基于防沖的孤島工作面分類及應(yīng)用研究*

楊偉利，魏全德，曲效成，劉維信，張假妮

(1. 中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2. 北京安科興業(yè)礦山安全技術(shù)研究院有限公司，北京 102299；3. 北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100083；4. 山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟(jì)寧 272072)

0 引言

近幾年來，易采煤炭資源逐漸采畢，諸多煤礦涉足孤島工作面開采，導(dǎo)致孤島工作面沖擊地壓災(zāi)害頻發(fā)，給煤礦帶來了巨大損失[1-4]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)[5-6]，截止2016年底，國內(nèi)沖擊地壓礦井有178個，這些礦井都或多或少存在孤島工作面。為了有效控制孤島工作面沖擊地壓，國內(nèi)學(xué)者對孤島工作面沖擊地壓防治進(jìn)行了大量研究，如竇林名等[7]通過研究孤島工作面開采中的圍巖應(yīng)力提出了基于監(jiān)測的沖擊地壓預(yù)報(bào)和控制技術(shù)；姜福興等[8]通過分析研究臨場監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了四面采空“孤島”采場的頂板結(jié)構(gòu)和相關(guān)礦壓控制技術(shù)；王宏偉等[9]通過現(xiàn)場監(jiān)測確定了孤島工作面發(fā)生沖擊失穩(wěn)的危險區(qū)域；楊光宇等[10]綜合考慮沖擊地壓災(zāi)害防治、次生災(zāi)害控制以及巷道支護(hù)等因素，確定了孤島工作面合理留設(shè)寬度；于正興等[11]提出了預(yù)測孤島工作面沖擊危險性的宏觀評價方法。上述研究成果對孤島工作面沖擊地壓防治起到了積極作用，但尚未提出對孤島工作面沖擊地壓實(shí)施“分類防治”的思路。

隨著孤島工作面沖擊類型日益復(fù)雜，分類防治已成為治理孤島工作面沖擊地壓災(zāi)害的必由之路[12]，而分類防治的前提必須基于防沖對孤島工作面進(jìn)行科學(xué)分類。為此本文開展基于防沖的孤島工作面分類研究，研究成果對孤島工作面沖擊地壓實(shí)施分類防治具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 基于防沖的孤島面分類

通過對國內(nèi)多個煤礦孤島工作面開采情況進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)主要存在以下3種情況。

1)可采孤島工作面

某礦3201下工作面為可采孤島工作面，形如“刀把”形孤島面，如圖1(a)所示。孤島面北部為3202，3204，3206和3208采空區(qū)連通形成的大面積采空區(qū)；南部為3201采空區(qū)；開采煤層為3上煤層，采深620 m，均厚2.6 m，傾角7°；煤層上覆巖層中不存在厚硬巖；采用綜采放頂煤開采法，垮落法管理頂板。

3201下孤島面于2012年始采，2013年采畢?；夭芍谐s面區(qū)域動壓較劇烈外，工作面整體應(yīng)力較低，圖1(b)和(c)為孤島面開采中軌道巷和運(yùn)輸巷2巷道煤體應(yīng)力監(jiān)測云圖，從圖1中可以看出，除軌道巷道第9組測站煤體相對應(yīng)力為9.8 MPa外，其他測站相對應(yīng)力一般不超過5 MPa。

圖1 3201下孤島面開采平面圖及監(jiān)測應(yīng)力云圖Fig.1 The mining plan and monitoring stress nephogram of 3201 xia isolated island working face

2)不可采孤島工作面

某礦1305工作面為不可采孤島工作面，孤島面南部為1306和1307采空區(qū)，北部為1304采空區(qū)，1305孤島面采掘平面圖及沖擊位置如圖2所示。孤島面平均采深980 m；煤層均厚6.02 m，傾角平均3°；直接頂為厚2.8 m粉砂巖，基本頂為厚20 m中砂巖。

2015年，當(dāng)1305孤島面平均推進(jìn)3.3 m時，工作面發(fā)生整體失穩(wěn)沖擊，沖擊釋放能量2.5×106J，震級2.3級，沖擊位置為工作面及超前巷道，如圖2中灰色標(biāo)注區(qū)域。嚴(yán)重的沖擊地壓災(zāi)害抵消了開采取得的效益，因此1305孤島面不可采。

圖2 1305孤島面采掘平面圖及沖擊位置Fig.2 The excavation plan and impact location of 1305 isolated island working face

3)采取措施后可采孤島工作面

某礦2303孤島面位置如圖3所示，東到北翼大巷，南鄰2302采空區(qū)，西距2300采空區(qū)28～58 m，北鄰2304采空區(qū)。孤島面采深547.4 m，開采煤層均厚5.97 m，傾角平均6°；煤層直接頂為厚5.4 m粉砂巖，基本頂為厚12.0 m中砂巖。2303孤島面切眼區(qū)域曾出現(xiàn)劇烈動力顯現(xiàn)，巷道底板在半小時內(nèi)鼓起0.5 m，以此確定2303孤島面回采中存在嚴(yán)重沖擊危險。

