孤島煤柱條件下沖擊危險工作面終采線位置優(yōu)化設(shè)計

溫穎遠，薛成春，曹安業(yè)，牛風衛(wèi)，郭文豪，沈志平

（1.新疆大學 地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；3.大同煤礦集團馬道頭煤業(yè)有限責任公司，山西 大同 037003；4.上海大屯能源股份有限公司 姚橋煤礦，江蘇 沛縣 221611）

近些年，我國煤炭開采深度每年以10～25 m的速度向深部延伸[1-3]，煤炭地質(zhì)賦存條件的復(fù)雜性隨之提升，伴隨著礦井歷史開采遺留問題，沖擊地壓礦井數(shù)量日益增多，截止2017年，我國沖擊地壓礦井數(shù)量已達到177對[4]，沖擊地壓災(zāi)害成為礦井安全生產(chǎn)的重大隱患之一[5-7]。

相關(guān)學者采取理論分析、現(xiàn)場實踐和數(shù)值模擬等研究方法，對一側(cè)或多側(cè)采空后形成的孤島煤柱區(qū)應(yīng)力分布特征進行研究[8-10]。研究表明，孤島煤柱（工作面）應(yīng)力集中程度更高，支承應(yīng)力超前影響范圍更廣，沖擊危險性更高。另外，專家學者對不規(guī)則孤島煤柱（工作面）誘發(fā)沖擊地壓機理也進行深入研究[11-12]，采用理論計算、數(shù)值模擬方法探討了不規(guī)則煤柱區(qū)煤巖體的垂直應(yīng)力和穩(wěn)定性，研究煤柱區(qū)誘發(fā)沖擊地壓機理，研究結(jié)果表明煤柱形狀越復(fù)雜，安全系數(shù)越小，煤柱穩(wěn)定性越差。實踐表明，沖擊危險工作面除了采取有效的防沖措施，還應(yīng)該重視工作面布局，從區(qū)域上降低工作面及受其開采影響區(qū)域的沖擊地壓危險性[13-15]。周輝[16]等通過構(gòu)建試驗?zāi)Ｐ?，研究認為工作面停采線結(jié)構(gòu)應(yīng)該包括開挖影響區(qū)范圍、超前影響區(qū)范圍、兩區(qū)域最小安全距離3部分。崔樹江[17]通過在某礦8105綜采工作面中間回風巷布置應(yīng)力觀測區(qū)和煤體松動范圍觀測區(qū)，動態(tài)監(jiān)測煤柱內(nèi)應(yīng)力變化，系統(tǒng)研究了工作面停采后煤體超前支承應(yīng)力影響范圍和應(yīng)力分布形態(tài)。陳科[18]等采用理論計算、數(shù)值模擬等手段，對永安煤礦工作面超前支承壓力分布規(guī)律進行了分析，確定了合理的工作面停采線留設(shè)位置。

上述研究結(jié)果對礦井不規(guī)則孤島煤柱支承應(yīng)力分布特征，沖擊地壓防治，以及工作面終采線留設(shè)引起的超前支承應(yīng)力影響范圍、應(yīng)力分布形態(tài)等問題分別進行了詳細的描述，對礦井起到了良好的現(xiàn)場指導(dǎo)作用。但目前大部分研究成果主要針對不規(guī)則孤島煤柱、停采線留設(shè)二者各自影響因素下的應(yīng)力分布特征研究，而對由大范圍采空導(dǎo)致的不規(guī)則采區(qū)上（下）孤島煤柱區(qū)后續(xù)工作面終采線留設(shè)問題，相關(guān)研究較少，缺乏深入的分析研究。為此，針對姚橋煤礦7008工作面回采末期，超前支承應(yīng)力影響至不規(guī)則孤島保護煤柱區(qū)，從而增大了工作面、孤島保護煤柱區(qū)域沖擊危險性增高的現(xiàn)象，基于理論分析和數(shù)值模擬系統(tǒng)分析了煤柱區(qū)應(yīng)力分布特征，模擬了工作面開采前后煤柱區(qū)應(yīng)力變化特征，提出了工作面終采線留設(shè)優(yōu)化布置參數(shù)，并進行現(xiàn)場應(yīng)用。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)條件

