復合動力災害條件下孤島工作面區段煤柱寬度留設研究*

楊光宇，姜福興，李 琳，李乃錄，魏全德，張 恒，馬慶福

(1. 北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083;2. 彬縣水簾洞煤炭有限責任公司，陜西 彬縣 713500； 3. 兗州煤業鄂爾多斯能化有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017010)

0 引言

孤島工作面在開采過程中面臨的沖擊地壓災害十分嚴重，對其災害防治已經成為我國乃至世界采礦界的重大難題之一[1-2]。國內外多位學者專家對孤島工作面開采期間的覆巖空間運動、應力變化分布及沖擊地壓危險性的防治方面進行了深入研究，取得了一定的成果。姜福興[3]等分析了四面采空孤島工作面采場覆巖的多層空間結構運動與采動應力場的相互關系，提出頂板覆巖“四周一體”的運動方式；竇林名[4]等結合現場孤島工作面分析了圍巖高應力集中程度及劇烈運動規律，對其高沖擊危險性提出監測及控制方案，進行早期預報和同步治理的實用技術確保了孤島工作面安全高效生產。

陜西彬長礦區某礦在沿空工作面開采時已有沖擊地壓顯現，同時面臨煤與瓦斯突出、采空區突水以及發火等多種動力災害。即將開采的3803工作面為礦井遺留下來的首個孤島工作面，開采過程中面臨的上述動力災害將更為嚴重。留設合理的區段煤柱是防治該工作面復合動力災害的關鍵，區段煤柱的主要作用是隔離采空區[5-10]，合理的區段煤柱可以使得巷道處于低應力區域，降低沖擊危險[11-14]；同時可以隔絕與相鄰采空區的氣體交換及涌水，防止采空區發火以及采空區的灌漿水涌入本工作面巷道。

本文通過采用理論分析和現場實測的方法，分析研究了該孤島工作面覆巖空間結構、應力分布、復合動力災害防治以及工作面資源回收率等因素，得出了該工作面合理的區段煤柱寬度，保證了工作面的安全開采。

1 工程條件分析

1.1 地質條件

陜西彬長礦區某礦主采為4層煤，平均煤厚9.58 m，傾角平均7°，硬度平均3.5，屬特厚煤層。

3803孤島工作面走向長約2 110 m，傾向長約210 m。工作面平均采深約350 m，最深處距地表約560 m，煤層厚度約為9～13 m。3803工作面距離開切眼480 m以內北部為3805采空區，采空區寬度為156 m；3803工作面距離開切眼480 m以外北部為3805，3807采空區群，采空區寬度為295 m；3803工作面距離開切眼350 m以內南部為3802，3804采空區群，采空區寬度為355 m；工作面距離開切眼350 m以外南部為3801，3802，3804采空區群，采空區寬度為535 m,如圖1所示。

圖1 水簾洞煤礦三采區示意Fig.1 The sketch map of Shuiliandong mine 3rd mining area

1.2 煤的沖擊傾向性

通過實驗測試了水簾洞煤礦4煤試樣動態破壞時間、沖擊能量指數、彈性能量指數及單軸抗壓強度，根據鑒定結果該煤層具有弱沖擊傾向性。

1.3 瓦斯含量

煤礦瓦斯相對涌出量為10.36 m3/t，絕對涌出量5.11 m3/min，CO2相對涌出量為6.10 m3/t，為高瓦斯礦井。

1.4 煤層易發火

鑒定的煤層自燃傾向性為Ⅰ類易自燃，自燃發火期60 d，屬易發火煤層。

1.5 水文地質

根據西安煤科院的研究，礦井水文地質條件中等,工作面開采過程中存在相鄰采空區及本工作面灌漿及防塵涌水。

綜上，該孤島工作面在易沖擊煤層、高瓦斯以及易發火、涌水等因素的影響下，開采過程中存在沖擊地壓、煤與瓦斯突出、采空區發火及工作面突水等復合動力災害，留設合理的區段煤柱是防治該工作面復合動力災害的關鍵。

