華 毅，王比比，閆嘉平

(1.陜西煤業(yè)集團(tuán) 黃陵建莊礦業(yè)有限公司，陜西 黃陵 727300； 2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

經(jīng)過(guò)一段時(shí)期的開采，近年來(lái)，我國(guó)煤炭資源開采的中心由東部逐漸轉(zhuǎn)向西部地區(qū)，開采強(qiáng)度和深度也不斷增加。研究發(fā)現(xiàn)，隨著開采深度的增加，沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的頻度和強(qiáng)度也顯著增大[1-5]，受到?jīng)_擊地壓威脅的礦井?dāng)?shù)量也急劇增加[6-8]。特別是兩面、三面、四面采空的孤島工作面，由于受相鄰采空區(qū)應(yīng)力疊加影響，孤島工作面附近應(yīng)力集中程度、覆巖運(yùn)動(dòng)程度更大，相比常規(guī)工作面開采沖擊危險(xiǎn)性更高[9-10]。而區(qū)段煤柱寬度是評(píng)價(jià)工作面沖擊危險(xiǎn)性或影響工作面沖擊危險(xiǎn)性的最重要的因素之一[9]。

由于歷史原因，某礦4-2煤層存在多個(gè)孤島工作面，為了研究孤島工作面開采的安全性，給煤礦沖擊地壓防治工作提供參考依據(jù)和理論支撐，本文以某礦4-2205孤島工作面為研究對(duì)象，結(jié)合該工作面的實(shí)際采掘情況，對(duì)孤島工作面回采過(guò)程中的相鄰工作面遺留煤柱應(yīng)力進(jìn)行了分析。研究了不同煤柱寬度情況下的應(yīng)力集中情況，工作面過(guò)相鄰工作面切眼位置、“見(jiàn)方”等特殊情況下的煤柱應(yīng)力分布特征，為工作面安全開采提供了參考依據(jù)。

1 工作面概況

某礦4-2205工作面傾斜長(zhǎng)度260 m，可采長(zhǎng)度1 240 m，煤層平均厚度5.6 m，平均埋深443.65 m，平均傾角3.5°。根據(jù)4-2205工作面煤層賦存條件，設(shè)計(jì)采用綜采放頂煤工藝進(jìn)行開采，全部垮落法控制頂板。

4-2205工作面位于二盤區(qū)準(zhǔn)備巷道東側(cè)，北為4-2203采空區(qū)，南為4-2207采空區(qū)，東為工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)煤柱，西側(cè)為二盤區(qū)大巷保護(hù)煤柱，4-2205工作面為兩側(cè)采空工作面。4-2205工作面周邊開采情況如圖1所示。

圖1 4-2205工作面周邊開采情況Fig.1 Mining situation around 4-2205 working face

(1)4-2203工作面概況。4-2203工作面位于二盤區(qū)大巷東側(cè)，北為4-2201采空區(qū)，南為4-2205工作面(未掘)。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)1 295 m，傾向長(zhǎng)220 m，煤層賦存平緩，平均埋藏深度約為474 m。

(2)4-2207工作面概況。4-2207工作面位于二盤區(qū)大巷東側(cè)，北為二盤區(qū)4-2205工作面(未掘)，南為4-2209工作面。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)1 225 m，傾向長(zhǎng)220 m，煤層賦存平緩，平均埋藏深度約為385 m。

