王正義，何 江，楊文連，苗偉東

(1.常州工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，江蘇 常州 213032； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司王家山煤礦，甘肅 白銀 730917)

大傾角煤層是指傾角在35°～55°的煤層[1]，由于其地質(zhì)條件較為復(fù)雜，是被公認(rèn)的難采煤層[2]。我國(guó)大傾角煤層占煤炭總儲(chǔ)量的15%～20%[3]，主要分布于晉北、陜北、神東等產(chǎn)煤礦區(qū)[4-6]。隨著煤炭開采進(jìn)入深部，大傾角煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)問題日益突出[7-8]。與近水平和緩傾斜煤層相比，大傾角煤層綜放工作面采動(dòng)應(yīng)力演化及礦壓顯現(xiàn)特征具有顯著差異[9]，主要表現(xiàn)在應(yīng)力非對(duì)稱分布、頂板來壓異常等。近年來，伍永平[10]、王紅偉[11]、楊科[12]、柴敬[13]、解盤石[14]等學(xué)者針對(duì)大傾角煤層開采頂板運(yùn)移模式、工作面支架和煤壁穩(wěn)定性、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等已展開大量研究。然而，尚缺少針對(duì)大傾角煤層孤島工作面采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律及沖擊危險(xiǎn)性的研究和相關(guān)理論借鑒。因此，筆者以王家山煤礦203工作面為工程背景，基于數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，研究大傾角煤層孤島工作面采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律及沖擊危險(xiǎn)性，并提出針對(duì)性防治措施，以期為類似條件的礦壓防治提供一定的指導(dǎo)。

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)及開采條件

王家山煤礦東一采區(qū)203工作面主采二層煤，平均煤厚19.2 m，平均傾角42°，可采長(zhǎng)度300 m，傾斜長(zhǎng)23 m，采用水平分段開采方法。203工作面位于東一采區(qū)西翼，東與206、208等工作面采空區(qū)相鄰，西與47208、47408等工作面采空區(qū)相鄰，北部為E11201-2、403等工作面采空區(qū)，南部為井田深部未開采區(qū)域。203工作面鉆孔綜合柱狀圖和平面布置圖分別見圖1和圖2。

圖2 203工作面平面布置圖

1.2 礦壓顯現(xiàn)情況

203工作面采掘期間共發(fā)生8起動(dòng)力型礦壓顯現(xiàn)，甚至誘發(fā)沖擊地壓。較為嚴(yán)重的一次礦壓顯現(xiàn)發(fā)生于2016年3月18日18點(diǎn)50分，在距203工作面回風(fēng)巷開幫線65～95 m內(nèi)巷道底鼓1.4～1.5 m，15副超前單體支柱傾斜，3根超前單體支柱滑落。顯然，沖擊地壓已威脅到203工作面安全生產(chǎn)。由于203工作面為四向采空的孤島工作面，其采動(dòng)應(yīng)力集中程度顯著高于常規(guī)大傾角煤層工作面，成為誘發(fā)沖擊的主要因素。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型建立

以王家山煤礦東一采區(qū)為工程背景，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，如圖3所示。

1—二層煤；2—四層煤；3—頂板；4—底板。

圖3中，模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為750 m×370 m×150 m，共劃分561 870個(gè)網(wǎng)格。模型上表面埋深350 m，施加8.75 MPa補(bǔ)償應(yīng)力；模型側(cè)面及底面均為固定邊界。重力加速度取9.8 m/s2，煤層傾角42°，側(cè)壓系數(shù)1.2。本模擬采用莫爾—庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則為破壞判據(jù)，煤巖物理力學(xué)參數(shù)的模擬取值見表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)模擬取值

基于四鄰關(guān)系對(duì)203工作面鄰近采空區(qū)尺寸及范圍進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，結(jié)果如圖4所示。

(a)三維視圖—東南視角

(b)三維視圖—西南視角

(c)剖面圖(y=420 m)

由圖4可知，203工作面鄰近采空區(qū)分布于二層煤和四層煤，該工作面處于東部、西部、北部及傾向后方4個(gè)方向采空的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致其采動(dòng)應(yīng)力分布顯著不同于常規(guī)大傾角煤層工作面。

2.2 模擬結(jié)果及分析

沿工作面推進(jìn)方向以30 m為間隔進(jìn)行10次開挖，分析大傾角孤島工作面煤體采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律和沖擊危險(xiǎn)性。

