淺埋孤島工作面整體沖擊分析與應用

岳 勇 唐照成 韓向云

（淮北礦業(yè)集團西北分公司華龍煤礦，陜西 延安 716002）

關(guān)健詞 孤島工作面；沖擊地壓；覆巖空間結(jié)構(gòu)；整體沖擊

孤島工作面具有兩側(cè)甚至多側(cè)采空，覆巖空間結(jié)構(gòu)復雜，開采過程中頂板運動劇烈，采場應力集中，同時由于煤礦地質(zhì)、開采技術(shù)等條件的差異性，開采實踐表明：開采孤島工作面具有礦震及其誘發(fā)沖擊地壓災害的危險，采前評估是保證此類工作面安全開采的關(guān)鍵。

我國學者積累了與孤島工作面沖擊地壓有關(guān)的成果：覆巖空間結(jié)構(gòu)特征[1-2]、應力分布[3]、沖擊地壓機理[4]、沖擊危險預測[5]和綜合防治技術(shù)[6]等。已有研究主要是針對深部孤島開采條件，在淺埋孤島工作面整體沖擊方面的探索相對較少，還未形成普遍性的孤島工作面整體沖擊分析方法。華龍煤礦淺埋50213 工作面兩側(cè)開采，潛在整體沖擊的可能性，需要進行采前針對性分析、評估。

1 工程背景

華龍煤礦位于延安市寶塔區(qū)北部的蟠龍鎮(zhèn)龍灣村，生產(chǎn)能力300 萬t/a。50213 工作面位于礦井西部，東鄰50212 采空區(qū)，西鄰50214 采空區(qū)，南至西翼盤區(qū)大巷，北至古河流沖刷帶。工作面平均走向長1390 m，傾向長203 m，兩側(cè)區(qū)段煤柱均為8.0 m，平均采深290 m，采用傾向長壁機械化一次采全高采煤法。50213 孤島工作面平面示意圖如圖1。

圖1 50213 孤島工作面平面示意圖

主采5 煤層厚度1.8～2.2 m，平均2.0 m（煤層含夾矸，單軸抗壓強度約為6.25 MPa）。工作面直接頂是厚0.43 m 的砂質(zhì)泥巖，基本頂是厚10.53 m的油頁巖，距離5 煤層約為 157 m 處賦存的細砂巖主關(guān)鍵層厚度達到23 m，直接底和基本頂同層，是8.11 m 的砂質(zhì)泥巖，頂、底板無沖擊傾向性。

2 孤島工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)辨識

2.1 地面沉降分析

掌握孤島工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)特征，是分析工作面支承應力與沖擊危險程度的前提。通常采用的方法是地表沉降觀測，采前對50213 孤島工作面地面沉降進行了統(tǒng)計，結(jié)果表明兩側(cè)采空區(qū)對應地面最大下沉量超過了1800 mm，如圖2 所示，其中 A為50213 工作面對應地面區(qū)域，B 為50213 工作面邊緣至50214 采空區(qū)中部對應地面區(qū)域，C 為50213工作面邊緣至50206 采空區(qū)中部對應地面區(qū)域。

圖2 50213 孤島工作面采前地表沉降分析

采空區(qū)寬度與采深用D、H表示，D、H單位m，比值D/H可以用來評估采動程度，D/H值越大表明采空區(qū)越趨于充分采動。以50213 孤島工作面采前50214 采空區(qū)為例，對應的采空區(qū)寬度D=208 m，采深H=290 m，D/H=208/290=0.72。該礦區(qū)相似條件充分采動時沉降經(jīng)驗系數(shù)約0.85，推算出50213采場附近最大經(jīng)驗下沉量值為2.0×0.85×0.72=1.2 m，明顯小于實際地面最大下沉量1800 mm。基于實測沉降值與經(jīng)驗計算結(jié)果對比，同時考慮地面沉降臺階落差超過1.2 m，判斷50213 孤島工作面兩側(cè)采空區(qū)均已達到充分采動狀態(tài)。

2.2 孤島工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)特征確定

根據(jù)前文地面沉降分析，進一步辨識孤島工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)特征，如圖3 所示。由于兩側(cè)已經(jīng)充分采動，上覆主關(guān)鍵層沿孤島工作面?zhèn)劝l(fā)生了破斷，整體上形成了偽T 型空間結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)主要參數(shù)：孤島工作面寬度為D，單位m；主關(guān)鍵層距地表的高度、自身厚度、距煤層高度分別用h1、h2、h3表示，采深H=h1+h2+h3，單位m；b為主關(guān)鍵層的破裂巖塊長度，單位m；α為覆巖破裂角，即采場邊界巖層斷裂點連線與水平方向的夾角，單位（°）；β為覆巖觸矸角，即采空區(qū)觸矸點連線與水平方向之間的夾角，單位（°）。

圖3 孤島工作面?zhèn)蜹 型覆巖空間結(jié)構(gòu)

