切眼外錯下孤島工作面開采沖擊危險性分析及防治措施

田勇峰 ，曹東京 ，許宏陽 ，魏明華 ，田利華 ，薛建軍 ，薛建秋

（1.棗莊礦業集團 高莊煤業有限公司，山東 濟寧 272200；2.徐州弘毅科技發展有限公司，江蘇 徐州 221008）

目前，由于礦井地質條件、開采布局、采掘接續不合理等影響，難免會形成孤島工作面，而孤島工作面開采易導致應力集中，誘發沖擊危險。針對孤島工作面復雜的應力環境及安全開采難題[1-3]，大多數學者主要研究孤島工作面的沖擊危險性評估方法[4]、采動應力演化規律、巷道礦壓顯現機理及沖擊地壓防治等[5-11]，但孤島工作面開采時在大型地質構造、切眼外錯、見方來壓、遺留煤柱等特殊區域的應力分布及演化規律不同于正常區域的分布特征，而切眼外錯下孤島工作面沖擊危險性分析及防治還缺少系統的研究。為此，以高莊煤礦3上1105 孤島工作面為例，對孤島工作面開采前覆巖結構變化特征、切眼外錯下孤島工作面開采沖擊危險程度及防治進行深入研究，從而為孤島工作面過切眼外錯區域的沖擊地壓監測與防治提供依據，降低開采期間沖擊危險，提升礦井經濟社會效益。

1 工程背景

3上1105 孤島工作面為兩側采空，位于西十一采區中東部，東為村莊保護煤柱，西為西十一采區四條下山，南為3上1103 采空區，北為3上1107采空區。3上1105 工作面布置及周邊位置關系如圖1。

圖1 3上1105 工作面布置及周邊位置關系Fig.1 Layout of 3 upper 1105 working face and its surrounding location relationship

工作面開采3上煤層，煤厚4.6～6.4 m（平均4.9 m）、傾角2°～16°（平均12°），走向、傾向長度分別約1 297.6、166 m，埋深為484.3～528.6 m。3上1105 運輸巷西起3上1105 轉載運輸聯絡巷，東至工作面切眼，開門點層位為3上煤層，全長1 480 m；材料巷西起3上1105 材料巷（原），東至工作面切眼，開門點層位為3上煤層，全長約1 303 m；切眼北起工作面材料巷，南至工作面運輸巷，全長約174.5 m。由于F6斷層影響，在其西側約20 m處布置3上1105 外切眼，頂底板巖性見表1。

表1 3上1105 工作面頂底板巖性Table 1 Roof and floor lithology of 3 upper 1105 working face

該工作面斷層較發育，預計揭露21 條斷層，落差>3.0 m 的斷層13 條。其中F6斷層揭露落差為11.0～15.5 m，并通過兩巷橫穿工作面；F3斷層揭露落差為15.5 m，由北至南向面內延展；F8斷層揭露為2 條分叉支斷層，總落差為12 m；以上斷層落差較大，且附近煤巖層較破碎。經沖擊傾向性鑒定，3上1105 工作面所采煤層、頂底板巖層具有弱沖擊傾向性；經沖擊危險性評價，3上1105工作面回采期間具有中等沖擊危險。3上1105 工作面沖擊危險區域示意圖（回采期間）如圖2。

圖2 3上1105 工作面沖擊危險區域示意圖（回采期間）Fig.2 Schematic diagram of rock burst risk area of 3 upper 1105 working face（mining period）

沖擊危險主要受鄰近采空區、切眼外錯、遺留煤柱、斷層構造等因素影響。具體分析如下：①受南北兩側采空區側向支承應力影響3上1105 孤島工作面靜載應力水平較高，易與動載疊加發生沖擊；②3上1105 切眼外錯于3上1107 采空區布置，在臨近切眼外錯區域進行采掘活動時沖擊危險性較強；③因F6-1斷層影響，3上1107 采空區內遺留斷層煤柱，受三側采空區側向應力影響煤柱內應力集中程度高，對3上1105 工作面影響較大；④3上1105 工作面斷層區域（如F6斷層落差大導致工作面難以正常推采通過）應力集中程度較高，其圍巖穩定性較差，對工作面影響較大。

