作面39、49 號測點應(yīng)力-時間關(guān)系曲線和推進距離-時間關(guān)系曲線，整理得到測點應(yīng)力-到工作面距離關(guān)系曲線，如圖7 所示。 由圖7 可知，布置在1302 工作面運輸巷的39 號測點應(yīng)力值距工作面246.4 m 時開始明顯升高，距工作面74.4 m 時達到峰值4.5 MPa，此后快速下降至3.3 MPa；布置在1302 工作面軌道巷的49 號測點應(yīng)力值距工作面238.2 m 時開始升高，距工作面61.0 m 時達到峰值5 MPa，此后應(yīng)力值快速下降至3.5 MPa。 由上述測點應(yīng)力值變化特征可知，工作面回采超前支承壓力影響距離分別為221.2、234.2、238.2、246.4 m，平均235.0 m；支承壓力峰值位置至工作面的距離分別為69.4、88.2、61.0、74.4 m，平均73.25 m。

圖6 1300 工作面77、95 號測點應(yīng)力變化曲線Fig.6 Stress curves of No.77，No.95 measuring point in No.1300 working face

圖7 1302 工作面49、39 號測點應(yīng)力變化曲線Fig.7 Stress curves of No.49，No.39 measuring point in No.1302 working face

3.4 工作面采動影響范圍的確定

由微震、應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，微震監(jiān)測揭示的工作面超前采動劇烈影響距離平均值224 m 與應(yīng)力監(jiān)測揭示的工作面超前支承壓力影響距離平均值235 m 相差不大。 因此，圖4、圖5 中微震事件集中分布范圍可視為工作面采動影響范圍。綜合微震、應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果得出，李樓煤礦一采區(qū)工作面超前采動影響距離為235 m，滯后采動影響距離為235 m，側(cè)向采動影響距離為105.5 m。

4 采區(qū)下山保護煤柱合理寬度確定

4.1 采區(qū)下山保護煤柱合理寬度確定原則

確定采區(qū)下山保護煤柱合理寬度的原則：①降低震動附加應(yīng)力與采區(qū)下山垂直應(yīng)力疊加程度，防范動靜載疊加型沖擊地壓；②避免工作面超前支承壓力與采區(qū)下山垂直應(yīng)力疊加集中，以及兩翼工作面超前支承壓力疊加和集中，防范應(yīng)力疊加型沖擊地壓；③降低工作面超前支承壓力與采區(qū)下山垂直應(yīng)力疊加程度，延后蠕變型沖擊地壓，從而保證有充足時間實施沖擊地壓防治措施。 下面分別按照上述原則確定采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度L。

4.2 從防范采區(qū)下山區(qū)域動靜載疊加型沖擊的角度確定采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度

采區(qū)下山區(qū)域發(fā)生動靜載疊加型沖擊地壓的機理為［15］

式中：σd為震動附加應(yīng)力，MPa；σj為采區(qū)下山垂直應(yīng)力，一般取1.5γH；γ為覆巖平均容重，考慮到為巨厚松散層礦井，取0.024 MN/m3；H為采區(qū)下山埋深，m；σT為沖擊臨界應(yīng)力，一般取煤層單軸抗壓強度σc的2 倍［12］，MPa。

取σd＝σdP，σdP為P 波傳播至該點產(chǎn)生的法向應(yīng)力，按下式計算［19-20］：

式中：K為震源能量特征系數(shù)，取3.19［20］；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；CP為P 波在介質(zhì)中的傳播速度，m/s；E為震源能量，J；l為距震源的距離，m；α為衰減系數(shù)，取1.3［20］。

基于動靜載疊加型沖擊防范的采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度L計算模型如圖8 所示。

圖8 基于動靜載疊加型沖擊防范的采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度計算模型Fig.8 Calculating model of unilateral protective pillar width of district dip based on preventing rock burst resulting from superposition of static and dynamic loading

由圖8 中三角函數(shù)關(guān)系得

式中：θ為煤層頂板斷裂角，（°）；h為頂板斷裂產(chǎn)生的震源至煤層的距離，m。

井下回采多個工作面后，頂板裂隙帶將波及到煤層上方149 m 處、厚度30.18 m 的細砂巖。 根據(jù)鄰近礦井微震監(jiān)測結(jié)果，該巖層破斷產(chǎn)生的地震波最大能量為106J，震源位于巖層厚度的2/3 處，即震源至煤層的距離h約170 m。 取H＝860 m，σc＝16 MPa，ρ＝2.5 kg/m3，CP＝4 000 m/s，代入式（1）—式（3）得L＝205 m，即從防范采區(qū)下山區(qū)域動靜載疊加型沖擊地壓的角度，采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度應(yīng)不小于205 m。

4.3 從防范采區(qū)下山區(qū)域應(yīng)力疊加型沖擊的角度確定采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度

采區(qū)下山區(qū)域發(fā)生應(yīng)力疊加型沖擊地壓的機理為［15］

式中：σm為采場支承壓力增量，值等于采場支承壓力絕對值減去γH，MPa。

監(jiān)測得到的采場超前支承壓力為相對應(yīng)力，不能直接與采區(qū)下山垂直應(yīng)力σj進行疊加。 根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測揭示的采場支承壓力峰值位置和超前影響距離，畫出采場超前支承壓力增量曲線，如圖9 所示。圖中s為由式（4）確定的σm在采場超前支承壓力增量曲線的位置至影響邊界的距離；d為采區(qū)下山垂直應(yīng)力峰值至采區(qū)下山的距離。

