孤島工作面見方期間礦壓規律研究

吳紹輝

（山東能源集團，山東 濟南 250000）

沖擊地壓以其突發性、瞬時震動性、強破壞性、復雜性等特點已成為威脅沖擊地壓礦井安全生產的主要災害。近年來，三側孤島面在回采中發生沖擊地壓的比例逐年上升，統計結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]等推導了孤島工作面彎曲應變能簡化公式，說明了彎曲應變能在見方時最大；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采空區工作面見方期間高應力區應力規律的研究。

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力在線監測數據進行分析，并運用計算機數值模擬的方法研究了應力分布規律，旨在總結出孤島工作面見方期間應力積聚的過程，確定沖擊地壓危險區。為制定防沖措施提供理論依據。

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，地面標高：+35.5～+40.5m。工作面標高：-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，以南4m為3208工作面采空區，以東為3200采區軌道上山、皮帶上山、回風上山和進風上山，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 孤島工作面應力傳遞數值模擬

2.1 模型建立

為了更加直觀準確地分析孤島工作面見方期間能量傳遞規律，利用有限元FLAC3D進行數值模擬，建立三維模型（圖2）。3210孤島面與兩側工作面之間留設4m煤柱，兩側工作面寬度均為90m，模型尺寸400×300×100m。對模型側面進行水平位移約束，底部進行垂直位移約束，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 結構模型

2.2 工作面開挖

根據煤層柱狀圖及模擬實驗得出巖層物理力學參數，如表1巖層物理力學參數表所示，對模型進行賦值并進行平衡。模擬共分三個階段：（1）開挖兩側工作面；（2）開挖巷道；（3）開挖研究工作面。每次開挖步距為10m，每次開挖均進行平衡。整個模擬過程共開挖200m。

表1 巖層物理力學參數表

2.3 數值模擬結果分析

根據應力云圖3可知：（1）孤島工作面回采前，在煤體周圍應力趨于平衡，采空區能量趨于穩定。（2）隨著工作面開采應力不斷積聚形成應力場，應力峰值首先出現在兩側煤柱，隨后應力向工作面傳遞。（3）采空區應力傳遞：三側采空區應力→采場上方→工作面實體煤，推采30m時工作面后方采空區上覆巖層破斷，能量傳遞達到最大。（4）推采100m時工作面進入見方階段。兩側采空區上覆巖層活動劇烈，能量傳遞達到最大。

圖3 工作面煤壁前5m應力分布云圖

3 應力監測

3210工作面布置有KJ551應力監測系統，該系統能夠有效實時監測工作面兩巷煤體內應力變化情況。應力監測能夠直觀呈現工作面應力分布情況與能量積聚過程。根據實時監測數據指導工作面卸壓措施的執行具有重要作用。自工作面向外每間隔25m布置一組應力計，其中回采前第二組距工作面50m。

3.1 超前應力監測

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

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

圖4 應力變化曲線圖

3.2 軌道順槽應力監測

如圖4（b）所示，軌道順槽第5組應力計（距切眼110m）自9月16日開始急劇上升，軌道順槽第5組應力值到9月17日（軌道順槽累計進尺103m）達到最大值，8m測點18:23分達到14.61MPa，出現紅色預警，14m測點于21:47分壓力達到17.75MPa，出現紅色預警。

工作面9月17日至18日即處于見方期間（推采103m）來壓強度達到最大，兩側采空區與工作面采空區應力同時傳遞到煤體，煤體內成為應力集中區，此時軌道順槽煤體應力峰值為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力明顯增大。

3.3 皮帶順槽應力監測

如圖4（c）所示，皮帶順槽第5組應力計（距切眼125m）應力值自9月17日（皮帶順槽累積進尺104m）開始，也出現急劇上升。9月18日18:37分該組8m測點應力值升高到11.5MPa，出現黃色預警，到9月19日21:58分應力值達到18.60MPa，8m測點出現紅色預警。

3210面見方時，皮帶順槽峰值達到Fmax=18.60MPa，最大能量傳遞系數kmax=Fmax/F0=3.72。能量傳遞系數越大，兩側采空區與工作面采空區傳遞到煤體的能量越多。孤島工作面煤體內應力積聚疊加越高，發生沖擊地壓的幾率越高。

4 結論

（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力釋放區，未釋放的應力則進行轉移，造成工作面煤體內應力迅速積聚，形成應力積聚異常區直至達到動態平衡。

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

（3）3210工作面見方期間巷道變形嚴重，發生沖擊地壓危險性極高。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，即鉆屑法檢驗煤層沖擊性。③ 實施直徑卸壓鉆孔，不但弱化了煤巖結構，降低了沖擊傾向，同時也將圍巖高應力向深部轉移。