2 沖擊危險(xiǎn)影響因素分析

沖擊地壓危險(xiǎn)影響因素按危險(xiǎn)源可分為地質(zhì)因素、技術(shù)因素和組織管理因素3種類型[11]，如圖2所示。

圖2 沖擊地壓危險(xiǎn)影響因素分類Fig.2 Classification of risk factors of rock burst

地質(zhì)因素影響的沖擊地壓危險(xiǎn)源一般包括較高的原始地應(yīng)力、含煤(巖)層中存在厚層硬巖、煤(巖)層沖擊傾向性較高等因素。開采技術(shù)條件因素影響的沖擊地壓危險(xiǎn)源一般包括開采引起的局部地應(yīng)力集中、多個(gè)工作面相距較近導(dǎo)致采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)劇烈、沖擊地壓防治技術(shù)相對(duì)落后、支護(hù)強(qiáng)度不足、開采方法不科學(xué)等因素。組織管理因素影響的沖擊地壓危險(xiǎn)源一般包括沖擊地壓防護(hù)措施實(shí)施不到位、安全組織管理混亂、沖擊地壓防治資金投入不到位等因素。

3 孤島工作面相鄰煤柱穩(wěn)定性分析

根據(jù)極限強(qiáng)度理論，煤柱是否破壞取決于煤柱承載能力與作用于煤柱的載荷大小。當(dāng)煤柱承載能力大于煤柱載荷時(shí)，煤柱安全穩(wěn)定；反之，當(dāng)煤柱的承載能力小于煤柱載荷時(shí)，煤柱失穩(wěn)破壞。據(jù)此，分析煤柱承受的載荷是研究煤柱是否穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。目前，條帶開采煤柱載荷的計(jì)算方法有：壓力拱理論計(jì)算法、有效區(qū)域理論計(jì)算法、極限強(qiáng)度理論計(jì)算法和A.H.Willson兩區(qū)約束理論計(jì)算法等[12]。

4-2205工作面回風(fēng)巷與4-2203工作面之間煤柱最寬65 m，最窄20 m，隨著工作面的回采，煤柱變窄，據(jù)此可以建立的煤柱應(yīng)力分布特征如圖3所示。煤柱兩側(cè)出現(xiàn)采空狀態(tài)，受采空區(qū)支承壓力影響，煤柱兩側(cè)范圍均增大，均出現(xiàn)高峰值應(yīng)力，應(yīng)力集中系數(shù)高。隨著開采的繼續(xù)，回采工作面內(nèi)煤柱應(yīng)力分布由馬鞍形變?yōu)閱务劮逍?。受采?dòng)影響，煤柱破裂區(qū)、塑性區(qū)范圍增大，整個(gè)煤柱彈性區(qū)范圍進(jìn)一步減小，煤柱核區(qū)率減小，穩(wěn)定性降低，煤柱壓力顯現(xiàn)明顯甚至出現(xiàn)失穩(wěn)[12]。

圖3 雙側(cè)采動(dòng)影響時(shí)應(yīng)力分布特征Fig.3 Stress distribution characteristics under influence of bilateral mining

4 孤島工作面回采應(yīng)力演化分析

4.1 三維數(shù)值模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬分析4-2205綜采放頂煤工作面回采過(guò)程中，工作面初次來(lái)壓、“見(jiàn)方”時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，初步分析采掘活動(dòng)對(duì)4-2205工作面圍巖的應(yīng)力擾動(dòng)影響。三維數(shù)值模型以4-2205工作面綜合柱狀圖及工作面回采布置平面圖為基礎(chǔ)，并對(duì)遠(yuǎn)離煤層的巖層條件進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，數(shù)值模型長(zhǎng)500 m、寬500 m、高200 m，模型上側(cè)為均布載荷，載荷值為8.5 MPa，共設(shè)置188 600個(gè)單元、229 458個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)煤層部分進(jìn)行細(xì)化。具體模型如圖4所示。

圖4 三維數(shù)值模型Fig.4 Three dimensional numerical model

4-2205工作面數(shù)值模型構(gòu)建過(guò)程中，對(duì)工作面周圍巷道進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的巷道如圖5所示。為了分析不同回采階段工作面煤體的應(yīng)力變化規(guī)律，在數(shù)值模型中部設(shè)置一應(yīng)力監(jiān)測(cè)線，即在4-2205工作面中部沿回采方向上布置一應(yīng)力監(jiān)測(cè)線。應(yīng)力監(jiān)測(cè)線如圖6所示。