2 孤島工作面開采覆巖結構特征及影響

2.1 采場覆巖結構特征

工作面采動程度系數：

式中： η為工作面采動程度系數；L為采空區邊長，m；H為采空區埋深，m。

根據礦井采掘接續安排，3上1105 工作面開采前，其南側7 個工作面、北側3 個工作面均已回采完畢。其北側采空區長約1 000 m，寬約580 m，平均埋深約530 m，計算可得： ηN1=1.89>1.2～1.4；ηN2=1.09<1.2～1.4。因此，其北側工作面回采后在走向達到充分采動，傾向上尚未達到充分采動，即判斷北側為非充分采動，推測主關鍵層未發生破斷；其南側采空區長約1 230 m，寬約1 390 m，平均埋深約330 m，故 ηS1=3.73、 ηS2=4.21，均大于1.2～1.4。因此，其南側工作面回采后在走向、傾向均達到充分采動，推測主關鍵層彎曲破斷后形成穩定結構。

根據巖層運動理論可得3上1105 工作面北側上方破裂巖層形成結構的最大高度為290 m。考慮到覆巖主關鍵層的存在，需要對北側的覆巖破斷高度進行修正，以2006-1 鉆孔為例，工作面上覆巖層存在5 層關鍵層，其中距3上煤層254.5 m 的厚115.8 m 礫巖為主關鍵層。經分析，3上1105 工作面北側覆巖主關鍵層未發生破斷，其覆巖破裂高度經修正后為254.5 m。

綜上，3上1105 工作面南北兩側工作面采空后，北側采空面積小，覆巖破斷高度未延伸至主關鍵層；南側采空面積大，主關鍵層彎曲破斷，經長時間沉穩活動后形成穩定結構。因此，3上1105 工作面采場覆巖結構為一側充分采動、一側非充分采動的“非對稱T 型”結構。 3上1105 工作面覆巖空間結構示意圖如圖3。

圖3 3上1105 工作面覆巖空間結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the overlying rock spatial structure of 3 upper 1105 working face

根據西十一采區東部區域2018—2021 年（包括3上1103 工作面回采末期和3下1103 工作面、3上1111 工作面采掘期間等）的微震事件統計發現：3上1105 工作面南側采空面積大，微震事件集中于3上煤層100 m 范圍內的頂板巖層及底板巖層內，且3上煤層上方150～200 m 范圍仍有分布，但工作面北側采空面積小，大能量微震活動均分布于低位關鍵層內。說明在3上1105 工作面回采期間后方采空區頂板更易與北側采空區頂板協同運動，發生頂板破斷型沖擊地壓。

2.2 頂板斷裂對沖擊地壓的影響

2.2.1 頂板厚度特征參數分析

根據3上1105 工作面的周邊2006-1 鉆孔巖層柱狀圖計算出工作面頂板特征參數分別為83.95 m，且工作面煤層上方50 m 范圍內存在2 層厚硬中砂巖（分別位于煤層上方2.45、27.35 m 處），層厚分別為11.8、20.1 m。因此，頂板巖層結構對3上1105 工作面有較大影響。頂板厚度特征參數值Lst 計算表見表2。

表2 頂板厚度特征參數值Lst 計算表Table 2 Lst calculation table for characteristic parameter values of roof thickness

2.2.2 頂板巖層破斷能量分析

初次來壓步距[12-13]的計算如下：

式中：Li為頂板的初次來壓步距，m；ms為承載層厚度，m；［σ］為承載層的抗拉強度，MPa；mc為隨動層的厚度，m；ρ為承載層的平均密度，kg/m3；α為煤層傾角，°；g為重力加速度，m/s2。

3上1105 工作面承載層厚度約11.8 m，承載層抗拉強度約7.5 MPa，隨動層厚度約13.1 m，承載層密度約2.82 t/m3，煤層傾角約12°。由此計算出Li=55.70 m，因此，頂板的初次來壓步距約為55 m。而周期來壓步距一般為初次來壓步距的0.25～0.5 倍，故頂板的周期來壓步距在14～28 m 之間。

懸頂破斷時積聚的彎曲彈性能[14-15]為：

式中：UW為頂板彎曲彈性能，J；q為頂板載荷集度，kN/m2；E為頂板彈性模量，MPa；h為頂板厚度，m；μ為泊松比。

工作面頂板載荷集度為2.77×102kN/m2，初次來壓步距為55 m，頂板厚度為11.8 m，頂板彈性模量為10 GPa，煤層傾角12°，泊松比取0.2，由此計算出UW=1.08×106J。同理，頂板周期來壓破斷的能量為1.15×103～3.69×104J。因此，3上1105工作面頂板在初次來壓、周期來壓期間對沖擊地壓有較大影響。

