深埋煤層孤島工作面煤柱對沖擊危險性的影響分析

華 毅，王比比，閆嘉平

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

經過一段時期的開采，近年來，我國煤炭資源開采的中心由東部逐漸轉向西部地區，開采強度和深度也不斷增加。研究發現，隨著開采深度的增加，沖擊地壓動力災害發生的頻度和強度也顯著增大[1-5]，受到沖擊地壓威脅的礦井數量也急劇增加[6-8]。特別是兩面、三面、四面采空的孤島工作面，由于受相鄰采空區應力疊加影響，孤島工作面附近應力集中程度、覆巖運動程度更大，相比常規工作面開采沖擊危險性更高[9-10]。而區段煤柱寬度是評價工作面沖擊危險性或影響工作面沖擊危險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和理論支撐，本文以某礦4-2205孤島工作面為研究對象，結合該工作面的實際采掘情況，對孤島工作面回采過程中的相鄰工作面遺留煤柱應力進行了分析。研究了不同煤柱寬度情況下的應力集中情況，工作面過相鄰工作面切眼位置、“見方”等特殊情況下的煤柱應力分布特征，為工作面安全開采提供了參考依據。

1 工作面概況

某礦4-2205工作面傾斜長度260 m，可采長度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4-2205工作面煤層賦存條件，設計采用綜采放頂煤工藝進行開采，全部垮落法控制頂板。

4-2205工作面位于二盤區準備巷道東側，北為4-2203采空區，南為4-2207采空區，東為工業場地保護煤柱，西側為二盤區大巷保護煤柱，4-2205工作面為兩側采空工作面。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工作面位于二盤區大巷東側，北為4-2201采空區，南為4-2205工作面(未掘)。工作面設計走向長1 295 m，傾向長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工作面位于二盤區大巷東側，北為二盤區4-2205工作面(未掘)，南為4-2209工作面。工作面設計走向長1 225 m，傾向長220 m，煤層賦存平緩，平均埋藏深度約為385 m。

2 沖擊危險影響因素分析

沖擊地壓危險影響因素按危險源可分為地質因素、技術因素和組織管理因素3種類型[11]，如圖2所示。

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

地質因素影響的沖擊地壓危險源一般包括較高的原始地應力、含煤(巖)層中存在厚層硬巖、煤(巖)層沖擊傾向性較高等因素。開采技術條件因素影響的沖擊地壓危險源一般包括開采引起的局部地應力集中、多個工作面相距較近導致采動應力擾動劇烈、沖擊地壓防治技術相對落后、支護強度不足、開采方法不科學等因素。組織管理因素影響的沖擊地壓危險源一般包括沖擊地壓防護措施實施不到位、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定性分析

根據極限強度理論，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。當煤柱承載能力大于煤柱載荷時，煤柱安全穩定；反之，當煤柱的承載能力小于煤柱載荷時，煤柱失穩破壞。據此，分析煤柱承受的載荷是研究煤柱是否穩定的重要環節。目前，條帶開采煤柱載荷的計算方法有：壓力拱理論計算法、有效區域理論計算法、極限強度理論計算法和A.H.Willson兩區約束理論計算法等[12]。

4-2205工作面回風巷與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，據此可以建立的煤柱應力分布特征如圖3所示。煤柱兩側出現采空狀態，受采空區支承壓力影響，煤柱兩側范圍均增大，均出現高峰值應力，應力集中系數高。隨著開采的繼續，回采工作面內煤柱應力分布由馬鞍形變為單駝峰形。受采動影響，煤柱破裂區、塑性區范圍增大，整個煤柱彈性區范圍進一步減小，煤柱核區率減小，穩定性降低，煤柱壓力顯現明顯甚至出現失穩[12]。

圖3 雙側采動影響時應力分布特征Fig.3 Stress distribution characteristics under influence of bilateral mining

4 孤島工作面回采應力演化分析

4.1 三維數值模型的建立

采用FLAC3D數值模擬軟件，模擬分析4-2205綜采放頂煤工作面回采過程中，工作面初次來壓、“見方”時的應力狀態，初步分析采掘活動對4-2205工作面圍巖的應力擾動影響。三維數值模型以4-2205工作面綜合柱狀圖及工作面回采布置平面圖為基礎，并對遠離煤層的巖層條件進行適當簡化，數值模型長500 m、寬500 m、高200 m，模型上側為均布載荷，載荷值為8.5 MPa，共設置188 600個單元、229 458個節點對煤層部分進行細化。具體模型如圖4所示。

圖4 三維數值模型Fig.4 Three dimensional numerical model

4-2205工作面數值模型構建過程中，對工作面周圍巷道進行了一定簡化，簡化后的巷道如圖5所示。為了分析不同回采階段工作面煤體的應力變化規律，在數值模型中部設置一應力監測線，即在4-2205工作面中部沿回采方向上布置一應力監測線。應力監測線如圖6所示。