姚橋煤礦中央采區(qū)經(jīng)過多年開采，采區(qū)下山保護煤柱已成兩側(cè)大范圍采空的孤島結(jié)構(gòu)，加之兩側(cè)工作面停采線留設(shè)參差不齊，進一步加劇了煤柱區(qū)應(yīng)力集中程度，尤其在煤柱拐角區(qū)域應(yīng)力集中程度明顯。采區(qū)工作面布置如圖1。

圖1 采區(qū)工作面布置圖Fig.1 Layout of working face in mining area

7008工作面為采區(qū)新設(shè)計工作面，開采7#煤層，經(jīng)鑒定7#煤層具有強沖擊傾向性。工作面開采深度為780～820 m，煤層厚度5.50 m，直接頂為2.74 m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為3.40 m的粉砂巖，同時，距離煤層15 m處賦存1層12 m厚的粉砂巖。

工作面設(shè)計終采線與鄰近西部采空區(qū)終采線內(nèi)錯約23 m布置，距工作面切眼距離930 m，與東部采區(qū)終采線相距約175 m，此時7008工作面區(qū)段保護煤柱區(qū)寬度175 m。

1.2 現(xiàn)場情況

隨著7008工作面回采臨近設(shè)計終采線，采區(qū)保護煤柱孤島效應(yīng)逐漸體現(xiàn)。工作面、保護煤柱區(qū)微震事件頻繁發(fā)生，現(xiàn)場煤炮聲增多，工作面超前巷道局部出現(xiàn)錨桿斷裂、煤體掉渣等現(xiàn)象，沖擊危險性增強。

工作面于2019年1月10日至2019年3月7日間共計回采80 m，回采位置分別距切眼792 m（1月10日）和872 m（3月7日），分別距離設(shè)計終采線139 m（1月10日）和59 m（3月7日）。此回采時間段內(nèi)微震日釋放總能量、日頻次總體呈上升趨勢，尤其是2月7日至3月7日間，微震總能量整體上升趨勢明顯，且單日累計能量波動較大，表明微震能量釋放不均勻，回采期間微震總能量、頻次如圖2。

圖2 回采期間微震總能量、頻次圖Fig.2 Total micro-seismic energy and frequency period of mining

選取2019年2月7日至3月7日工作面回采區(qū)域微震事件波形，采用震動波CT反演技術(shù)對回采區(qū)域煤巖體波速分布進行反演分析[19]，工作面回采區(qū)域震動波CT反演圖如圖3。

圖3 工作面回采區(qū)域震動波CT反演圖Fig.3 CT inversion diagram of seismic wave in mining area of working face

由圖3可知，工作面超前區(qū)域、保護煤柱區(qū)波速水平高（波速普遍大于5.0 km/s），波速異常系數(shù)值高（An指數(shù)普遍大于0.15），表明工作面后續(xù)期間沖擊危險性高。

2 孤島煤柱應(yīng)力分布特征

2.1 保護煤柱寬度分析

對于兩側(cè)采空下的孤島煤柱，煤體應(yīng)力分布形態(tài)主要與開采活動引起的支承應(yīng)力影響距離s和煤柱寬度d密切相關(guān)[20]。

當d＞2s時，孤島煤柱應(yīng)力呈“雙峰型”分布，煤柱中央無應(yīng)力集中現(xiàn)象；當2s＞d＞s時，孤島煤柱應(yīng)力呈“馬鞍型”分布，煤柱中央出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；當d＜s時，孤島煤柱應(yīng)力呈“單峰型”分布，煤柱中央應(yīng)力集中程度高?；?008工作面開采數(shù)據(jù)統(tǒng)計，工作面正常開采時引起的超前支承應(yīng)力影響區(qū)域一般為工作面前方90 m范圍。因此，對7008工作面區(qū)段保護煤柱而言，當工作面回采結(jié)束時，保護煤柱寬度為175 m，煤柱區(qū)應(yīng)力分布呈“馬鞍形”分布，7008工作面超前支承應(yīng)力影響區(qū)域與東部采空區(qū)支承應(yīng)力影響區(qū)域在煤柱中央進行一定程度上的疊加，煤柱中央?yún)^(qū)域應(yīng)力值開始上升且大于原巖應(yīng)力值，此時采區(qū)保護煤柱區(qū)沖擊地壓危險程度增加。保護煤柱區(qū)應(yīng)力分布特征如圖4。

