基于防沖的孤島工作面分類及應用研究*

楊偉利，魏全德，曲效成，劉維信，張假妮

(1. 中原工學院 建筑工程學院，河南 鄭州 451191；2. 北京安科興業礦山安全技術研究院有限公司，北京 102299；3. 北京安科興業科技股份有限公司，北京 100083；4. 山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟寧 272072)

0 引言

近幾年來，易采煤炭資源逐漸采畢，諸多煤礦涉足孤島工作面開采，導致孤島工作面沖擊地壓災害頻發，給煤礦帶來了巨大損失[1-4]。據相關統計[5-6]，截止2016年底，國內沖擊地壓礦井有178個，這些礦井都或多或少存在孤島工作面。為了有效控制孤島工作面沖擊地壓，國內學者對孤島工作面沖擊地壓防治進行了大量研究，如竇林名等[7]通過研究孤島工作面開采中的圍巖應力提出了基于監測的沖擊地壓預報和控制技術；姜福興等[8]通過分析研究臨場監測數據，提出了四面采空“孤島”采場的頂板結構和相關礦壓控制技術；王宏偉等[9]通過現場監測確定了孤島工作面發生沖擊失穩的危險區域；楊光宇等[10]綜合考慮沖擊地壓災害防治、次生災害控制以及巷道支護等因素，確定了孤島工作面合理留設寬度；于正興等[11]提出了預測孤島工作面沖擊危險性的宏觀評價方法。上述研究成果對孤島工作面沖擊地壓防治起到了積極作用，但尚未提出對孤島工作面沖擊地壓實施“分類防治”的思路。

隨著孤島工作面沖擊類型日益復雜，分類防治已成為治理孤島工作面沖擊地壓災害的必由之路[12]，而分類防治的前提必須基于防沖對孤島工作面進行科學分類。為此本文開展基于防沖的孤島工作面分類研究，研究成果對孤島工作面沖擊地壓實施分類防治具有現實意義。

1 基于防沖的孤島面分類

通過對國內多個煤礦孤島工作面開采情況進行調研，發現主要存在以下3種情況。

1)可采孤島工作面

某礦3201下工作面為可采孤島工作面，形如“刀把”形孤島面，如圖1(a)所示。孤島面北部為3202，3204，3206和3208采空區連通形成的大面積采空區；南部為3201采空區；開采煤層為3上煤層，采深620 m，均厚2.6 m，傾角7°；煤層上覆巖層中不存在厚硬巖；采用綜采放頂煤開采法，垮落法管理頂板。

3201下孤島面于2012年始采，2013年采畢。回采中除縮面區域動壓較劇烈外，工作面整體應力較低，圖1(b)和(c)為孤島面開采中軌道巷和運輸巷2巷道煤體應力監測云圖，從圖1中可以看出，除軌道巷道第9組測站煤體相對應力為9.8 MPa外，其他測站相對應力一般不超過5 MPa。

圖1 3201下孤島面開采平面圖及監測應力云圖Fig.1 The mining plan and monitoring stress nephogram of 3201 xia isolated island working face

2)不可采孤島工作面

某礦1305工作面為不可采孤島工作面，孤島面南部為1306和1307采空區，北部為1304采空區，1305孤島面采掘平面圖及沖擊位置如圖2所示。孤島面平均采深980 m；煤層均厚6.02 m，傾角平均3°；直接頂為厚2.8 m粉砂巖，基本頂為厚20 m中砂巖。

2015年，當1305孤島面平均推進3.3 m時，工作面發生整體失穩沖擊，沖擊釋放能量2.5×106J，震級2.3級，沖擊位置為工作面及超前巷道，如圖2中灰色標注區域。嚴重的沖擊地壓災害抵消了開采取得的效益，因此1305孤島面不可采。

圖2 1305孤島面采掘平面圖及沖擊位置Fig.2 The excavation plan and impact location of 1305 isolated island working face

3)采取措施后可采孤島工作面

某礦2303孤島面位置如圖3所示，東到北翼大巷，南鄰2302采空區，西距2300采空區28～58 m，北鄰2304采空區。孤島面采深547.4 m，開采煤層均厚5.97 m，傾角平均6°；煤層直接頂為厚5.4 m粉砂巖，基本頂為厚12.0 m中砂巖。2303孤島面切眼區域曾出現劇烈動力顯現，巷道底板在半小時內鼓起0.5 m，以此確定2303孤島面回采中存在嚴重沖擊危險。