圖5 簡化后的巷道Fig.5 Simplified roadway

圖6 煤層應力監測線布置Fig.6 Layout of coal seam stress monitoring line

4.2 模擬結果分析

4.2.1 不同回采階段煤層垂直應力分布規律

為了分析4-2205工作面回采過程中煤層應力演化規律，分別分析4-2205工作面原始應力狀態、巷道掘進完成、回采10、20、30、40、50、60、80、110、150、200 m時煤層垂直應力分布特征，以對不同回采時期沖擊工作面沖擊危險狀態進行定性分析(圖7)。

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

圖7 工作面應力場特征Fig.7 Characteristics of stress field in working face

綜上可知，此次構建數值模型與現場應力環境一致，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完成后，4-2煤層垂直應力在實體煤區域有應力集中現象，4-2205工作面兩側4-2203、4-2207工作面采空區應力較低，應力小于2 MPa，4-2205工作面中部應力約10 MPa，相對兩側煤柱應力值明顯較低。在4-2203采空區側煤柱，由于煤柱存在逐漸變寬現象，在煤柱較窄處應力集中區對4-2205工作面影響明顯，而在煤柱較寬處對4-2205工作面影響不明顯。4-2205工作面開切眼處也存在應力集中現象，但其應力集中程度明顯弱于兩側煤柱應力集中程度。

由圖7(c)中可以看出，4-2205工作面回采10 m時，兩側鄰近采空區煤柱區域應力集中程度有所升高，此時鄰4-2203工作面側煤柱對4-2205工作面影響弱于4-2207工作面側煤柱。需要注意的是，4-2205工作面膠帶巷一側應力集中程度高于回風巷一側，并且4-2207采空區對膠帶巷的影響開始顯現。4-2205工作面兩側煤柱應力達20 MPa，而工作面中部煤體應力約10 MPa。鄰4-2207工作面側煤柱應力集中嚴重，可能發生塑性破壞。

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

由圖7(e)中可以看出，4-2205工作面回采30 m時，工作面周邊應力集中區域范圍增加，最大應力達20 MPa，在兩側煤柱區域產生應力集中區域，最大應力值達30 MPa。就4-2205工作面而言，其膠帶巷側應力集中程度高于回風巷側應力集中程度，這是因為回風巷側煤柱寬度大于膠帶巷側煤柱寬度。在4-2205工作面與膠帶巷相接處應力集中程度較高，垂直應力約15 MPa，這是因為4-2205工作面采空區與4-2207采空區相互影響，引發覆巖載荷由采空區向實體煤集中，形成高應力集中區。

由圖7(f)中可以看出，4-2205工作面回采40 m時，4-2煤層垂直應力分布情況與回采30 m時相差不明顯，工作面兩側煤柱區域仍為高應力集中區，最大應力達30 MPa，4-2205工作面中部應力約10 MPa，低于兩側煤體垂直應力。在4-2205工作面開切眼附近，應力最大約為20 MPa，應力升高區范圍在膠帶巷側較大。可見，此時4-2205工作面膠帶巷側煤體應力集中程度高于回風巷側，應注意防止4-2207工作面覆巖二次活化引發4-2205工作面膠帶巷內發生沖擊地壓動力顯現，加強膠帶巷內礦壓顯現監測。

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

由圖7(h)中可以看出，4-2205工作面回采60 m時，此時相對4-2205工作面回采50 m圍巖垂直應力分布情況差別不大。4-2205開采面此時處于兩側采空狀態，即孤島工作面狀態，在回風巷一側煤柱寬度大。因此，其主要應力集中區在煤柱區域，膠帶巷側煤柱寬度小，煤柱自身無法維持覆巖載荷，穩定性較差，導致煤柱上覆巖層載荷向4-2205工作面煤體轉移，此時4-2205工作面膠帶巷一側巷道圍巖變形較回風巷側嚴重。

由圖7(i)中可以看出，4-2205工作面回采80 m時，工作面煤體應力集中程度進一步升高。若以15 MPa為應力等值線，則在4-2205工作面前方應力值在15 MPa以上的區域在膠帶巷一側高于回風巷一側。4-2205工作面膠帶巷一側應力最高達20 MPa，且應力集中影響范圍較大。膠帶巷側煤柱有明顯應力降低現象，表明煤柱產生塑性變形，變形量較大，對頂板巖層支撐作用降低。回風巷側煤柱亦出現明顯應力降低現象，可見此時回風巷側大煤柱亦出現塑性破壞，對頂板支撐能力下降。

