工作面采動對外圍大巷沖擊影響及停采線設計

高 山 陳廣堯 劉 超

（微山金源煤礦，山東 濟寧 277600）

截至2020年底[1]，我國具有沖擊地壓災害的礦井達到了132座，目前仍有許多礦井已發生沖擊顯現但還未被納入沖擊管理。隨著淺部資源不斷枯竭，深部沖擊地壓防治問題將長期存在和更加突出。

沖擊地壓機理研究至今已有70年，針對采場外圍大巷沖擊地壓防治等問題[2-5]，我國學者開展了相關研究，但是工作面采動影響下外圍大巷沖擊的類型和原因復雜、多變，本文以金源煤礦43上03工作面外圍大巷防沖為背景，闡釋工作面采動對外圍大巷沖擊影響及停采線位置設計的原理和方法，為相似條件礦井大巷沖擊研究和工作面停采線設計提供參考。

1 工程背景

微山金源煤礦43上03工作面位于四采區中部，工作面四周均為實體煤，采用傾向長壁綜合機械化一次采全高采煤法，平均開采深度為500 m，工作面寬度213 m，鉆孔顯示的3上煤層厚約3.58 m。煤層具有弱沖擊傾向性（單軸抗壓強度為8.56 MPa），頂板具有弱沖擊傾向性，底板無沖擊傾向性。頂板巖層中粉砂巖直接頂厚6.78 m，中砂巖基本頂厚為7.22 m，頂板柱狀信息見表1。

表1 鉆孔顯示的工作面柱狀信息

43上03工作面主要的外圍有大巷兩條：四采區皮帶巷、四采區回風巷。兩條大巷間距為74 m，沿3上煤底板布置，大巷的寬和高范圍3～4 m，斷面面積12.8 m2。工作面外圍大巷位置如圖1。

圖1 43上03工作面及大巷位置

隨著43上03工作面不斷推采，采場覆巖轉移應力可能形成煤柱或大巷應力集中。根據相鄰工作面開采經驗，末采期間工作面前方大巷不斷出現震動、煤炮，甚至具有局部的錨桿（索）破斷等沖擊現象。因此，43上03工作面回采階段可能對四采區皮帶巷及回風巷產生沖擊影響，需要對合理停采位置進行分析和設計。

2 工作面外圍大巷沖擊機理

2.1 覆巖空間運動與應力演化分析

43上03工作面推采至大巷附近，工作面和大巷之間能夠形成“煤柱”，“煤柱”周圍“覆巖運動—應力演化—礦壓顯現”存在一定關系，隨著各級關鍵層“懸露—撓曲—破斷—懸露”運動，“煤柱”的寬度開始減小，工作面超前支承應力逐漸與大巷圍巖應力接近并開始形成疊加效應，如圖2（a）所示。此時“煤柱”邊緣塑性狀態，但是整體仍然處于彈性狀態，稱之為“彈性核狀態”，“煤柱”發生沖擊地壓的可能性較小。

當工作面繼續推進時，剩余“煤柱”寬度逐漸減小到一定程度，工作面超前支承應力逐漸與大巷圍巖應力產生明顯的疊加效應，即煤柱支承應力由此前的“雙峰值”演化成“單峰值”，同時疊加的高應力不斷對“煤柱”進行快速“腐蝕”，導致兩側塑性區快速向中間擴展，進一步削弱“煤柱”煤體自身的支承強度。此時疊加應力可能接近甚至超過“煤柱”強度，在厚硬巖層破斷運動誘發礦震動載情況下，極易造成高應力條件下工作面外圍大巷的沖擊失穩，如圖2（b）所示。

圖2 覆巖空間運動與應力演化分析示意圖

2.2 力學模型構建與分析

根據覆巖空間運動分析結果，進行“煤柱”靜態和動態應力分析，建立的簡化力學模型如圖3。圖中D為回采工作面距大巷道的水平距離（即“煤柱”寬度），m；大巷寬度用a表示，m；h為基本頂的厚度，基本頂距地表、煤層的高度分別為hS、hL，m；α、β為采場覆巖綜合移動角和采空區破裂巖層觸矸角，（°）。工作面與大巷之間“煤柱”所支承的巖體自重載荷用G表示，kN/m2；空間結構傳遞至煤體的集中載荷用F2表示，kN/m2；基本頂下方低位垮落巖層的傳遞載荷用FL表示，kN/m2。

圖3 采場載荷及應力估算示意圖

在力學模型的豎直方向上，靜態“煤柱”受到的載荷總量T（kN/m2）近似為：

參考文獻[6]關于采場覆巖載荷定量估算方法，確定G、G2、FL三個參數表達式：

式中：q0為基本頂所承受上覆巖層載荷，kN/m3； 、h為基本頂的容重和厚度，kN/m3、m；hL為基本頂距煤層高度，m；hL為基本頂距地面高度，m；l為基本頂懸伸長度，l∈[0，L]；L為基本頂周期破斷步距，m。