2.2.1 煤層走向采動(dòng)應(yīng)力分布

203工作面沿煤層走向超前支承壓力演化過程如圖5所示。

(a)回采30 m

(b)回采150 m

(c)回采300 m

由圖5可知，西部采空區(qū)與原203采空區(qū)間承載煤柱應(yīng)力集中程度最高，應(yīng)力峰值達(dá)21.0 MPa。然而，西部采空區(qū)影響范圍有限，僅影響原203工作面開切眼附近區(qū)域；原203采空區(qū)東側(cè)邊界距203工作面開切眼60 m，該采空區(qū)煤柱可有效削弱西部采空區(qū)和原203采空區(qū)對(duì)203工作面的影響。此外，隨著工作面回采距離增大，其超前支承壓力的影響范圍也相應(yīng)增大[15]。

以回采150 m處的超前支承壓力(見圖6)為例，分析203工作面走向采動(dòng)應(yīng)力分布特征。

圖6 回采150 m處煤層走向采動(dòng)應(yīng)力分布曲線

由圖6可知，203工作面支承壓力在采空區(qū)煤柱側(cè)和超前方向的影響范圍均為20 m，而原203采空區(qū)支承壓力影響范圍為25 m，兩側(cè)支承壓力影響范圍之和小于采空區(qū)煤柱寬度((20 m+25 m)<60 m)，因此該采空區(qū)煤柱為承載煤柱，203工作面基本不受西部采空區(qū)和原203采空區(qū)的影響。此外，回風(fēng)巷超前支承壓力峰值(17.1 MPa)大于運(yùn)輸巷超前支承壓力峰值(15.2 MPa)，表明孤島工作面兩巷的受力狀態(tài)具有一定的差異性[16]。

2.2.2 煤層傾向采動(dòng)應(yīng)力分布

以回采150 m處的煤層傾向垂直應(yīng)力(見圖7)為例，分析203工作面傾向采動(dòng)應(yīng)力分布特征。

圖7 回采150 m處煤層傾向采動(dòng)應(yīng)力分布曲線

由圖7可知，開挖導(dǎo)致工作面頂?shù)装鍍蓚?cè)煤巖采動(dòng)應(yīng)力分布有所不同：頂板側(cè)峰值應(yīng)力(17.3 MPa)顯著高于其回采前應(yīng)力(14.3 MPa)，表明開挖使得頂板側(cè)應(yīng)力集中程度有所增高；而底板側(cè)峰值應(yīng)力(11.2 MPa)相對(duì)其回采前應(yīng)力(14.5 MPa)顯著降低，表明開挖使得底板側(cè)應(yīng)力得以釋放。

203工作面回采150 m處的最大剪應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 回采150 m處煤層傾向最大剪應(yīng)力分布云圖

由圖8可知，203工作面煤巖存在頂煤和底煤雙剪切帶。與常規(guī)大傾角工作面一樣，203工作面開挖使得底煤形成剪切應(yīng)力帶[17]，導(dǎo)致處于彈性狀態(tài)的頂板側(cè)底煤應(yīng)力集中程度有所加劇，而處于塑性狀態(tài)的底板側(cè)底煤則進(jìn)入卸荷狀態(tài)。然而，203工作面的不同之處在于：在上部采空區(qū)與203工作面采動(dòng)空間之間留有豎直高度約30 m的頂煤，在頂?shù)装鍘r層夾持作用下形成頂煤剪切帶，使得處于塑性狀態(tài)的頂板側(cè)頂煤易于破碎冒落，而處于彈性狀態(tài)的底板側(cè)頂煤不易冒落，形成難以放出的三角煤區(qū)。

2.2.3 回采期間危險(xiǎn)性分析

統(tǒng)計(jì)表明[18]，91%的沖擊地壓發(fā)生在巷道，其中采動(dòng)應(yīng)力超前范圍是沖擊高發(fā)區(qū)域?；趧?dòng)靜載疊加誘沖原理[19]，巷道超前支承壓力(尤其是峰值支承壓力)是影響沖擊危險(xiǎn)性的關(guān)鍵指標(biāo)。此外，巷道圍巖危險(xiǎn)程度還與其自身原巖應(yīng)力有關(guān)。因此，將巷道超前峰值支承壓力與原巖應(yīng)力的比值作為沖擊危險(xiǎn)性的表征指標(biāo)，表示為：

(1)

式中：K為巷道某處超前區(qū)域應(yīng)力集中系數(shù)；σm為巷道某處超前峰值支承壓力，MPa；σ0為巷道原巖應(yīng)力，其中回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷原巖應(yīng)力分別為11.45 MPa和11.30 MPa。

基于203工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷兩巷超前峰值支承壓力模擬結(jié)果和公式(1)，可得采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)K的分區(qū)結(jié)果，如圖9所示。