針對2303孤島面具體條件制定了專項防沖措施：開采前先進行沖擊危險性預測，確定孤島面開采初期的煤柱區域、基本頂初次來壓和斷層帶為高度危險區；開采中采用先進儀器實時監測，并及時采取卸壓措施，使工作面安全通過了沖擊危險區，實現了孤島面的安全開采。

圖3 2303孤島工作面開采平面圖[7]Fig.3 The mining plan of 2303 isolated island working face

綜上所述，煤礦中有些孤島面可采，有些孤島面不可采，有些孤島面采取措施后可采。因孤島工作面的可采性不明而盲目開采，影響到沖擊地壓防治效果，甚至付出沉重代價。因此，需要對孤島工作面可采性進行準確評估，并在此基礎上對孤島工作面沖擊地壓實施“分類防治”勢在必行，而基于防沖對孤島工作面進行科學分類是關鍵。

2 基于防沖的孤島工作面分類研究

2.1 孤島工作面沖擊本質原因分析

大量現場調研和實驗室試驗，發現導致孤島工作面沖擊的主要因素有3個[13]：一是孤島工作面煤巖具有沖擊傾向特性；二是孤島工作面煤巖體的結構特性，指煤層內存在軟弱夾層；三是孤島工作面的高應力。這3個因素中，高應力是決定孤島工作面是否沖擊的最主要因素。典型孤島面高應力形成過程如圖4所示。由圖4可知，工作面1開采后，所形成的采空區1上覆懸露巖層重量向實體煤側轉移而形成如圖4(a)所示側向支承壓力分布。采空區2形成后，亦在實體煤側形成支承壓力，并和采空區1側向支承壓力在實體煤(孤島工作面)上疊加導致孤島面應力集中程度增大，如圖4(b)所示。若孤島工作面煤巖具有沖擊傾向，且達到了非穩定動態平衡狀態，當受到外界擾動后即發生沖擊地壓。

圖4 典型孤島面高應力形成示意Fig.4 The diagram of high stress formation on typical isolated island working face

圖4中的孤島為同層煤采空區分割煤層形成的應力孤島，即常規應力孤島。實際上，不同層煤采空區，以及巷道、斷層、褶曲、陷落柱、火成巖侵入、相變等隱性因素均能切割煤層使得被影響區域產生應力疊加而形成應力孤島，均具有沖擊危險。因此，孤島工作面沖擊的實質為應力問題，這決定孤島工作面防沖必須首先基于孤島工作面高應力形成原因對其進行分類，然后才能制定基于控制應力的防沖措施。

2.2 基于防沖的孤島工作面分類

通過研究國內多個煤礦孤島工作面沖擊地壓發生條件和特點，根據孤島工作面高應力形成原因，將孤島工作面分為以下6類。

1)充分采動孤島工作面

孤島工作面兩側煤層開采范圍增大到某一尺寸后，采空區覆巖垮落到地表，垮落巖層被壓實，地表下沉盆地中央出現平底結構，且沉降停止，此種覆巖空間結構孤島面為充分采動孤島工作面。充分采動孤島工作面由于兩側采空區上覆巖層重新壓實，主要為巖層重量形成的自重應力，因此幾乎不存在應力疊加，孤島工作面煤體恢復到原巖應力狀態如圖5所示。圖1中3201下孤島面能夠安全開采的主要原因是該孤島面北部為大面積充分采動采空區。

圖5 充分采動孤島面沿傾向剖面示意Fig.5 The diagram of dip section of isolated island working face which is fully mining

2)非充分采動孤島工作面

由于孤島面上覆巖層硬度較大且兩側采空區面積較小，煤層采出后，孤島工作面兩側采空區覆巖一定范圍內巖層破斷垮落到采空區形成垮落帶；而垮落帶上方至地表懸跨巖層未大面積斷裂破壞導致地表沉降，此種覆巖結構孤島工作面為非充分采動孤島工作面。由于兩側采空區上覆巖層存在懸露巖層，懸露巖層重量產生的應力和上覆巖層自重應力疊加而在實體煤側形成側支承壓力，采空區兩側支承壓力疊加使得孤島面產生應力集中。非充分采動孤島面沿傾向剖面示意如圖6所示。非充分采動孤島面在煤礦比較常見。

圖6 非充分采動孤島面沿傾向剖面示意Fig.6 The diagram of dip section of isolated island working face which is non-full mining