2 基于工作面覆巖空間結構運動的應力分布研究

2.1 地表沉陷分析

根據地表沉陷情況及巖移觀測站數據，結合礦區實際情況進行計算。其走向移動角δ=72°，上山移動角γ=75°，下山移動角β=67°，表土層移動角ψ=45°，最大下沉角θ=85°，邊界角β0=40°，γ0=55°，δ0=66°，裂縫角β″=45°，γ″=62°，δ″=68°。移動角調整值△β=16°，△δ=20°，△γ=20°。

2.2 工作面覆巖空間結構分析

采場覆巖空間結構的概念中有2個含義：采場周圍巖體破裂邊緣的形狀特征；破裂區內部巖層形成的運動結構。前者(破裂)是后者(結構)形成的基礎。姜福興[15]有關覆巖空間結構的研究認為，覆巖空間有4種基本結構,即“中間有支撐”的“θ”型、“中間無支撐”的“O”型、“S”型和“C”型。

3803孤島工作面在回采過程中兩側采空區范圍不斷變化，處于由不完全孤島向完全孤島過渡的階段。按照工作面兩側采空區范圍不同，將3803工作面分為3個區域進行研究，結合地表沉陷觀測來分析其覆巖空間結構。如圖2所示，分別沿區域1“A-A′”、區域2“B-B′”和區域3“C-C′”做工作面傾向方向剖面圖，分別如圖3、圖4和圖5所示，分析其覆巖空間結構。

圖2 3803孤島工作面區域劃分示意Fig.2 The sketch map of regional division of 3803 island working face

圖3 區域1沿“A-A′”所示3803工作面傾向 覆巖空間結構示意Fig.3 The spatial structure of overlying strata in 3803 working face dip along “A-A′” in area 1

圖4 區域2沿“B-B′”所示3803工作面 傾向覆巖空間結構示意Fig.4 The spatial structure of overlying strata in 3803 working face dip along “B-B′” in area 2

圖5 區域3沿“C-C′”所示3803工作面 傾向覆巖空間結構示意Fig.5 The spatial structure of overlying strata in 3803 working face dip along “C-C′” in area 3

2.3 工作面開采過程中的覆巖空間運動研究

2.3.1 “S”型覆巖空間結構動應力

3803工作面在不完全孤島區域時，一側實體、一側采空，會形成“S”型覆巖空間結構，如圖6所示。

圖6 3803孤島工作面開采不完全孤島區域時 “S”型覆巖空間結構平面示意Fig.6 3803 island mining face’s S-shaped spatial structure of overlying strata in incomplete mining

隨著工作面推采，“S”型覆巖空間結構亦不斷向前發展，高位巖層斷裂的產生動壓是誘發沖擊地壓的關鍵因素。動壓會形成高于靜壓數倍的應力，使煤體瞬間變形，形成沖擊地壓。形成的“S”型覆巖空間結構產生動壓作用于3803巷道及工作面，為了工程上應用方便將其產生的疊加應力近似為靜應力的1.5倍。

2.3.2 “C”型覆巖空間結構動應力

3803工作面回采不完全孤島區域后，開始回采如圖7所示的剩余完全孤島區域。該區域兩側均為采空區，開采過程中形成“C”型覆巖空間結構，如圖7中所示的巖層斷裂線和巖層觸矸線。

圖7 3803孤島工作面剩余開采區域 “C”型覆巖空間結構平面示意Fig.7 3803 island mining face’s C-shaped spatial structure of overlying strata in remaining mining

受“C”型覆巖空間結構的影響，本工作面采空區與相鄰采空區共同運動，使得上覆巖層的破裂高度增加，工作面及兩側采空區覆巖再次產生大面積破斷現象，覆巖空間結構運動帶來的動壓對工作面兩側巷道將產生嚴重破壞。形成的“C”型覆巖空間結構產生動壓作用于3803工作面及巷道，為了工程上應用方便將其產生的疊加應力近似為靜應力的2倍。

2.4 基于覆巖空間運動的疊加應力估算

根據3803工作面兩側采空區傾向寬度及覆巖空間結構分布情況，基于采空區側向支承壓力理論計算模型[16],分別計算工作面相鄰采空區的側向支承壓力。可得3803孤島工作面在區域1、區域2、區域3沿傾向的靜應力分布。