由圖7(j)中可以看出，4-2205工作面回采110 m時，工作面中部煤體應力小于10 MPa區域，表明工作面內部出現“彈性回跳”現象，即堅硬覆巖層在工作面中部破斷，并向工作面周邊采空區回轉，導致工作面中部應力降低，與此同時引發工作面周邊煤體應力進一步升高。若以15 MPa為應力等值線，則4-2207工作面產生的側向支承壓力影響范圍達50 m，而4-2205工作面超前支承應力影響范圍僅約40 m。此時，膠帶巷側煤柱有明顯應力降低現象，表明煤柱產生塑性變形，變形量較大，對頂板巖層支撐作用降低。回風巷側煤柱亦出現明顯應力降低現象，可見此時回風巷側大煤柱亦出現塑性破壞，對頂板支撐能力下降。

由圖7(k)中可以看出，4-2205工作面回采150 m時，工作面中部煤體應力小于10 MPa區域進一步增大，表明工作面覆巖破斷回轉現象進一步加劇。此時膠帶巷側煤柱基本處于塑性狀態，自身無承載能力，穩定性較低，僅對4-2207采空區有隔水作用。回風巷一側煤體最大應力約20 MPa，并出現應力為10 MPa區域，表明煤柱產生塑性損傷，承載能力下降，若煤柱內形成彈性核區，則易發生沖擊失穩。

由圖7(l)中可以看出，4-2205工作面回采200 m時，4-2煤層垂直應力集中區主要在2個位置：①回風巷側煤柱，即4-2205工作面與4-2203采空區間煤柱區域；②4-2205開采面與膠帶巷相交直角區域。上述兩區域即為沖擊地壓易發生區域。以15 MPa為應力分界線，則整個回風巷側煤柱均為應力升高區，膠帶巷側大部分為應力降低區，此時膠帶巷前方100 m范圍內及整個回風巷內圍巖發生沖擊地壓災害危險性較大。

4.2.2 不同回采階段工作面中部煤體應力分布

模擬分析可知，隨著4-2205工作面推進到不同位置，工作面前方垂直應力不斷變動。為分析應力升高大小及超前支承應力影響范圍，在4-2205工作面中部設應力監測線，在設置的應力監測線上垂直應力變化規律如圖8所示。

圖8 4-2205工作面回采到不同階段監測線上垂直應力變化Fig.8 Change of vertical stress on the monitoring line at different stages of mining

從煤層垂直應力變化情況可以看出，4-2205工作面開挖前，4-2煤層垂直應力約10 MPa，有應力集中現象。4-2205工作面周邊巷道掘進完成后，應力重新分布，在開切眼兩側垂直應力明顯升高，最大值約14 MPa，隨著4-2205工作面采空區范圍的增加，煤體垂直應力最大值有升高趨勢。當工作面回采至50 m時，垂直應力最大值維持在22 MPa左右，直到4-2205工作面回采150 m；當工作面回采達到200 m時，4-2煤層垂直應力重新升高，達到25 MPa，這主要是因為回風巷側煤柱寬度減小所致。整體而言，4-2205工作面開采過程中，其超前支承應力影響范圍達100 m。

4.2.3 模擬結果分析

根據數值模擬結果可以發現：①4-2205工作面膠帶巷側煤柱應力集中程度低于回風巷一側，表明膠帶巷一側巷道變形大、支承能力弱；②4-2205工作面開采過程中，開采面與膠帶相交直角處應力集中程度高于開采面與回風巷相交直角處；③以10 MPa為原始應力，15 MPa為嚴重應力影響臨界值，即應力集中系數為1.5，則4-2205工作面超前支承應力嚴重影響范圍約為30 m，超前支承應力峰值約為22 MPa；④隨著4-2205工作面回風巷側煤柱寬度減小，煤柱逐漸由穩定狀態向塑性不穩定狀態變化，在此動態變化過程中易發生沖擊地壓事故；⑤當4-2205面回采至與4-2207開切眼平行前后50 m，易引發覆巖層二次破斷運動，圍巖沖擊危險性較高。

5 結論

(1)4-2205工作面回風巷側煤柱回采過程中，煤柱寬度逐漸減小，煤柱應力集中程度逐漸增加，破壞程度升高，煤柱逐漸由穩定狀態向塑性不穩定狀態變化，沖擊危險性升高。

(2)4-2205工作面膠帶巷側煤柱寬度為13 m，煤柱彈性核區不足以承受集中應力，在回采過程中將發生塑性屈服破壞。

(3)4-2205孤島工作面開采過程中，受相鄰采空區影響，在相鄰采空區切眼前后位置易引發覆巖層二次破斷運動，圍巖沖擊危險性較高。

(4)根據4-2205回采面礦壓顯現規律，4-2205工作面在頂板初次來壓、周期來壓及工作面“見方”時，覆巖運移破壞嚴重。因此，4-2205工作面在此過程中應注意煤(巖)體應力及破壞狀態，避免礦壓劇烈顯現。