圖5 簡(jiǎn)化后的巷道Fig.5 Simplified roadway

圖6 煤層應(yīng)力監(jiān)測(cè)線布置Fig.6 Layout of coal seam stress monitoring line

4.2 模擬結(jié)果分析

4.2.1 不同回采階段煤層垂直應(yīng)力分布規(guī)律

為了分析4-2205工作面回采過(guò)程中煤層應(yīng)力演化規(guī)律，分別分析4-2205工作面原始應(yīng)力狀態(tài)、巷道掘進(jìn)完成、回采10、20、30、40、50、60、80、110、150、200 m時(shí)煤層垂直應(yīng)力分布特征，以對(duì)不同回采時(shí)期沖擊工作面沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行定性分析(圖7)。

由圖7(a)中可以看出，4-2205工作面采掘前，4-2煤層應(yīng)力基本相同，約10 MPa，4-2205工作面覆巖容重按28 kN/m3，計(jì)算約9.5 MPa?？梢?jiàn)模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相差僅0.5MPa，總體差值不大。

圖7 工作面應(yīng)力場(chǎng)特征Fig.7 Characteristics of stress field in working face

綜上可知，此次構(gòu)建數(shù)值模型與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力環(huán)境一致，具有較高的可信度。

由圖7(b)中可以看出，4-2205工作面回采巷道掘進(jìn)完成后，4-2煤層垂直應(yīng)力在實(shí)體煤區(qū)域有應(yīng)力集中現(xiàn)象，4-2205工作面兩側(cè)4-2203、4-2207工作面采空區(qū)應(yīng)力較低，應(yīng)力小于2 MPa，4-2205工作面中部應(yīng)力約10 MPa，相對(duì)兩側(cè)煤柱應(yīng)力值明顯較低。在4-2203采空區(qū)側(cè)煤柱，由于煤柱存在逐漸變寬現(xiàn)象，在煤柱較窄處應(yīng)力集中區(qū)對(duì)4-2205工作面影響明顯，而在煤柱較寬處對(duì)4-2205工作面影響不明顯。4-2205工作面開切眼處也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但其應(yīng)力集中程度明顯弱于兩側(cè)煤柱應(yīng)力集中程度。

由圖7(c)中可以看出，4-2205工作面回采10 m時(shí)，兩側(cè)鄰近采空區(qū)煤柱區(qū)域應(yīng)力集中程度有所升高，此時(shí)鄰4-2203工作面?zhèn)让褐鶎?duì)4-2205工作面影響弱于4-2207工作面?zhèn)让褐?。需要注意的是?-2205工作面膠帶巷一側(cè)應(yīng)力集中程度高于回風(fēng)巷一側(cè)，并且4-2207采空區(qū)對(duì)膠帶巷的影響開始顯現(xiàn)。4-2205工作面兩側(cè)煤柱應(yīng)力達(dá)20 MPa，而工作面中部煤體應(yīng)力約10 MPa。鄰4-2207工作面?zhèn)让褐鶓?yīng)力集中嚴(yán)重，可能發(fā)生塑性破壞。

由圖7(d)中可以看出，4-2205工作面回采20 m時(shí)，整體上與回采10 m時(shí)相差不大，兩側(cè)煤柱應(yīng)力集中程度高于工作面中部，此時(shí)4-2205膠帶巷側(cè)應(yīng)力值高于回風(fēng)巷側(cè)應(yīng)力值，4-2205工作面采空區(qū)加大，其周邊應(yīng)力集中區(qū)范圍增加，最大應(yīng)力約22 MPa。