3)充分-非充分采動孤島工作面

孤島工作面一側采空區面積較大，覆巖垮落運動發展到地表，且地表沉降處于穩定狀態；而另一側采空區面積較小，采空區覆巖僅在一定范圍內形成垮落帶，垮落帶上方直至地表懸跨巖層結構完整，地表未出現沉降，此種覆巖結構孤島工作面是介于充分和非充分采動孤島工作面之間的情況，本文稱之為充分-非充分采動孤島工作面。此類孤島工作面在靠近非充分采動采空區一側應力集中程度較大，沖擊危險性較強，而另一側應力集中程度較小，沖擊危險性隨之降低。充分-非充分采動孤島工作面沿傾向剖面示意如圖7所示。梁寶寺煤礦在開采中曾出現過這類孤島工作面。

圖7 充分-非充分采動孤島面沿傾向剖面示意Fig.7 The diagram of dip section of isolated island working under full-inadequate mining

圖5～7為同層煤孤島面兩側為采空區時情況。當孤島工作面被多個采空區包圍時，依次稱為“三面采空孤島工作面”、“四面采空孤島工作面”。孤島工作面周圍采空區越多，孤島面上應力疊加程度越大，沖擊危險性則越強。

4)立體孤島工作面(也稱“空間孤島”)

立體孤島面是由不同層煤采空區分割煤層形成的孤島工作面，如圖8所示。上層煤工作面1開采后在實體煤側形成采空區1側向支承壓力，該支承壓力向下傳遞，和下層煤采空區2側向支承壓力疊加，受疊加應力影響區域形成立體孤島面。圖9為數值計算揭示的立體孤島工作面疊加應力分布，從圖9可以看出，立體孤島工作面疊加應力集中程度較大，極具沖擊危險。

立體孤島工作面根據上、下層煤采空區是否充分采動又分為上層煤采空區充分采動而下層煤采空區非充分采動，上層煤采空區非充分采動而下層煤采空區充分采動，上、下層煤采空區充分采動，上、下層煤采空區非充分采動4種情況。

圖8 立體孤島面沿傾向剖面示意Fig.8 The diagram of dip section of stereoscopic isolated island working face

圖9 立體孤島面沿傾向應力數值模擬云圖Fig.9 The numerical simulation cloud along the stereoscopic isolated island working face’s dip section

5)“隱性”孤島工作面

由斷層、褶曲、陷落柱、火成巖侵入、相變等地質構造切割煤層形成，此類孤島工作面易被忽略，本文稱之為“隱性”孤島工作面。以正斷層切割煤層形成隱性孤島面為例進行分析。圖10為正斷層切割煤層形成隱性孤島面示意圖，從圖10中看出，孤島工作面上存在構造應力疊加，因此存在沖擊危險，如北京昊華礦業公司木城澗礦曾發生過斷層切割成的孤島工作面沖擊地壓災害。

圖10 斷層切割煤層形成孤島面示意Fig.10 The diagram of isolated island working formed by fault cutting Coal Seam

6)復合孤島工作面

由不同種類沖擊危險因素切割煤層形成的孤島面為復合孤島工作面。以構造-采空區分割煤層形成的孤島工作面為例進行說明。圖11為某礦由采空區和斷層分割成的7439孤島工作面。孤島面南部為F7正斷層，落差10.5 m，傾角75°；北部為7419采空區。

圖11 構造-采空區分割的孤島面平面圖Fig.11 The plan of isolated island working face formed by structure and goaf separating Coal Seam

圖12為7439孤島面軌道巷道距切眼180 m測站應力變化曲線。由圖12(a)看出，該測站應力曲線明顯分為2段：2012年12月10日至12月16日(工作面距測站94～78 m)，該段時間內測站不受采動應力影響，曲線平穩，但一直處于高應力狀態，說明該區域存在斷層構造應力和采空區側向支承壓力疊加影響。2012年12月16日至2013年1月2日(工作面距離測站78～10 m)，該段時間內采動應力與孤島面應力疊加，且工作面距測站越近，疊加程度越大，至2013年1月2日，工作面距測站10 m時淺部測點應力超過25 MPa。臨場監測結果驗證由采空區和斷層構造分割形成的孤島面也具有沖擊危險性。

圖12 軌順測站應力變化Fig.12 The stress variation curve of a survey station in the track transportation tunnel(2012/12/10～2013/1/2)

3 工程應用

基于防沖的孤島工作面分類可應用于孤島面采前沖擊危險性評估，以確定孤島工作面的可采性，然后再對孤島面沖擊地壓實施分類防治，從而達到事半功倍的效果。以某礦3328孤島面沖擊地壓防治為例進行分析。

