不規(guī)則孤島工作面采動(dòng)應(yīng)力演化特征

喬 沖 王 川

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司田陳煤礦，山東 滕州 277532）

在采煤過(guò)程中，由于采煤工藝或生產(chǎn)地質(zhì)條件的原因，會(huì)留下或多或少的形狀不規(guī)則煤柱，這些煤柱稱之為復(fù)雜煤柱。隨著開(kāi)采活動(dòng)的進(jìn)行，不規(guī)則煤柱遺留的情況越來(lái)越多，并且儲(chǔ)量還十分可觀。為了提高煤炭采出率，降低資源浪費(fèi)，我們不得不將不規(guī)則煤柱開(kāi)采出來(lái)。但是，在周邊采動(dòng)影響下，煤柱在回采前應(yīng)力集中程度往往較高，在回采期間采動(dòng)應(yīng)力的疊加影響下不規(guī)則煤柱開(kāi)采很容易形成沖擊地壓事故[1-3]。不規(guī)則煤柱開(kāi)采發(fā)生沖擊地壓的原因有兩個(gè)方面：（1）不規(guī)則煤柱回采采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律掌握不明，覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律揭示不清；（2）不規(guī)則煤柱沖擊地壓的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、解危措施不到位，管理者及工人防沖意識(shí)淡薄，責(zé)任不明晰[4-6]。

山東田陳煤礦23下608 工作面為不規(guī)則孤島工作面，經(jīng)過(guò)前期兩個(gè)分層工作面開(kāi)采，地表已經(jīng)形成穩(wěn)定的塌陷區(qū)，預(yù)計(jì)本工作面開(kāi)采將使塌陷程度進(jìn)一步加深。煤層埋藏深度為627～711 m，處于沖擊地壓危險(xiǎn)性升高階段，回采期間容易發(fā)生沖擊地壓事故。工作位置如圖1 所示。

圖1 工作面布置情況

為了預(yù)測(cè)回采期間不規(guī)則孤島工作面的采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律，并以此為依據(jù)制定沖擊地壓防治措施，本文采用數(shù)值模擬試驗(yàn)和工程實(shí)踐相結(jié)合的方法，以孤島工作面回采期間的采動(dòng)應(yīng)力演化為研究對(duì)象，對(duì)比工作面向形狀變化處推進(jìn)和遠(yuǎn)離形狀變化處推進(jìn)時(shí)應(yīng)力大小的不同，分析不規(guī)則孤島工作面兩巷處應(yīng)力水平的差異，得到不規(guī)則孤島工作面沖擊地壓防治重點(diǎn)，進(jìn)而研究不規(guī)則孤島工作面的沖擊地壓防治措施，為類似條件下不規(guī)則孤島工作面的沖擊地壓防治提供依據(jù)。

1 數(shù)值模擬模型建立

數(shù)值模擬是研究工作面覆巖運(yùn)動(dòng)及采動(dòng)應(yīng)力的有效手段，具有有效反演的優(yōu)勢(shì)，是工程工作者的重要工具。本文以23下608 工作面開(kāi)采為研究對(duì)象，采用FLAC3D軟件模擬分析該工作面在回采期間采動(dòng)應(yīng)力的演化特征。在開(kāi)采前，本工作面已三面采空，形狀不規(guī)則，屬于孤島工作面。模型的范圍：290 m（長(zhǎng)）×270 m（寬）×80 m（高）。模型前后、左右及下表面采用位移和應(yīng)力約束。根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)的綜合地質(zhì)柱狀圖及其頂?shù)装鍡l件，建立了數(shù)值模擬計(jì)算模型，在模型頂板施加7.2 MPa 的應(yīng)力替代上覆巖層重力。網(wǎng)格模型如圖2 所示，煤層及頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)由實(shí)驗(yàn)室物理力學(xué)試驗(yàn)獲得，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格模型網(wǎng)格劃分

