深部采場整體失穩風險分析

程 剛，沈建波，詹召偉

（1.山東濟寧運河煤礦有限責任公司，山東濟寧，2725001；2.山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，山東濟寧，272155）

0 引言

隨著淺部資源的枯竭，煤炭開采深度逐年增加，在深井高應力影響下巷道圍巖所處應力狀態惡化導致動力災害增多[1-2]，如沖擊礦壓事故，該類事故不僅能造成井巷破壞、人員傷亡、地面建筑物破壞，而且極有可能引起瓦斯、火災、突水等伴生災害[3-4]，嚴重影響著煤礦的安全、高效開采。

在煤礦采場結構中，煤柱或者窄面由于受相鄰采空區支承應力影響，容易出現煤柱或面內高應力集中現象，嚴重時會引發煤柱失穩或窄面整體沖擊[5-6]。陽城煤礦3305工作面是該礦目前回采的面寬最窄的工作面，最大埋深約1060m，屬于典型的深部窄面采場，本文基于理論計算和現場實測方法對工作面整體失穩沖擊危險性進行分析研究，最終探求深部窄面穩定性分析方法。

1 工作面概況

3305工作面主要開采3煤層，地表標高+38.5～+39.6，井下巷道標高-820～-1020，最大埋深約1060m，工作面傾斜寬80m（平距），井下實際長度93m，現階段3305工作面已完成掘進貫通，近期要回采。掘進期間兩順槽已完成卸壓孔施工，整體情況為：軌道順槽施工卸壓孔深20m，孔徑150mm，沿煤層傾斜方向，組間距不大于1.5m，皮帶順槽兩幫施工卸壓孔，回采幫孔深20m，孔徑150mm，間距不大于1m；非回采幫施工卸壓孔8m與20m間隔施工，整體間距不大于1m。DF53斷層走向傾角為50°，傾向傾角為320°，傾角為70°，斷層落差0～35m的正斷層，3305工作面基本情況如圖1所示。

圖1 3305工作面平面示意圖

2 整體失穩極限面寬理論分析

2.1 理論計算模型的建立

在不考慮斷層影響下，煤柱受到采動影響后保持穩定的基本條件是：煤柱兩側產生塑性變形后，煤柱中央仍處于彈性應力狀態，即在煤柱中央保持一定寬度的彈性核，煤柱的寬度是根據各個分區的寬度來確定的，即煤柱兩側的塑性區和中間彈性區，如圖2所示。

圖2 煤柱彈塑性區及應力分布

上圖中彈性核區的寬度應為煤柱高度的1～2倍，對于一側采空的煤柱合理寬度：

式中：x0為回采空間側塑性變形區寬度，m；M為煤層開采厚度，m；R為巷道側塑性變形區寬度，m。

2.2 煤體塑性區寬度極限平衡法分析

根據巖體的極限平衡理論，可得到3305工作面采空側煤體塑性區寬度x0：

式中：K為應力增高系數；P1為支護對煤幫的阻力，MPa；C為煤體的粘聚力，MPa；Φ為煤體的內摩擦角，°；F為煤層與頂底板接觸面的摩擦系數；Γ為巖層容重，kN/m3；Ξ為三軸應力系數。

3305工作面采空側煤體塑性區尺寸各計算參數，如表1所示，將表1參數代入（2）式，經計算x0的數值約37.55m。

表2 煤體塑性區尺寸計算參數表

同樣根據巖體的極限平衡理論，可得到3305皮順掘出后采幫側所形成的塑性區寬度R：

式中：m為巷道高度，取值3.5m；Β為極限平衡區與核區界面處的側壓系數，取值0.5。

將參數代入（3）式，經計算R的數值約為12.1m。再應用公式（1），取彈性核寬度為2倍煤層厚度，即3305工作面煤柱保持穩定的尺寸應當大于：

B=x0+（1～2）M+R=37.55+2×7.2+12.1=64.05m。

由于工作面平距面寬80m大于64.05m，理論分析在不考慮斷層構造的情況下，該工作面不會出現整體失穩沖擊危險。

3 3305工作面應力狀態現場監測

3.1 監測方案設計

采用微震、煤巖主動CT反演監測3305工作面煤體應力情況。在微震監測方面，在3305軌順、皮順分別安裝2個SOS檢波器。CT反演方面，在工作面掘進、初次來壓前、初次來壓后分別做了1次主動波CT反演，軌順安裝接收檢波器，皮順施工爆破孔，爆破孔間距9m，每次施工爆破孔20個。

3.2 3305工作面監測數據分析

從2019年12月回采至2020年2月SOS微震事件（大于5000J）能量如圖3所示。從微震事件空間分布看，微震事件集中分布在工作面向外至工作面超前160m范圍內；兩順槽附近事件較多，工作面內事件較少。

在工作面掘進及回采期間做了3次煤巖主動CT反演，結果如圖所示，從3次反演結果看，工作面內部沒有明顯的高應力集中區，工作面整體穩定。

圖3 微震事件分布圖（≥5000J）

圖4 CT反演波速異常系數圖

4 結論

1）本文通過理論計算得到了3305工作面臨界平距面寬64.05m，大于工作面平距80m，在不考慮斷層構造的情況下工作面整體穩定，不會出現整體失穩。

2）通過微震和主動波CT反演分析，工作面內部無高應力集中區，不存在應力過度集中的現象，工作面整體穩定。

3）分析結論成果可以在類似工作面應用，但由于3305工作面受斷層影響，還需對斷層影響下的整體穩定性進行分析論證。