由圖7(e)中可以看出，4-2205工作面回采30 m時(shí)，工作面周邊應(yīng)力集中區(qū)域范圍增加，最大應(yīng)力達(dá)20 MPa，在兩側(cè)煤柱區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，最大應(yīng)力值達(dá)30 MPa。就4-2205工作面而言，其膠帶巷側(cè)應(yīng)力集中程度高于回風(fēng)巷側(cè)應(yīng)力集中程度，這是因?yàn)榛仫L(fēng)巷側(cè)煤柱寬度大于膠帶巷側(cè)煤柱寬度。在4-2205工作面與膠帶巷相接處應(yīng)力集中程度較高，垂直應(yīng)力約15 MPa，這是因?yàn)?-2205工作面采空區(qū)與4-2207采空區(qū)相互影響，引發(fā)覆巖載荷由采空區(qū)向?qū)嶓w煤集中，形成高應(yīng)力集中區(qū)。

由圖7(f)中可以看出，4-2205工作面回采40 m時(shí)，4-2煤層垂直應(yīng)力分布情況與回采30 m時(shí)相差不明顯，工作面兩側(cè)煤柱區(qū)域仍為高應(yīng)力集中區(qū)，最大應(yīng)力達(dá)30 MPa，4-2205工作面中部應(yīng)力約10 MPa，低于兩側(cè)煤體垂直應(yīng)力。在4-2205工作面開切眼附近，應(yīng)力最大約為20 MPa，應(yīng)力升高區(qū)范圍在膠帶巷側(cè)較大?？梢?jiàn)，此時(shí)4-2205工作面膠帶巷側(cè)煤體應(yīng)力集中程度高于回風(fēng)巷側(cè)，應(yīng)注意防止4-2207工作面覆巖二次活化引發(fā)4-2205工作面膠帶巷內(nèi)發(fā)生沖擊地壓動(dòng)力顯現(xiàn)，加強(qiáng)膠帶巷內(nèi)礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測(cè)。

由圖7(g)中可以看出，4-2205工作面回采50 m時(shí)，此時(shí)4-2205開采面與4-2207開切眼平行，4-2205工作面膠帶巷圍巖應(yīng)力集中程度升高，垂直應(yīng)力達(dá)20 MPa，且膠帶巷側(cè)應(yīng)力集中區(qū)范圍大于回風(fēng)巷一側(cè)。4-2205工作面兩側(cè)煤柱區(qū)域仍為高應(yīng)力集中區(qū)，最大應(yīng)力達(dá)30 MPa，4-2205工作面中部應(yīng)力約10 MPa，低于兩側(cè)煤體垂直應(yīng)力?？梢?jiàn)，此時(shí)4-2205工作面主要礦壓顯現(xiàn)位于膠帶巷一側(cè)，回風(fēng)巷一側(cè)礦壓顯現(xiàn)不明顯。這是由于回風(fēng)巷側(cè)煤柱寬度較大、穩(wěn)定性好，而膠帶巷側(cè)煤柱寬度小、穩(wěn)定性差所致。

由圖7(h)中可以看出，4-2205工作面回采60 m時(shí)，此時(shí)相對(duì)4-2205工作面回采50 m圍巖垂直應(yīng)力分布情況差別不大。4-2205開采面此時(shí)處于兩側(cè)采空狀態(tài)，即孤島工作面狀態(tài)，在回風(fēng)巷一側(cè)煤柱寬度大。因此，其主要應(yīng)力集中區(qū)在煤柱區(qū)域，膠帶巷側(cè)煤柱寬度小，煤柱自身無(wú)法維持覆巖載荷，穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致煤柱上覆巖層載荷向4-2205工作面煤體轉(zhuǎn)移，此時(shí)4-2205工作面膠帶巷一側(cè)巷道圍巖變形較回風(fēng)巷側(cè)嚴(yán)重。