圖4 保護煤柱區(qū)應(yīng)力分布特征Fig.4 Stress distribution characteristics in protective coal pillar area

2.2 數(shù)值模擬

為了研究7008工作面回采前后對采區(qū)保護煤柱區(qū)的應(yīng)力分布影響，根據(jù)采區(qū)實際地質(zhì)條件、開采現(xiàn)狀建立了FLAC3D數(shù)值模型。模型尺寸：3 900 m×1 800 m×400 m（長×寬×高）。模型四周進行水平位移固定，底部施加水平、垂直位移約束，模型頂部為自由面，上覆巖層采用均布載荷代替。煤巖體力學參數(shù)見表1。

表1 煤巖體力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of coal and rock mass

根據(jù)采區(qū)工作面實際開采順序進行模型開挖，7008工作面回采前后，保護煤柱區(qū)應(yīng)力分布如圖5。由圖5可知，工作面回采后，保護煤柱區(qū)高應(yīng)力區(qū)范圍擴大明顯，應(yīng)力集中程度提高。表明當7008工作面按原設(shè)計回采后，煤柱區(qū)孤島效應(yīng)進一步提升，采區(qū)大巷沖擊危險性進一步提高。

圖5 工作面回采前后應(yīng)力分布圖Fig.5 Stress distribution map before and after the mining of the working face

3 終采線位置優(yōu)化設(shè)計

基于前述采區(qū)下山煤柱區(qū)誘沖因素分析可知，煤柱區(qū)應(yīng)力分布呈“馬鞍型”分布，受兩側(cè)采空的孤島效應(yīng)影響，煤柱區(qū)應(yīng)力開始集中。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，7008工作面回采結(jié)束后，煤柱區(qū)高應(yīng)力集中區(qū)域范圍進一步擴大，集中程度進一步升高。表明按工作面原先設(shè)計停采線進行回采后，煤柱區(qū)危險程度加劇，同時工作面回采末期沖擊地壓危險性明顯增加。2019年1月至3月微震數(shù)據(jù)變化（微震總能量、頻次呈上升趨勢）反映出隨工作面回采臨近原設(shè)計停采線，工作面、煤柱區(qū)沖擊危險性升高。針對采區(qū)下山煤柱兩側(cè)大范圍采空條件下7008工作面停采線位置沖擊地壓影響問題，進行了工作面終采線位置優(yōu)化設(shè)計。

截止2019年3月7日，工作面回采位置距切眼約870 m，工作面設(shè)計終采線位置距切眼930 m，但為充分了解隨工作面的開采，工作面煤體超前應(yīng)力分布特征變化規(guī)律，對終采線優(yōu)化模擬方案進行適當擴充，即終采線位置模擬由距切眼790 m處開始，至距切眼960 m處結(jié)束（與西部采空區(qū)停采線對齊布置）。

7008工作面不同終采線位置下的煤柱區(qū)應(yīng)力分布圖如圖6（距切眼880～930 m的模擬結(jié)果）。由圖6可知，隨著工作面臨近下山煤柱期間，煤柱區(qū)應(yīng)力集中范圍逐漸擴大，應(yīng)力集中程度明顯增加。表明受7008工作面超前支承壓力和已采工作面?zhèn)认蛑С袎毫餐饔?，煤柱區(qū)應(yīng)力集中程度始終處于較高狀態(tài)。

圖6 不同開采尺度下煤柱區(qū)應(yīng)力分布圖Fig.6 Stress distribution in pillar area under different mining scales