采掘工作面圍巖中都存在動態支承壓力和靜態支承壓力，3803工作面側向支承壓力計算的結果為工作面開采前所處的靜態支承壓力，3803工作面回采過程中，本工作面采空區與3807，3805，3801，3802，3804工作面采空區頂板一起運動，區域1開采過程中主要受“S”型覆巖空間結構的影響，產生的疊加應力值近似為靜態支承壓力的1.5倍；區域2和區域3開采過程中主要受“C”型覆巖空間結構影響，產生的疊加應力值近似為靜態支承壓力的2倍。

綜上，通過計算可得該工作面開采期間的疊加應力分布如圖8，9，10所示。

圖8 3803孤島工作面區域1沿傾向動、靜疊加應力分布Fig.8 The static and dynamic stress distribution diagram of island mining face 3803 in area 1

圖9 3803孤島工作面區域2沿傾向動、靜疊加應力分布Fig.9 The static and dynamic stress distribution diagram of island mining face 3803 in area 2

圖10 3803孤島工作面區域3沿傾向動、靜疊加應力分布Fig.10 The static and dynamic stress distribution diagram of island mining face 3803 in area 3

3 采空區側向支承壓力分布特征現場實測

3.1 應力動態測站布置

在3805工作面回采期間對與其相鄰的3803孤島工作面煤體應力進行觀測，確定煤體的應力峰值區域和變化趨勢，為3803不規則孤島工作面的煤柱留設提供數據依據。

在3805工作面回風順槽靠近3803孤島工作面一側的3個區域設立3個應力觀測站，每個觀測站中布置安裝8，15，24和30 m鉆孔應力計各1個。共12個應力觀測點。具體位置如圖11所示，分別為：

1) 3805回風巷距切眼610 m，工作面推采過煤柱區域后的第1次見方處。

2) 3805回風巷距切眼760 m，雙工作面見方處。

3) 3805回風巷距切眼810 m，雙工作面見方后50 m處。

圖11 應力測站布置平面示意Fig.11 Stress station layout sketch

3.2 應力監測數據及巖層運動結構分析

布置的3組應力測站在監測過程中，第1組應力測站的監測數據最為完整，依據第1組測站監測到的應力數據，對3803工作面覆巖運動進行分析。第1組測站應力測點監測數據如圖12所示。

圖12 第1組應力測點監測數據Fig.12 The first sets of stress measuring points monitoring data

根據應力監測數據對其上覆巖層的斷裂情況進行分析研究。

如圖12區域①所示，在工作面距離第1組測點20 m左右時，第1組測站孔深24 m測點應力值下降，與此同時孔深15，8 m測點應力值開始上升，孔深30 m測點應力值沒有明顯變化。由此推斷出煤層上覆高位頂板在距離煤壁24 m左右區域開始斷裂，從而導致15，8 m測點應力開始上升。

如圖12區域②所示，在工作面推過第1組測點54 m左右時，第1組測站孔深15 m測點應力值突然下降，同時孔深8 m測點應力值開始上升，孔深30，24 m測點應力值沒有明顯變化。該區域由于上覆高位頂板在距離煤壁24 m附近斷裂后，該層位巖層回轉致使該巖層下位巖層突然發生斷裂，下位巖層斷裂的位置距離煤壁15 m左右，該區域的巖層斷裂后，致使距離煤壁15 m處的測點應力急劇下降，距離煤壁8 m處的測點應力開始上升。

隨著工作面繼續回采，采空區上方直接頂垮落并充填采空區，上覆巖層繼續斷裂向煤壁作用，使得孔深15，8 m的測點應力值開始上升，如圖12區域③～④的階段。該階段孔深30，24 m的測點應力值均無明顯變化，15，8 m的測點應力上升，說明該階段上覆巖層作用于煤壁的應力影響范圍在15～24 m之間，24 m之外的煤壁，受到上覆巖層運動帶來的應力變化較小。

如圖12區域④所示，在工作面距離第1組測點97 m左右時，第1組測站孔深30，24 m測點應力值均無明顯變化，孔深15 m測點應力值開始下降，8 m測點應力值繼續上升。由此推斷出煤壁上方直接頂在上覆高位巖層組回轉的作用下在距離煤壁8 m左右區域開始斷裂，從而導致孔深15 m測點上方承受的上覆巖層應力減小，孔深8 m測點應力繼續上升。