由圖7(i)中可以看出，4-2205工作面回采80 m時(shí)，工作面煤體應(yīng)力集中程度進(jìn)一步升高。若以15 MPa為應(yīng)力等值線，則在4-2205工作面前方應(yīng)力值在15 MPa以上的區(qū)域在膠帶巷一側(cè)高于回風(fēng)巷一側(cè)。4-2205工作面膠帶巷一側(cè)應(yīng)力最高達(dá)20 MPa，且應(yīng)力集中影響范圍較大。膠帶巷側(cè)煤柱有明顯應(yīng)力降低現(xiàn)象，表明煤柱產(chǎn)生塑性變形，變形量較大，對(duì)頂板巖層支撐作用降低?；仫L(fēng)巷側(cè)煤柱亦出現(xiàn)明顯應(yīng)力降低現(xiàn)象，可見(jiàn)此時(shí)回風(fēng)巷側(cè)大煤柱亦出現(xiàn)塑性破壞，對(duì)頂板支撐能力下降。

由圖7(j)中可以看出，4-2205工作面回采110 m時(shí)，工作面中部煤體應(yīng)力小于10 MPa區(qū)域，表明工作面內(nèi)部出現(xiàn)“彈性回跳”現(xiàn)象，即堅(jiān)硬覆巖層在工作面中部破斷，并向工作面周邊采空區(qū)回轉(zhuǎn)，導(dǎo)致工作面中部應(yīng)力降低，與此同時(shí)引發(fā)工作面周邊煤體應(yīng)力進(jìn)一步升高。若以15 MPa為應(yīng)力等值線，則4-2207工作面產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力影響范圍達(dá)50 m，而4-2205工作面超前支承應(yīng)力影響范圍僅約40 m。此時(shí)，膠帶巷側(cè)煤柱有明顯應(yīng)力降低現(xiàn)象，表明煤柱產(chǎn)生塑性變形，變形量較大，對(duì)頂板巖層支撐作用降低?；仫L(fēng)巷側(cè)煤柱亦出現(xiàn)明顯應(yīng)力降低現(xiàn)象，可見(jiàn)此時(shí)回風(fēng)巷側(cè)大煤柱亦出現(xiàn)塑性破壞，對(duì)頂板支撐能力下降。

由圖7(k)中可以看出，4-2205工作面回采150 m時(shí)，工作面中部煤體應(yīng)力小于10 MPa區(qū)域進(jìn)一步增大，表明工作面覆巖破斷回轉(zhuǎn)現(xiàn)象進(jìn)一步加劇。此時(shí)膠帶巷側(cè)煤柱基本處于塑性狀態(tài)，自身無(wú)承載能力，穩(wěn)定性較低，僅對(duì)4-2207采空區(qū)有隔水作用?；仫L(fēng)巷一側(cè)煤體最大應(yīng)力約20 MPa，并出現(xiàn)應(yīng)力為10 MPa區(qū)域，表明煤柱產(chǎn)生塑性損傷，承載能力下降，若煤柱內(nèi)形成彈性核區(qū)，則易發(fā)生沖擊失穩(wěn)。

由圖7(l)中可以看出，4-2205工作面回采200 m時(shí)，4-2煤層垂直應(yīng)力集中區(qū)主要在2個(gè)位置：①回風(fēng)巷側(cè)煤柱，即4-2205工作面與4-2203采空區(qū)間煤柱區(qū)域；②4-2205開采面與膠帶巷相交直角區(qū)域。上述兩區(qū)域即為沖擊地壓易發(fā)生區(qū)域。以15 MPa為應(yīng)力分界線，則整個(gè)回風(fēng)巷側(cè)煤柱均為應(yīng)力升高區(qū)，膠帶巷側(cè)大部分為應(yīng)力降低區(qū)，此時(shí)膠帶巷前方100 m范圍內(nèi)及整個(gè)回風(fēng)巷內(nèi)圍巖發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害危險(xiǎn)性較大。