不同終采線位置下的工作面前方煤體應(yīng)力分布曲線如圖7。由圖7可知，隨7008工作面向終采線正?；夭蓵r，工作面前方煤柱區(qū)支承壓力曲線出現(xiàn)2個峰值，呈“馬鞍型”分布。第1個峰值由工作面超前支承應(yīng)力與西部采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力相互疊加所致，出現(xiàn)在工作面前方約30 m位置處，垂直應(yīng)力由34.9 MPa升高到40.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)由1.73升高到2.01；第2個應(yīng)力峰值由7008工作面超前支承應(yīng)力與東部采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力共同所致，出現(xiàn)在距東部采空區(qū)40～80 m范圍內(nèi)，應(yīng)力峰值從44.4 MPa升高到51.7 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)從2.20升高到2.56，并且垂直應(yīng)力峰值逐漸向7008工作面靠近，表明隨著7008工作面不斷向前回采，工作面超前支承應(yīng)力與采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力相互疊加，使得保護煤柱區(qū)垂直應(yīng)力增量緩慢增加。

圖7 工作面前方煤體應(yīng)力分布圖Fig.7 Stress distribution diagram in front of working face

隨著工作面回采支承應(yīng)力影響范圍的逐步增大，從回采920 m處開始采區(qū)下山保護煤柱區(qū)支承應(yīng)力曲線由“馬鞍型”逐漸向“單峰型”過渡，表明受7008工作面超前支承應(yīng)力與東部采空區(qū)支承應(yīng)力的疊加影響，采區(qū)下山保護煤柱區(qū)應(yīng)力集中程度明顯升高，預(yù)計工作面回采到此區(qū)域時頂板將發(fā)生明顯下沉，導(dǎo)致煤體發(fā)生劇烈壓裂壓脹破壞，附近巷道變形強烈，且支承應(yīng)力在此區(qū)域內(nèi)劇烈變化。

綜上可知，7008工作面合理留設(shè)的保護煤柱應(yīng)避開東部和西部采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力影響區(qū)，即，7008工作面終采線優(yōu)化后，留設(shè)位置距切眼距離不應(yīng)大于920 m。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

隨著7008工作面開采范圍增大，西部采空區(qū)采空范圍進一步增大，加之保護煤柱區(qū)孤島效應(yīng)的逐步體現(xiàn)，工作面回采期間沖擊危險性增大。

根據(jù)2019年3月7日至3月17日，工作面回采期間的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)可知（工作面進尺約14 m），微震日釋放總能量整體上仍處于上升趨勢，日頻次整體變化不明顯，表明單個微震事件釋放的能量增大，大能量事件開始出現(xiàn)。微震監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了模擬方案中隨著工作面的進一步開采煤柱區(qū)應(yīng)力集中程度增高和工作面、煤柱區(qū)沖擊危險性提高的結(jié)果性。

基于工作面現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬及理論分析結(jié)果，現(xiàn)場在優(yōu)化設(shè)計停采線的前提下，加強人員管控力度，加大煤體卸壓力度和超前支護強度以及降低工作面推進速度的綜合管控下，工作面在距切眼900 m處完成回采任務(wù)。

7008工作面走向上共計回采900 m，比設(shè)計終采線提前30 m停止回采，工作面段保護煤柱寬度由175 m增加至205 m，此時，煤柱寬度d與支承應(yīng)力影響范圍s二者關(guān)系為：d＞2s，工作面段孤島煤柱區(qū)應(yīng)力呈“雙峰型”分布，煤柱中央無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，有效降低了煤柱區(qū)中央煤巖體的應(yīng)力集中程度，同時為采區(qū)內(nèi)后續(xù)工作面開采提供了有利條件。

5 結(jié)語

1）工作面段保護煤柱區(qū)應(yīng)力分布特征呈“馬鞍形”分布；工作面微震日釋放總能量、日頻次整體上呈現(xiàn)上升趨勢，煤柱孤島效應(yīng)開始顯現(xiàn)。

2）隨著工作面的開采范圍增大，保護煤柱區(qū)應(yīng)力集中區(qū)域逐漸擴大，應(yīng)力集中程度升高，煤柱區(qū)支承壓力曲線由“雙峰型”逐漸向“單峰型”過渡。

3）基于工作面現(xiàn)場條件和理論分析、數(shù)值模擬結(jié)果在加強人員管控、卸壓力度等措施的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了停采線留設(shè)位置，將停采線內(nèi)錯原停采線30 m布置，有效保障了工作面回采末期的安全生產(chǎn)。