圖9 基于應(yīng)力疊加型沖擊防范的采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度計算模型Fig.9 Calculating model of unilateral protective pillar width of district dip based on preventing rock burst resulting from stress superposition

基于動靜載疊加型沖擊防范的采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度L計算公式為

由于采區(qū)下山垂直應(yīng)力已接近沖擊臨界應(yīng)力，只需疊加一個很小的應(yīng)力增量σm，就達到了沖擊臨界應(yīng)力。 相對于采場超前支承壓力影響距離，采區(qū)下山垂直應(yīng)力峰值至采區(qū)下山的距離d和σm在采場超前支承壓力增量曲線的位置至影響邊界的距離s都很小。 故在計算采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度L時可忽略d-s。 因此，從防范采區(qū)下山區(qū)域動靜載疊加型沖擊地壓的角度，采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度應(yīng)不小于235 m。

4.4 從延后蠕變型沖擊地壓的角度確定采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度

由于采區(qū)下山埋深大，垂直應(yīng)力作用下，采區(qū)下山處于非穩(wěn)定蠕變狀態(tài)，隨著時間延長，將發(fā)生蠕變型沖擊失穩(wěn)。 若采區(qū)下山處于采場超前支承壓力影響范圍內(nèi)，采區(qū)下山垂直應(yīng)力增大，將更早的發(fā)生蠕變型沖擊失穩(wěn)。 因此，從延后蠕變型沖擊地壓的角度，須保證采區(qū)下山處于采場超前支承壓力影響范圍外（圖10），即采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度L≥235 m。

圖10 基于延后蠕變型沖擊的采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度計算模型Fig.10 Calculating model of unilateral protective pillar width of district dip based on deferring the creep-induced rock burst

綜合防范采區(qū)下山發(fā)生動靜載疊加型沖擊、應(yīng)力疊加型沖擊和延后蠕變型沖擊（簡稱“三類”沖擊地壓）的要求，確定李樓煤礦一采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度應(yīng)不小于235 m。

5 工程驗證

結(jié)合提高資源回收率的要求，李樓煤礦采區(qū)下山一側(cè)實際留設(shè)保護煤柱寬度為240 m。

1300 工作面回采后期1、2、3、4 號測點（圖2）應(yīng)力變化曲線如圖11 所示。 1、2 號測點布置位置位于軌道下山南側(cè)40 m 處，3、4 號測點布置位置位于軌道下山北側(cè)40 m 處。 由圖11 可知，1 號測點應(yīng)力值先上升后下降，且變化幅度較大，說明該測點位置受1300 工作面采動影響較大；2 號測點應(yīng)力值有較小幅度變化，說明該測點位置受到1300 工作面采動影響較??；3、4 號測點應(yīng)力值變化不明顯，說明該測點位置幾乎不受1300 工作面采動影響。 結(jié)合1—4 號應(yīng)力測點相對于工作面的位置，認(rèn)為1300工作面回采后期超前采動影響距離超過了200 m，但小于280 m。

1300 工作面回采后期和1302 工作面回采后期微震事件分布如圖12 所示。 由圖12 可知，1300 工作面回采后期微震事件分布較分散，但沒有大能量事件（圖中黃色、藍色圓點）越過軌道下山；1302 工作面回采后期微震事件集中分布在超前一定范圍，但微震事件分布集中區(qū)未越過運輸下山。 另外，1300、1302 工作面均實現(xiàn)安全收尾。

圖11 1300 工作面回采后期應(yīng)力變化曲線Fig.11 Stress change curve of No.1300 working face in later mining period

圖12 回采后期微震事件分布Fig.12 Distribution of microseisms during the terminal mining

綜合工作面回采后期微震、應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果和收尾情況，認(rèn)為當(dāng)前采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度240 m是合理的。

6 結(jié) 論

1）工作面向采區(qū)下山推采過程中，隨著采區(qū)下山保護煤柱寬度變小，采場超前支承壓力與采區(qū)下山垂直應(yīng)力將經(jīng)歷疊加、集中及兩翼采場超前支承壓力疊加與集中等階段，震動附加應(yīng)力與采區(qū)下山垂直應(yīng)力疊加程度逐漸增大，采區(qū)下山可能發(fā)生靜動載疊加型、應(yīng)力疊加型和蠕變型等3 類沖擊地壓。

2）李樓煤礦回采工作面的超前、滯后采動影響距離為235 m，側(cè)向采動影響距離為105.5 m。 從防范采區(qū)下山“靜動載疊加型、應(yīng)力疊加型和蠕變型等3 類”沖擊地壓的角度，綜合確定采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度應(yīng)不小于235 m。

3）綜合工作面回采后期微震、應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果可以看出，工作面超前采動影響距離為20 ～240 m，未超過240 m。 結(jié)合監(jiān)測結(jié)果和收尾情況，認(rèn)為當(dāng)前采區(qū)下山一側(cè)保護煤柱寬度設(shè)為240 m 是合理的。