3 孤島工作面過切眼外錯區沖擊危險性分析

3.1 數值模型及方案

為研究孤島工作面臨近切眼外錯區域的應力演化規律，結合3上1105 工作面實際地質條件，模擬在切眼外錯因素影響下孤島工作面的開采情況，建立的3上1105 工作面數值模型尺寸（長×寬×高）為1 600 m×1 150 m×78 m。模型底部及四周均為固定邊界，模型頂部為自由邊界。

模型的上表面埋深為452 m，故在模型上邊界施加11.3 MPa 的等效垂直應力載荷。煤巖體物理力學參數見表3。

表3 煤巖層物理力學參數取值Table 3 Values of physical and mechanical parameters of coal and rock seams

為探究3上1105 工作面臨近及過切眼外錯區域的應力演化規律，把數值模型中工作面開采位置與切眼外錯區域之間的距離作為變量，其他因素均考慮不變。因此共提出5 種模擬方案，①方案1：工作面距鄰近切眼190 m，即初次來壓期間；②方案2：工作面距鄰近切眼65 m，即“一次見方”期間；③方案3：工作面距鄰近切眼30 m；④方案4：工作面距鄰近切眼0 m；⑤方案5：工作面距鄰近切眼-30 m。

3.2 不同開采距離下應力分布規律

沿材料巷采煤幫側10 m 處布置應力測線，用來分析不同開采距離下工作面超前應力變化規律。3上1105 工作面垂直應力演化云圖如圖4，3上1105工作面超前支承應力演化如圖5。

圖4 3上1105 工作面垂直應力演化云圖Fig.4 Vertical stress evolution cloud diagrams of 3 upper 1105 working face

圖5 3上1105 工作面超前支承應力演化Fig.5 Evolution of advance support stress of 3 upper 1105 working face

由圖4、圖5 可以看出：3上1105 工作面未開采前，工作面煤壁前方垂直應力峰值約為15.1 MPa（該區域原巖應力約為12.5 MPa，應力集中系數為1.21）；隨著工作面回采，煤壁前方支承應力呈先上升再下降的趨勢，最后穩定于約29.0 MPa，應力峰值點分布在煤壁前方約10 m 處。同時，對比不同開采距離下工作面超前應力發現：當工作面距鄰近切眼190 m 時，煤壁前方應力上升較小，主要受初次來壓影響，超前應力峰值約為19.6 MPa；但當工作面距鄰近切眼0 m 時，工作面超前支承應力與采空區支承應力疊加后上升至約42.1 MPa，隨著工作面進一步回采，應力疊加程度明顯增加，當工作面回采過鄰近切眼30 m 時，應力疊加至約54.1 MPa。

3.3 巷道圍巖穩定性分析

沿工作面煤壁前方1 m 處布置應力測線，用來分析不同開采距離下工作面巷道圍巖垂直應力及位移分布情況。3上1105 工作面巷道圍巖垂直應力演化云圖如圖6，巷道圍巖變形量如圖7。

圖6 3上1105 工作面巷道圍巖垂直應力演化云圖Fig.6 Cloud charts of vertical stress evolution in roadway surrounding rock of 3 upper 1105 working face

圖7 3上1105 工作面巷道圍巖變形量Fig.7 Deformation of roadway surrounding rock in 3 upper 1105 working face

由圖6～圖7 可以看出：當工作面向鄰近切眼推進時，切眼外錯區域受兩工作面支承應力相互疊加的影響垂直應力呈上升趨勢，靜載水平較高；當工作面臨近鄰近切眼30 m 時，材料巷南北兩側垂直應力分別上升至11.8、24.4 MPa，材料巷北側垂直應力大于運輸巷；當工作面過鄰近切眼后，由于切眼外錯所引起的應力集中范圍有限，其影響逐漸減弱；當工作面過鄰近切眼30 m 時，材料巷北側垂直應力下降至4.8 MPa，其他區域應力仍呈上升趨勢。

由圖7 可以看出：隨著工作面回采，材料巷、運輸巷圍巖變形量均呈上升趨勢，但材料巷在工作面過鄰近切眼后圍巖變形量才明顯上升；當工作面過鄰近切眼30 m 時，材料巷和運輸巷的頂底板、巷道圍巖變形量分別為14.16、20.59、22.58、33.68 mm。