圖9 203工作面采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)分區(qū)

由圖9可知，203工作面回風(fēng)巷應(yīng)力集中程度總體高于運(yùn)輸巷，其沖擊危險(xiǎn)性也高于運(yùn)輸巷。因此，回風(fēng)巷是沖擊防治的重點(diǎn)區(qū)域，其中回風(fēng)巷距開切眼60～210 m區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性最高。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

3.1 孤島工作面回采危險(xiǎn)性驗(yàn)證

王家山煤礦203工作面實(shí)際回采期間采用鉆屑法對(duì)超前區(qū)域進(jìn)行危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)，具體布置方案參照GB/T 25217.6—2019《沖擊地壓測(cè)定、監(jiān)測(cè)與防治方法第6部分：鉆屑監(jiān)測(cè)方法》。經(jīng)測(cè)定，回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的鉆屑量臨界值分別為3.4 kg/m和2.7 kg/m。由于鉆屑量能夠間接反映煤體應(yīng)力水平和沖擊危險(xiǎn)性，因此始終以超前工作面20 m處的鉆孔每米最大鉆屑量作為分析指標(biāo)，獲得兩巷實(shí)測(cè)最大鉆屑量的變化規(guī)律，如圖10所示。

圖10 203工作面最大鉆屑量變化曲線

由圖10可知，工作面回風(fēng)巷最大鉆屑量總體高于運(yùn)輸巷；回風(fēng)巷在回采68～201 m內(nèi)的鉆屑量相對(duì)較高，運(yùn)輸巷在回采62～117 m的鉆屑量最高，兩巷鉆屑量分布規(guī)律與采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)分區(qū)結(jié)果(見圖9)基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬中關(guān)于孤島工作面沖擊危險(xiǎn)性的分析結(jié)果。

3.2 礦壓顯現(xiàn)解危措施

由大傾角孤島工作面回采期間沖擊危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果可知，回風(fēng)巷是沖擊地壓防治重點(diǎn)區(qū)域，需采取大直徑鉆孔卸壓配合煤體卸壓爆破技術(shù)進(jìn)行解危，解危方案如圖11所示(d為大直徑鉆孔間距)。

(a)大直徑卸壓鉆孔(煤體卸壓爆破鉆孔)布置

(b)煤體卸壓爆破鉆孔布置

對(duì)于回風(fēng)巷，在應(yīng)力集中系數(shù)K為1.35～1.40的區(qū)域，僅布置大直徑卸壓鉆孔，其參數(shù)為：自超前工作面200 m起，以2.8 m為間距布置鉆孔，孔徑113 mm，孔深15 m；在K為1.40～1.50的區(qū)域，調(diào)整鉆孔間距為1.4 m，其余參數(shù)同上，其中對(duì)于K在1.45～1.50的區(qū)域，若現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明采取措施后礦壓顯現(xiàn)未得到明顯改善，則需在間距1.4 m的大直徑鉆孔之間補(bǔ)打煤體卸壓爆破鉆孔(見圖11(a))，其參數(shù)(見圖11(b))為：每5 m施工一個(gè)爆破鉆孔，孔徑 42 mm，孔深15 m，封孔長(zhǎng)度5 m。

上述解危措施在203工作面回采期間已實(shí)施，由圖10的實(shí)測(cè)鉆屑量可知，采取措施后回風(fēng)巷的鉆屑量雖然處于較高水平但始終控制在臨界值以下，能夠保證大傾角孤島工作面回采的安全，取得了較為顯著的防治效果。

4 結(jié)論

1)大傾角孤島工作面回風(fēng)巷超前支承壓力集中程度高于運(yùn)輸巷；孤島工作面開挖使得頂板側(cè)煤巖應(yīng)力集中程度有所增高，而底板側(cè)煤巖由于開挖卸荷其應(yīng)力得以釋放。

2)大傾角孤島工作面存在頂煤和底煤雙剪切帶。底煤剪切帶使得處于彈性狀態(tài)的頂板側(cè)底煤應(yīng)力集中程度有所加劇，而處于塑性狀態(tài)的底板側(cè)底煤進(jìn)入卸荷狀態(tài)；頂煤剪切帶使得處于塑性狀態(tài)的頂板側(cè)頂煤易于破碎放出，而處于彈性狀態(tài)的底板側(cè)頂煤難以放出而形成三角煤區(qū)。

3)大傾角孤島工作面回風(fēng)巷是沖擊地壓防治的重點(diǎn)區(qū)域，采用綜合大直徑鉆孔卸壓和煤體卸壓爆破的分級(jí)解危措施并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，取得了較為顯著的防治效果。