孤島工作面見方期間礦壓規(guī)律研究

吳紹輝

（山東能源集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250000）

沖擊地壓以其突發(fā)性、瞬時(shí)震動(dòng)性、強(qiáng)破壞性、復(fù)雜性等特點(diǎn)已成為威脅沖擊地壓礦井安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害。近年來，三側(cè)孤島面在回采中發(fā)生沖擊地壓的比例逐年上升，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明該類工作面見方期間沖擊地壓占比30%以上。針對這一問題，國內(nèi)防沖專家開展了一系列的研究工作并提出了各自的見解。龐緒峰[1]等推導(dǎo)了孤島工作面彎曲應(yīng)變能簡化公式，說明了彎曲應(yīng)變能在見方時(shí)最大；張煒等[2]說明了孤島工作面超前支撐壓力峰值大于普通工作面；蔣金泉等[3]研究了孤島工作面采空區(qū)支撐壓力峰值；姜福興等[4]提出了孤島工作面斷裂型礦震的預(yù)測；譚云亮等[5]研究了頂板見方來壓條件。以上工作對于沖擊地壓理論的完善具有重要意義，但是目前尚缺乏對于三側(cè)采空區(qū)工作面見方期間高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力規(guī)律的研究。

基于此，以梁寶寺礦3210工作面為例，本文對工作面見方期間應(yīng)力在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法研究了應(yīng)力分布規(guī)律，旨在總結(jié)出孤島工作面見方期間應(yīng)力積聚的過程，確定沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)。為制定防沖措施提供理論依據(jù)。

1 工作面概況

3210工作面煤層為3上煤氣煤，煤層厚度 2.1～3.8m，平均 3.06m，地面標(biāo)高：+35.5～+40.5m。工作面標(biāo)高：-638.1～ -689.8m，老頂為中砂巖，厚度6.75m；直接頂為粉砂巖，厚度3.07m；直接底為泥巖，厚度1.2m；老頂為中砂巖，厚度8.6m。四鄰采掘情況：以北4m為3212工作面采空區(qū)，以南4m為3208工作面采空區(qū)，以東為3200采區(qū)軌道上山、皮帶上山、回風(fēng)上山和進(jìn)風(fēng)上山，以西尚無采掘工程。3210工作面上部為軌道順槽，下部為皮帶順槽。如圖1所示。

圖1 工作面位置圖

2 孤島工作面應(yīng)力傳遞數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為了更加直觀準(zhǔn)確地分析孤島工作面見方期間能量傳遞規(guī)律，利用有限元FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，建立三維模型（圖2）。3210孤島面與兩側(cè)工作面之間留設(shè)4m煤柱，兩側(cè)工作面寬度均為90m，模型尺寸400×300×100m。對模型側(cè)面進(jìn)行水平位移約束，底部進(jìn)行垂直位移約束，頂部為載荷邊界，載荷大小為上覆巖層的自身重力。將煤層分為coalAA-FF 5組。

圖2 結(jié)構(gòu)模型

2.2 工作面開挖

根據(jù)煤層柱狀圖及模擬實(shí)驗(yàn)得出巖層物理力學(xué)參數(shù)，如表1巖層物理力學(xué)參數(shù)表所示，對模型進(jìn)行賦值并進(jìn)行平衡。模擬共分三個(gè)階段：（1）開挖兩側(cè)工作面；（2）開挖巷道；（3）開挖研究工作面。每次開挖步距為10m，每次開挖均進(jìn)行平衡。整個(gè)模擬過程共開挖200m。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)應(yīng)力云圖3可知：（1）孤島工作面回采前，在煤體周圍應(yīng)力趨于平衡，采空區(qū)能量趨于穩(wěn)定。（2）隨著工作面開采應(yīng)力不斷積聚形成應(yīng)力場，應(yīng)力峰值首先出現(xiàn)在兩側(cè)煤柱，隨后應(yīng)力向工作面?zhèn)鬟f。（3）采空區(qū)應(yīng)力傳遞：三側(cè)采空區(qū)應(yīng)力→采場上方→工作面實(shí)體煤，推采30m時(shí)工作面后方采空區(qū)上覆巖層破斷，能量傳遞達(dá)到最大。（4）推采100m時(shí)工作面進(jìn)入見方階段。兩側(cè)采空區(qū)上覆巖層活動(dòng)劇烈，能量傳遞達(dá)到最大。

圖3 工作面煤壁前5m應(yīng)力分布云圖

3 應(yīng)力監(jiān)測

3210工作面布置有KJ551應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效實(shí)時(shí)監(jiān)測工作面兩巷煤體內(nèi)應(yīng)力變化情況。應(yīng)力監(jiān)測能夠直觀呈現(xiàn)工作面應(yīng)力分布情況與能量積聚過程。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)工作面卸壓措施的執(zhí)行具有重要作用。自工作面向外每間隔25m布置一組應(yīng)力計(jì)，其中回采前第二組距工作面50m。