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)表

2 不規(guī)則煤柱采動(dòng)應(yīng)力分布特征

2.1 工作面開(kāi)采之前的應(yīng)力狀態(tài)

23下608 工作面三面采空，其東部為實(shí)體煤，工作面未開(kāi)采之前，工作面煤體在上覆壓力作用下煤柱處于應(yīng)力集中狀態(tài)。煤柱不規(guī)則區(qū)域與規(guī)則區(qū)域邊界線用A 表示，如圖3 所示。

圖3 工作面開(kāi)采前的直接頂應(yīng)力分布云圖

由圖3 可見(jiàn)，在工作面回采前煤柱存在高應(yīng)力集中區(qū)，高應(yīng)力區(qū)主要分布在巷道拐角處，應(yīng)力集中系數(shù)最大可達(dá)3.6，而其他區(qū)域均處于卸壓區(qū)。此外，在工作面形狀發(fā)生變化的一側(cè)應(yīng)力集中要遠(yuǎn)大于形狀規(guī)則一側(cè)。

2.2 工作面支承壓力演化規(guī)律

根據(jù)開(kāi)采設(shè)計(jì)，23下608 工作面由形狀規(guī)則區(qū)域向形狀不規(guī)則區(qū)域推進(jìn)，工作面推進(jìn)時(shí)，采空區(qū)以空單元代表。工作面推進(jìn)過(guò)程中采動(dòng)應(yīng)力分布特征如圖4 所示。

圖4 工作面推進(jìn)到不同相對(duì)位置時(shí)的應(yīng)力分布云圖

由圖4（a）、4（b）、4（c）可知，工作面在向邊界線A 推進(jìn)過(guò)程中，采動(dòng)應(yīng)力的最大值表現(xiàn)出持續(xù)增加的趨勢(shì)，從29.7 MPa 增加到33.2 MPa，表明工作面發(fā)生沖擊地壓的可能性逐步增加。但是高應(yīng)力區(qū)范圍的變化呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，其高應(yīng)力區(qū)的范圍是逐漸縮小的，這是由于邊界線A 處的工作面形狀發(fā)生了急劇變化，使采動(dòng)應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，應(yīng)力轉(zhuǎn)移到工作面內(nèi)部，使工作面內(nèi)部應(yīng)力升高到了10 MPa，同時(shí)也表明了對(duì)于孤島工作面，在回采期間我們不僅要注意巷道的沖擊地壓預(yù)測(cè)與防治，還要密切關(guān)注煤壁處的應(yīng)力變化，做好工作面防沖的準(zhǔn)備。邊界線A 后面的應(yīng)力集中程度明顯大于前面，邊界線后面達(dá)到了21～24 MPa。

由圖4（d）、4（e）、4（f）可見(jiàn)，隨著工作面寬度逐漸減小，工作面支承壓力峰值不斷增加，從43 MPa 增加到了54 MPa，增加了26%，應(yīng)力集中系數(shù)從6.0 增加到了7.5，應(yīng)力集中系數(shù)增加了25%，工作面發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)性進(jìn)一步增加。在應(yīng)力集中程度較高區(qū)域，與邊界線A 相距40 m處相比，當(dāng)邊界線A 在距工作面30 m 處有明顯的擴(kuò)大。由應(yīng)力分布云圖可以看出，從工作面前方到停采線范圍內(nèi)都處在高應(yīng)力狀態(tài)。此外，工作面內(nèi)部采動(dòng)應(yīng)力也出現(xiàn)了明顯的增大現(xiàn)象，應(yīng)力值在12～15 MPa 之間，同時(shí)表明了工作面整體發(fā)生沖擊地壓的可能性也逐步攀升。

由圖4（g）可見(jiàn)，距離工作面停采線10 m時(shí)，工作面超前支承壓力峰值開(kāi)始減小，峰值為36 MPa。但是工作面內(nèi)部的支承壓力卻顯著增加，達(dá)到了30～33 MPa，這是工作面整體發(fā)生沖擊的可能性達(dá)到了最大值，要注意對(duì)工作面煤壁處的卸壓，并加強(qiáng)監(jiān)控，避免發(fā)生煤壁沖擊地壓事故。