因此，通過比較得出材料巷、運輸巷在距鄰近切眼前后0～30 m 時巷道圍巖受力大，沖擊危險程度大。

4 切眼外錯區卸壓措施及效果檢驗

4.1 大直徑鉆孔卸壓方案

3上1105 回采工作面優先采用大直徑鉆孔進行卸壓，卸壓鉆孔區域應覆蓋工作面采動影響區域，且不小于200 m。卸壓方案：按照沖擊危險性評價劃分的中等、強危險區域分別在工作面超前兩巷實體煤幫部每隔2 、1 m 各施工1 個鉆孔，孔徑100～200 mm，鉆孔深度不小于20 m，其開孔位置距離巷道底板0.5～1.5 m，垂直于巷道幫部，平行于煤層層面進行施工。3上1105 工作面巷道圍巖變形量如圖8。

圖8 3上1105 工作面大直徑鉆孔卸壓布置示意圖Fig.8 Pressure relief diagram of large diameter borehole arranged in 3 upper 1105 working face

4.2 卸壓解危效果檢驗

4.2.1 微震監測結果

選取在切眼外錯區域實施卸壓措施后工作面回采期間微震數據進行分析，3上1105 工作面卸壓后回采期間（即鄰近及過切眼外錯區域期間）總震動83 次，微震總能量1.97×104J。微震事件能量均小于104J。微震事件主要在材料巷側分布較多。微震日最大能量為1.97×103J，日最大總能量為2.54×103J，日最大頻次為5 次。可見，當采取卸壓解危后，工作面回采期間未出現大能量微震事件，頻次和能量未超過預警指標并處于穩定范圍。3上1105 工作面卸壓后回采期間（即鄰近及過切眼外錯區域期間）總震動83 次，微震總能量1.97×104J。微震事件能量均小于104J。微震事件主要在材料巷側分布較多。微震日最大能量為1.97×103J，日最大總能量為2.54×103J，日最大頻次為5 次。可見，當采取卸壓解危后，工作面回采期間未出現大能量微震事件，頻次和能量未超過預警指標并處于穩定范圍。

4.2.2 鉆屑法監測結果

在卸壓解危后，切眼外錯區域布置5 個鉆屑孔檢驗卸壓效果，工作面所在的西十一采區3上煤層的具體鉆屑數據如圖9。

圖9 切眼外錯區域卸壓后鉆屑煤粉量曲線Fig.9 Curves of pulverized coal amount of drilling cuttings in the outlying cut-off after pressure relief

從圖9 可知：切眼外錯區域卸壓后鉆孔煤粉量與鉆孔深度呈正相關變化趨勢，該區域最大煤粉量為3、4 號鉆屑孔監測到的3.9 kg/m，均未超過鉆屑監測預警指標。同時，該區域各個鉆屑孔任意每米監測的煤粉量均未超過相應的預警指標，且未出現卡鉆、吸鉆、頂鉆、異響、孔內沖擊等動力現象。

綜上所述，3上1105 工作面開采前在切眼外錯區域實施大直徑鉆孔卸壓措施后，微震、鉆屑監測的指標均未超過各自的沖擊危險預警臨界值。因此，3上1105 工作面切眼外錯區域采取大直徑鉆孔卸壓后有利于減小高應力區積聚的能量，降低沖擊地壓危險影響，保障工作面在切眼外錯區域安全開采。

5 結 語

1）根據對3上1105 工作面覆巖破壞情況分析，推測該工作面采場覆巖結構為“非對稱T型”結構。同時，大能量微震活動均分布于低位關鍵層內，工作面頂板也對沖擊地壓的影響較大。

2）3上1105 工作面開采至切眼外錯區域時，工作面超前支承應力與采空區支承應力疊加后應力峰值達到54.1 MPa，材料巷北側受兩工作面支承應力疊加后應力峰值達到24.4 MPa，材料巷、運輸巷圍巖變形量分別達到14.16、20.59、22.58、33.68 mm。確定了3上1105 工作面切眼外錯的沖擊危險區域主要分布在3上1107 工作面切眼前后0～30 m 范圍。

3）3上1105 工作面開采前在切眼外錯區域采取大直徑鉆孔卸壓后，微震、鉆屑監測的指標均未超過各自的沖擊危險預警臨界值，對切眼外錯區域起到了良好的卸壓作用，降低沖擊危險。