3.1 超前應(yīng)力監(jiān)測

如圖4（a）所示，3210工作面皮帶順槽第2組應(yīng)力計(jì)監(jiān)測結(jié)果得到，該組應(yīng)力計(jì)8月31日開始受到超前應(yīng)力影響，此時(shí)工作面推采距離10m，應(yīng)力計(jì)距離工作面41.5m，到9月3日應(yīng)力值達(dá)到最高峰，工作面推采距離26.5m，此時(shí)應(yīng)力計(jì)距離工作面25m。得出3210工作面回采對超前影響距離為51m，超前應(yīng)力高峰位置為前方25m，工作面采空區(qū)對煤體能量傳遞最大時(shí)回采26.5m。

通過對應(yīng)力曲線分析得出采空區(qū)上覆巖層斷裂時(shí)，未釋放的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到面前實(shí)體煤內(nèi)，與煤體內(nèi)原有應(yīng)力疊加。（1）工作面初采前采場應(yīng)力達(dá)到一次平衡，此時(shí)煤體初始應(yīng)力為F0=5MPa。（2）工作面推采26.5m時(shí)，工作面后方采空區(qū)應(yīng)力傳遞到煤體，煤體內(nèi)應(yīng)力積聚達(dá)到F1=7.2MPa。則一次能量傳遞系數(shù)k1=F1/F0=1.44。

圖4 應(yīng)力變化曲線圖

3.2 軌道順槽應(yīng)力監(jiān)測

如圖4（b）所示，軌道順槽第5組應(yīng)力計(jì)（距切眼110m）自9月16日開始急劇上升，軌道順槽第5組應(yīng)力值到9月17日（軌道順槽累計(jì)進(jìn)尺103m）達(dá)到最大值，8m測點(diǎn)18:23分達(dá)到14.61MPa，出現(xiàn)紅色預(yù)警，14m測點(diǎn)于21:47分壓力達(dá)到17.75MPa，出現(xiàn)紅色預(yù)警。

工作面9月17日至18日即處于見方期間（推采103m）來壓強(qiáng)度達(dá)到最大，兩側(cè)采空區(qū)與工作面采空區(qū)應(yīng)力同時(shí)傳遞到煤體，煤體內(nèi)成為應(yīng)力集中區(qū)，此時(shí)軌道順槽煤體應(yīng)力峰值為17.75MPa。3210面處于見方期間，工作面圍巖破壞劇烈，高位巖層的斷裂造成工作面應(yīng)力明顯增大。

3.3 皮帶順槽應(yīng)力監(jiān)測

如圖4（c）所示，皮帶順槽第5組應(yīng)力計(jì)（距切眼125m）應(yīng)力值自9月17日（皮帶順槽累積進(jìn)尺104m）開始，也出現(xiàn)急劇上升。9月18日18:37分該組8m測點(diǎn)應(yīng)力值升高到11.5MPa，出現(xiàn)黃色預(yù)警，到9月19日21:58分應(yīng)力值達(dá)到18.60MPa，8m測點(diǎn)出現(xiàn)紅色預(yù)警。

3210面見方時(shí)，皮帶順槽峰值達(dá)到Fmax=18.60MPa，最大能量傳遞系數(shù)kmax=Fmax/F0=3.72。能量傳遞系數(shù)越大，兩側(cè)采空區(qū)與工作面采空區(qū)傳遞到煤體的能量越多。孤島工作面煤體內(nèi)應(yīng)力積聚疊加越高，發(fā)生沖擊地壓的幾率越高。

4 結(jié)論

（1）孤島工作面見方前后，圍巖破壞劇烈，來壓大，高位巖層破裂形成應(yīng)力釋放區(qū)，未釋放的應(yīng)力則進(jìn)行轉(zhuǎn)移，造成工作面煤體內(nèi)應(yīng)力迅速積聚，形成應(yīng)力積聚異常區(qū)直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

（2）孤島工作面回采對超前影響距離為40m，超前應(yīng)力高峰位置為前方25m，軌、皮順槽距切眼75～125m范圍，工作面實(shí)體煤與兩側(cè)窄煤柱成為沖擊地壓發(fā)生紅色危險(xiǎn)區(qū)。

（3）3210工作面見方期間巷道變形嚴(yán)重，發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)性極高。需制定針對性防沖措施：① 煤層注水能夠破壞煤體整體性，增強(qiáng)煤體塑性，從而降低煤體沖擊傾向。② 通過煤層中打直徑42mm鉆孔，即鉆屑法檢驗(yàn)煤層沖擊性。③ 實(shí)施直徑卸壓鉆孔，不但弱化了煤巖結(jié)構(gòu)，降低了沖擊傾向，同時(shí)也將圍巖高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。