由圖4（d）～4（g）可見(jiàn)，隨著工作面由距離邊界線A30 m 到距離邊界線A10 m，支承壓力峰值增加了11 MPa；而從距邊界線A10 m 處推進(jìn)到遠(yuǎn)離邊界線A30 m 處時(shí)，工作面的超前支承壓力峰值僅僅增加了3.7 MPa。表明工作面形狀變化時(shí)，應(yīng)降低其推進(jìn)速度，使煤體緩慢受壓，這樣能緩慢釋放煤體內(nèi)積聚的能量，避免煤體內(nèi)能量超過(guò)其承受能力而發(fā)生強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)。

綜上所述，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)力的變化是不均勻的，沖擊地壓發(fā)生的可能性也是不相同的，不規(guī)則一側(cè)的工作面應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)則一側(cè)，工作面形狀發(fā)生變化的一側(cè)是防治沖擊地壓的重點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)不規(guī)則側(cè)巷道的沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)措施，加大卸壓力度。同時(shí)隨著回采距離的加大，工作面煤壁發(fā)生沖擊地壓的可能性也隨之增加，應(yīng)加強(qiáng)工作面煤壁的沖擊地壓預(yù)測(cè)與防治工作，避免煤壁前方應(yīng)力超限而發(fā)生沖擊地壓。

3 不規(guī)則孤島工作面巷道布置

巷道的應(yīng)力集中是形成沖擊地壓的重要條件，而沿空送巷能有效減小巷道的應(yīng)力集中程度，因此在不規(guī)則孤島工作面巷道布置時(shí)最好采用沿空送巷的布置方式，以保證安全。而當(dāng)巷道從形狀規(guī)則區(qū)域向形狀不規(guī)則區(qū)域掘進(jìn)時(shí)，要改變巷道的掘進(jìn)方向，避免在高應(yīng)力區(qū)域掘進(jìn)。圖5 是復(fù)雜不規(guī)則孤島回采工作面巷道布置方式圖。研究表明，巷道的布置方式對(duì)采掘期間巷道的應(yīng)力水平起到至關(guān)重要的作用，是沖擊地壓防治的基礎(chǔ)措施，沿空送巷是預(yù)防沖擊地壓發(fā)生的重要手段。此外，在采掘期間還要加強(qiáng)不規(guī)則區(qū)域的沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及解壓管理。

圖5 復(fù)雜煤柱回采巷道布置方式

4 結(jié)論

（1）采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立了不規(guī)則孤島工作面采動(dòng)應(yīng)力演化研究模型，研究了工作面形狀對(duì)采動(dòng)應(yīng)力的影響特征，表明工作面形狀的突然變化阻礙了支承壓力的傳播，致使支承壓力向工作面深部發(fā)生轉(zhuǎn)移，使工作面中部應(yīng)力值升高。

（2）工作面不規(guī)則區(qū)域的應(yīng)力水平高于規(guī)則區(qū)域，不規(guī)則區(qū)域是沖擊地壓防治的關(guān)鍵，工作面向不規(guī)則區(qū)域推進(jìn)時(shí)的應(yīng)力變化程度大于遠(yuǎn)離不規(guī)則區(qū)域時(shí)。對(duì)于不規(guī)則孤島工作面，要在巷道合理布置的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)沖擊地壓預(yù)測(cè)與防治工作。

（3）不規(guī)則孤島工作面回采時(shí)，適當(dāng)控制回采速度，對(duì)沖擊地壓的預(yù)防具有積極作用。

（4）不規(guī)則孤島工作面巷道布置采用沿空送巷的方式，可有效降低巷道應(yīng)力集中程度，降低沖擊地壓發(fā)生概率。