T 型結(jié)構(gòu)內(nèi)部覆巖狀態(tài)與載荷傳遞：充分采動區(qū)范圍內(nèi)上覆巖層從采空區(qū)頂板直至地表的巖層完全垮落，覆巖載荷全部作用在采空區(qū)上；充分采動區(qū)至孤島工作面正上方之間煤巖體處于“過渡狀態(tài)”，該區(qū)域的關(guān)鍵巖層破斷后，從觸矸點到破裂線位置之間的破斷巖塊相互“咬合”并形成鉸接巖梁結(jié)構(gòu)，這部分巖層載荷一半作用在矸石，另一半載荷通過破裂線位置傳遞給孤島工作面煤巖體，形成覆巖載荷的傳遞應力；孤島工作面正上方煤巖體處于非充分采動，其載荷直接作用在工作面上煤巖體。

3 孤島工作面支承應力

3.1 靜態(tài)支承應力計算

式中，γ1、γ2、γ3分別為不同巖層的平均容重，單位kN/m3。

其次，分析孤島工作面單側(cè)采空區(qū)側(cè)向轉(zhuǎn)移載荷。根據(jù)關(guān)鍵巖塊形態(tài)與載荷傳遞之間關(guān)系，傳遞至孤島工作面覆巖載荷Q''包括關(guān)鍵巖塊鉸接傳遞載荷Q1'的一半，以及破裂線與觸矸線之間低位鉸接巖層重量Q2的一半。Q''、Q1'、Q2單位kN/m，Q''為：

3.2 “動-靜”疊加應力

孤島工作面開采厚硬巖層破斷及其覆巖空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)運動劇烈，能產(chǎn)生不同強度的震動/動載效應，進而形成工作面動載應力。一般情況下動載應力為靜態(tài)靜載支承應力的倍數(shù)，設(shè)σT為考慮動、靜載情況下的疊加支承應力，則孤島工作面采動應力近似為：

式中，k為采動厚硬巖層破斷與覆巖運動形成的靜態(tài)應力增量系數(shù)，無量綱。

4 孤島工作面承載強度及其整體沖擊判據(jù)

4.1 孤島工作面承載強度

組成孤島工作面煤體具有完整的分區(qū)，從采空區(qū)邊緣起，沿工作面寬度方向上煤體大致呈“破裂區(qū)-塑性區(qū)-彈性區(qū)-塑性區(qū)-破裂區(qū)”分布特征，依據(jù)不同煤體圍巖狀態(tài)，煤體的極限承載強度σS（單位m）近似呈對稱的“梯形”分布。如圖4。

圖4 孤島工作面承載強度示意圖

中間彈性區(qū)煤體處于三圍應力狀態(tài)，其極限承載強度σ3C約為煤體單軸抗壓強度[σ]的φmax≈3～5倍，σ3C、[σ]單位MPa，即σ3C≈φmax[σ]；煤體邊緣破裂、塑性區(qū)煤體處于“無約束-單向-二維-三維”過渡狀態(tài)，其極限承載強度從0 線性增加至σ3C，可綜合取φmin=1，一側(cè)破裂區(qū)+塑性區(qū)寬度為ρ（單位m），則彈性區(qū)寬度為D-2ρ。則σS的近似表達式為：

4.2 孤島工作面整體沖擊分析

孤島工作面是否發(fā)生整體沖擊，除了與“外部載荷”有關(guān)，還與自身物理力學條件決定的“內(nèi)部承載”關(guān)系密切，工作面寬度如果不合理或承載強度不足，發(fā)生整體沖擊可能性增加。整體沖擊概括：作用孤島工作面煤體的動-靜態(tài)疊加支承應力，超過煤體極限承載強度時，即達到整體沖擊的力學啟動條件，聯(lián)立式（5）、（6）則失穩(wěn)判據(jù)：

式中：IC為孤島工作面整體沖擊可能指數(shù)，無量綱，IC越大則表明發(fā)生整體沖擊可能性越高。IC＜1.0/K，整體穩(wěn)定；1.0/K≤IC＜1.2/K，整體弱沖擊；1.2/K≤IC＜1.5/K，整體中等沖擊；1.5/K≤IC，整體強沖擊。K是關(guān)于煤體強度和沖擊啟動應力的系數(shù)，無量綱。

5 工程應用分析

由于華龍煤礦5 煤層強度低，同時考慮“軟煤”的夾矸、變質(zhì)等情況，取沖擊啟動應力參數(shù)K=0.8。50213 孤島工作面發(fā)生整體沖擊的可能指數(shù)臨界值為IC=1.0/0.8=1.25 ＞0.5，即50213 孤島工作面在寬度D=203 m 情況下，采動條件下不具有整體沖擊危險。

當前，50213 工作面采掘過程中保持相對平穩(wěn)，巷道變形和沖擊顯現(xiàn)均不明顯。本文研究方法和結(jié)果對指導50213 孤島工作面安全開采起到重要的指導意義。

6 結(jié)論

（1）孤島工作面具有整體沖擊的可能性，淺埋孤島工作面整體沖擊性由“外部載荷”與“內(nèi)部承載”共同決定。

（2）提出了淺埋孤島工作面“覆巖空間結(jié)構(gòu)→支承應力→承載強度→整體沖擊”的原理和方法，確定了各關(guān)鍵參數(shù)計算結(jié)果。

（3）通過“外部載荷”、“內(nèi)部承載”等因素的分析，能夠定量評估孤島工作面整體沖擊可能性，為孤島工作面安全開采和災害防治提供依據(jù)。運用成果評估認為50213 孤島工作面無整體沖擊危險性，實現(xiàn)了工作面安全開采的目的。