考慮到工作面覆巖存在厚硬巖層賦存的實際條件，工作面在推采過程中具有厚硬巖層斷裂誘發震動沖擊的現象。震動沖擊效應與巖層厚度、空間距離和煤巖介質等因素有關，工程上“動載”應力一般取“靜載”的k倍（無量綱常數）。根據應力的疊加原理，“動-靜”態條件下“煤柱”的平均支承應力用p表示，MPa，近似表達式：

“煤柱”是否發生沖擊失穩，除了與受到的外界應力有關，同時還與自身綜合支承強度有關，綜合強度R近似為：

式中：σC為煤體單軸抗壓強度，MPa；為煤體圍巖（壓）狀態無量綱常數，三向彈性圍壓狀態φmax≈3，煤體破斷或塑性狀態φmin≈1；ρ為煤體破裂或塑性寬度，通常ρ≈0.004 9 mH，m。

綜合前文分析，得到“煤柱”整體沖擊失穩力學判據：

工作面外圍大巷沖擊途徑主要方式和途徑：采動覆巖運動和關鍵層懸頂→形成“煤柱”靜態應力→關鍵層斷裂誘發震動沖擊形成動載應力→“煤體”的“動-靜”應力疊加→“煤體”失穩和大巷沖擊顯現。

3 工程應用與實踐

3.1 停采位置確定

將上述研究方法和結果運用到43上03工作面停采線設計工程，根據實際情況，a=4 m，σC=8.56 MPa，hL=14.11 m，h=7.22 m（中砂巖基本頂厚度），hS=480 m。上覆巖平均容重取 =25 kN/m3，中砂巖基本頂平均容重取γ=26 kN/m3，中砂巖基本頂承受的最大覆巖層（包括自重）載荷為q0+ =0.68 MPa（其中承受上覆巖層載荷估算為q0=0.50 MPa），“煤柱”煤體寬度相對較大近似取φmax=3，φmin≈1，ρ≈3 m。根據本礦井相鄰采區開采經驗，采場覆巖綜合移動角α≈82°，巖層綜合觸矸角β≈65°，中砂巖基本頂周期破斷步距L=25.4 m，根據經驗動載系數k取0.2。將數據代入式（3）～（5），得到四采區皮帶巷相關的平均支承應力p、綜合強度R在不同煤柱寬度條件下的變化及關系，如圖4所示，初步確定43上03工作面距大巷道的距離D≥33 m。

圖4 不同煤柱寬度條件下p、R變化規律

進一步采用數值模擬手段進行驗證，模擬結果如圖5。隨著43上03工作面不斷推采，工作面前方形成“移動”支承應力影響區，超前影響范圍約為40 m。因此，為了降低工作面前方支承應力影響，43上03工作面距四采區皮帶巷距離D≥40 m。

圖5 數值模擬分析結果

同時，考慮43上03工作面頂板100 m范圍內沒有單層厚度超過20 m的巨厚巖層，根據本礦工作面回采工程經驗，預計43上03工作面回采過程中不會發生強礦震，預計大巷仍主要以靜載沖擊為主，綜合考慮設計的停采線位置距四采區皮帶巷約40～50 m。

3.2 現場應用效果

根據回采實際情況進行最終確定停采位置。現場表明：43上03工作面推采至距離四采區皮帶巷約60 m時，皮帶巷一側安裝的應力在線測點的應力（位置距四采區皮帶巷約35 m，深孔14 m，淺孔7 m）出現劇烈、快速升高等變化（見圖6），大巷開始出現局部變形和震動響應等情況，表明此時工作面開始影響了皮帶巷。通過采取降低工作面推采速度和進行大巷二次支護等措施，工作面繼續推采了約10 m。此時大巷頂板變形逐漸加劇，同時在巷道交叉區域出現了較強的頂板震動等現象。通過現場鉆孔卸壓和煤粉檢測等工作，判斷得到了“煤柱”沖擊危險性逐漸增加，如圖7。最終，礦山根據防沖技術需要，確定最終停采線位置：43上03工作面停采距四采區皮帶巷約50 m。最終實現43上03工作面“防沖減震”和外圍大巷“有震無沖”的安全開采目的。

圖6 應力在線監測曲線

4 結論

（1）工作面回采過程中采場覆巖運動能夠對在大巷附近形成應力轉移和集中，工作面與大巷之間“煤柱”失穩是大巷沖擊的主要形式。

（2）建立了評估大巷失穩的“煤柱”沖擊失穩的空間覆巖結構和力學模型，提出了“煤柱”在“動-靜”應力沖擊失穩力學判據。

（3）理論分析43上03工作面停采線距四采區皮帶巷距離40～50 m，現場實踐最終確定停采距離為50 m，應用效果良好。