在工作面推過第1組應力測站100 m左右后，24，30 m測點的應力值逐漸開始穩定，8 m的應力測點受到上覆巖層運動的作用應力仍緩慢的上升。該現象說明，在距離3805采空區邊界寬度15 m以內的煤體，在3805采空區邊界形成的“覆巖拱形保護結構”之內，如圖13所示。

圖13 3805采空區邊界煤柱區域的巖層 “拱形小結構”示意Fig.13 The sketch map of 3805 goaf boarder area coal pillar rock’s small arch strucutre

4 煤柱合理寬度的確定

4.1 基于防沖的煤柱寬度確定

4.1.1 大煤柱

根據該礦工作面防沖工程經驗，以巷道煤體單軸抗壓強度的1.5倍作為沖擊危險性判別線。該工作面開采過程中，測得煤體單軸抗壓強度約為18 MPa，故該工作面沖擊危險性的判別強度為18×1.5=27 MPa。

根據得出的區域1，區域2，區域3疊加應力，計算出受力小于沖擊危險性判別線的范圍。從而確定3803工作面上、下巷煤柱的留設區域范圍。

如果采用大煤柱方案，3803工作面下巷煤柱留設寬度不能超過25.3 m，上巷煤柱留設寬度不能超過30.29 m。

4.1.2 小煤柱

根據側向支承壓力的監測數據，分析可得在距離3805采空區邊界寬度15 m以內巖層形成“覆巖拱形保護結構”,巷道布置在該區域內，其所受的應力較小，沖擊危險性低。

在3803工作面與3805采空區留設5～7 m寬的小煤柱，3803巷道掘進采用大斷面(5 m×3.8 m)的方式，依據應力監測數據分析的結果，采用該種方式掘進，巷道處于“拱形小結構”保護范圍之內，且巷道距實體煤一側的保護距離為6～7 m，如圖14所示。

圖14 3803工作面小煤柱留設方案示意Fig.14 The thin coal pillar setting sketch map in 3803 working face

4.2 基于次生災害控制的煤柱寬度確定

從防滅火的角度考慮，根據之前其他科研單位的研究，其煤柱寬度不宜小于4.0 m。

4.3 基于巷道支護的煤柱寬度確定

從錨固支護的有效性考慮，該工作面巷幫采用2.4 m的錨桿和4.3 m的錨索，故其煤柱寬度不宜小于5.0 m。

4.4 最終煤柱留設方案對比分析及確定

綜合考慮工作面的沖擊危險性、卸壓工程量、支護工程量、防治水工程量、防滅火工程量以及資源回收率等因素，可以得到表1所示的煤柱留設方案對比表。

表1 煤柱留設方案對比

根據對比結果，建議3803工作面開采采取5～7 m的小煤柱方案。小煤柱方案圍巖變形量將增大，但沖擊危險性大大降低。

5 工程驗證

該孤島工作面最終采用6 m的小煤柱進行掘進，在掘進過程中嚴格按照小煤柱開采期間制定的防災措施進行落實,同時采用掘進工作面綜合監測預警設備對掘進過程中的復合動力災害進行實時在線監測預警。目前，該工作面上巷已經掘進完成，在掘進過程中由于采取了合理的防沖、支護等措施，工作面未發生任何動力災害，實現了特厚煤層不規則孤島工作面的安全掘進。

6 結論

1)鑒于該工作面復合動力災害防治和資源回收的要求，區段煤柱以采用小煤柱方案為宜。通過現場實測和理論分析，確定該特厚煤層孤島工作面的合理區段煤柱為5～7 m。

2)該工作面在上、下巷采取6 m煤柱進行掘進，在掘進期間采取了合理的防災和巷道支護措施，對工作面掘進期間的沖擊地壓、瓦斯突出、采空區發火和涌水等復合動力災害進行了有效的控制，保證了工作面的安全掘進。

3)實踐表明，確定的6 m區段煤柱寬度較為合理，該區段煤柱有效的降低了工作面開采過程中的復合動力災害危險。

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