3.1 3328孤島面概況

某礦3328孤島面三維內開采情況如圖13所示。孤島面西北側25 m為寬度201 m的同層煤3318采空區；孤島面上方69 m外側為上層煤寬度180 m的3227采空區，在水平方向上距3328孤島工作面63～142 m。孤島面寬105 m，煤層采高3.7 m，均厚30 m，煤體具有強沖擊傾向，單軸抗壓強度19 MPa；孤島面埋深890～925 m；煤層頂、底板為泥質粉砂巖和砂巖，厚度57～81 m，再向上至地表主要為砂頁巖巖層；3227采空區煤層開采厚度2.6 m。

圖13 某礦3328孤島面地質平面圖Fig.13 The geological plan of 3328 isolated island working face of a coal mine

3.2 3328孤島面所屬類型及可采性分析

由3328孤島工作面三維空間內煤層開采情況，可知該孤島工作面屬于第4類，即立體孤島工作面；3328孤島面切眼區域煤體受疊加應力(為3227采空區側向支承壓力傳遞應力和3318采空區側向支承壓力疊加)影響最大，如果該區域沖擊地壓可控，則整個孤島工作面可采。采用文獻[14-15]提出的基于防沖的孤島工作面可采性識別方法進行計算，得到3318采空區側向支承壓力分布函數和3227采空區側向支承壓力向下傳遞應力分布函數分別如式(1)和(2)所示，將兩式疊加后再乘以采動系數1.4，得到3328立體孤島面切眼區域煤體支承壓力分布，如圖14所示。從圖14中可以看出，3328孤島工作面彈性區寬度約為70 m，采用文獻[14-15]提出的估算方法進一步計算，得到寬度約為70 m的彈性區承載的平均應力為63.6 MPa，小于孤島面整體失穩沖擊判斷線，依此判斷3328立體孤島面開采中不會整體失穩沖擊(即可采)，但存在局部沖擊危險(3328立體孤島工作面2條順槽圍巖應力超過了局部沖擊應力判斷曲線)。

(1)

(2)

圖14 3328孤島面切眼區域煤體沿傾向支承壓力分布Fig.14 The abutment pressure distribution of dip section of 3328 isolated island working face’s Cut

3)3328立體孤島面局部沖擊地壓防治

3328孤島面沖擊地壓防治要針對局部沖擊進行。3328孤島面開采中有多個區域發生局部沖擊，沖擊區域中心位置如圖13中圓圈標注。為防止3328孤島面再發生局部沖擊，特制定了如下防治措施：

(1)對巷道兩幫施工大直徑鉆孔形成卸壓保護帶

3328孤島面回風巷道煤柱側、實體煤側巷幫分別施工孔徑110 mm、孔深13 m、間距1.5 m和孔徑110 mm、孔深15 m、間距2 m的大直徑鉆孔卸壓措施；孤島面運輸巷道兩幫分別施工孔徑110 mm、孔深15 m、間距1.5 m的大直徑鉆孔卸壓措施。

(2)基于監測的加密卸壓措施

孤島面應力集中程度較大，卸壓區域煤體在高應力下會被壓實再次成為承載體，從而使得應力峰值回遷。在卸壓帶內布置應力測站對煤體應力實時在線監測，測站布置位置如圖13所示，每個測站內設置2個應力測點，深度分別為9和15 m。發現應力升高，果斷實施加密卸壓鉆孔，直至危險區域應力降到10 MPa以下。

(3)加強超前支護

超前工作面60 m布置單體支柱進行支護，并將單體支柱之間采用拉桿連接，提高支護的整體性。

通過對3328立體孤島面實施上述防沖措施，實現了孤島工作面的安全開采。

4 結論

1)除同層煤采空區能夠分割煤層形成應力孤島外，不同層煤采空區，以及巷道、斷層、褶曲、陷落柱、火成巖侵入、相變等隱性因素均能分割煤層形成孤島工作面。

2)基于孤島面高應力形成原因，從防沖控制應力角度出發將孤島工作面分為充分采動孤島面、非充分采動孤島面、充分-非充分采動孤島面、立體孤島面、“隱性”孤島面和復合孤島面6類。

3)基于防沖的孤島工作面分類可應用于孤島面采前沖擊危險性評估，以確定孤島工作面的可采性，然后針對高應力形成原因對孤島面沖擊地壓實施分類防治。