4.2.2 不同回采階段工作面中部煤體應(yīng)力分布

模擬分析可知，隨著4-2205工作面推進(jìn)到不同位置，工作面前方垂直應(yīng)力不斷變動(dòng)。為分析應(yīng)力升高大小及超前支承應(yīng)力影響范圍，在4-2205工作面中部設(shè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)線，在設(shè)置的應(yīng)力監(jiān)測(cè)線上垂直應(yīng)力變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 4-2205工作面回采到不同階段監(jiān)測(cè)線上垂直應(yīng)力變化Fig.8 Change of vertical stress on the monitoring line at different stages of mining

從煤層垂直應(yīng)力變化情況可以看出，4-2205工作面開挖前，4-2煤層垂直應(yīng)力約10 MPa，有應(yīng)力集中現(xiàn)象。4-2205工作面周邊巷道掘進(jìn)完成后，應(yīng)力重新分布，在開切眼兩側(cè)垂直應(yīng)力明顯升高，最大值約14 MPa，隨著4-2205工作面采空區(qū)范圍的增加，煤體垂直應(yīng)力最大值有升高趨勢(shì)。當(dāng)工作面回采至50 m時(shí)，垂直應(yīng)力最大值維持在22 MPa左右，直到4-2205工作面回采150 m；當(dāng)工作面回采達(dá)到200 m時(shí)，4-2煤層垂直應(yīng)力重新升高，達(dá)到25 MPa，這主要是因?yàn)榛仫L(fēng)巷側(cè)煤柱寬度減小所致。整體而言，4-2205工作面開采過(guò)程中，其超前支承應(yīng)力影響范圍達(dá)100 m。

4.2.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：①4-2205工作面膠帶巷側(cè)煤柱應(yīng)力集中程度低于回風(fēng)巷一側(cè)，表明膠帶巷一側(cè)巷道變形大、支承能力弱；②4-2205工作面開采過(guò)程中，開采面與膠帶相交直角處應(yīng)力集中程度高于開采面與回風(fēng)巷相交直角處；③以10 MPa為原始應(yīng)力，15 MPa為嚴(yán)重應(yīng)力影響臨界值，即應(yīng)力集中系數(shù)為1.5，則4-2205工作面超前支承應(yīng)力嚴(yán)重影響范圍約為30 m，超前支承應(yīng)力峰值約為22 MPa；④隨著4-2205工作面回風(fēng)巷側(cè)煤柱寬度減小，煤柱逐漸由穩(wěn)定狀態(tài)向塑性不穩(wěn)定狀態(tài)變化，在此動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中易發(fā)生沖擊地壓事故；⑤當(dāng)4-2205面回采至與4-2207開切眼平行前后50 m，易引發(fā)覆巖層二次破斷運(yùn)動(dòng)，圍巖沖擊危險(xiǎn)性較高。

5 結(jié)論

(1)4-2205工作面回風(fēng)巷側(cè)煤柱回采過(guò)程中，煤柱寬度逐漸減小，煤柱應(yīng)力集中程度逐漸增加，破壞程度升高，煤柱逐漸由穩(wěn)定狀態(tài)向塑性不穩(wěn)定狀態(tài)變化，沖擊危險(xiǎn)性升高。

(2)4-2205工作面膠帶巷側(cè)煤柱寬度為13 m，煤柱彈性核區(qū)不足以承受集中應(yīng)力，在回采過(guò)程中將發(fā)生塑性屈服破壞。

(3)4-2205孤島工作面開采過(guò)程中，受相鄰采空區(qū)影響，在相鄰采空區(qū)切眼前后位置易引發(fā)覆巖層二次破斷運(yùn)動(dòng)，圍巖沖擊危險(xiǎn)性較高。

(4)根據(jù)4-2205回采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，4-2205工作面在頂板初次來(lái)壓、周期來(lái)壓及工作面“見(jiàn)方”時(shí)，覆巖運(yùn)移破壞嚴(yán)重。因此，4-2205工作面在此過(guò)程中應(yīng)注意煤(巖)體應(yīng)力及破壞狀態(tài)，避免礦壓劇烈顯現(xiàn)。