針對2303孤島面具體條件制定了專項(xiàng)防沖措施：開采前先進(jìn)行沖擊危險性預(yù)測，確定孤島面開采初期的煤柱區(qū)域、基本頂初次來壓和斷層帶為高度危險區(qū)；開采中采用先進(jìn)儀器實(shí)時監(jiān)測，并及時采取卸壓措施，使工作面安全通過了沖擊危險區(qū)，實(shí)現(xiàn)了孤島面的安全開采。

圖3 2303孤島工作面開采平面圖[7]Fig.3 The mining plan of 2303 isolated island working face

綜上所述，煤礦中有些孤島面可采，有些孤島面不可采，有些孤島面采取措施后可采。因孤島工作面的可采性不明而盲目開采，影響到?jīng)_擊地壓防治效果，甚至付出沉重代價。因此，需要對孤島工作面可采性進(jìn)行準(zhǔn)確評估，并在此基礎(chǔ)上對孤島工作面沖擊地壓實(shí)施“分類防治”勢在必行，而基于防沖對孤島工作面進(jìn)行科學(xué)分類是關(guān)鍵。

2 基于防沖的孤島工作面分類研究

2.1 孤島工作面沖擊本質(zhì)原因分析

大量現(xiàn)場調(diào)研和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致孤島工作面沖擊的主要因素有3個[13]：一是孤島工作面煤巖具有沖擊傾向特性；二是孤島工作面煤巖體的結(jié)構(gòu)特性，指煤層內(nèi)存在軟弱夾層；三是孤島工作面的高應(yīng)力。這3個因素中，高應(yīng)力是決定孤島工作面是否沖擊的最主要因素。典型孤島面高應(yīng)力形成過程如圖4所示。由圖4可知，工作面1開采后，所形成的采空區(qū)1上覆懸露巖層重量向?qū)嶓w煤側(cè)轉(zhuǎn)移而形成如圖4(a)所示側(cè)向支承壓力分布。采空區(qū)2形成后，亦在實(shí)體煤側(cè)形成支承壓力，并和采空區(qū)1側(cè)向支承壓力在實(shí)體煤(孤島工作面)上疊加導(dǎo)致孤島面應(yīng)力集中程度增大，如圖4(b)所示。若孤島工作面煤巖具有沖擊傾向，且達(dá)到了非穩(wěn)定動態(tài)平衡狀態(tài)，當(dāng)受到外界擾動后即發(fā)生沖擊地壓。

圖4 典型孤島面高應(yīng)力形成示意Fig.4 The diagram of high stress formation on typical isolated island working face

圖4中的孤島為同層煤采空區(qū)分割煤層形成的應(yīng)力孤島，即常規(guī)應(yīng)力孤島。實(shí)際上，不同層煤采空區(qū)，以及巷道、斷層、褶曲、陷落柱、火成巖侵入、相變等隱性因素均能切割煤層使得被影響區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力疊加而形成應(yīng)力孤島，均具有沖擊危險。因此，孤島工作面沖擊的實(shí)質(zhì)為應(yīng)力問題，這決定孤島工作面防沖必須首先基于孤島工作面高應(yīng)力形成原因?qū)ζ溥M(jìn)行分類，然后才能制定基于控制應(yīng)力的防沖措施。

2.2 基于防沖的孤島工作面分類

通過研究國內(nèi)多個煤礦孤島工作面沖擊地壓發(fā)生條件和特點(diǎn)，根據(jù)孤島工作面高應(yīng)力形成原因，將孤島工作面分為以下6類。

1)充分采動孤島工作面

孤島工作面兩側(cè)煤層開采范圍增大到某一尺寸后，采空區(qū)覆巖垮落到地表，垮落巖層被壓實(shí)，地表下沉盆地中央出現(xiàn)平底結(jié)構(gòu)，且沉降停止，此種覆巖空間結(jié)構(gòu)孤島面為充分采動孤島工作面。充分采動孤島工作面由于兩側(cè)采空區(qū)上覆巖層重新壓實(shí)，主要為巖層重量形成的自重應(yīng)力，因此幾乎不存在應(yīng)力疊加，孤島工作面煤體恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)如圖5所示。圖1中3201下孤島面能夠安全開采的主要原因是該孤島面北部為大面積充分采動采空區(qū)。

圖5 充分采動孤島面沿傾向剖面示意Fig.5 The diagram of dip section of isolated island working face which is fully mining

2)非充分采動孤島工作面

由于孤島面上覆巖層硬度較大且兩側(cè)采空區(qū)面積較小，煤層采出后，孤島工作面兩側(cè)采空區(qū)覆巖一定范圍內(nèi)巖層破斷垮落到采空區(qū)形成垮落帶；而垮落帶上方至地表懸跨巖層未大面積斷裂破壞導(dǎo)致地表沉降，此種覆巖結(jié)構(gòu)孤島工作面為非充分采動孤島工作面。由于兩側(cè)采空區(qū)上覆巖層存在懸露巖層，懸露巖層重量產(chǎn)生的應(yīng)力和上覆巖層自重應(yīng)力疊加而在實(shí)體煤側(cè)形成側(cè)支承壓力，采空區(qū)兩側(cè)支承壓力疊加使得孤島面產(chǎn)生應(yīng)力集中。非充分采動孤島面沿傾向剖面示意如圖6所示。非充分采動孤島面在煤礦比較常見。

圖6 非充分采動孤島面沿傾向剖面示意Fig.6 The diagram of dip section of isolated island working face which is non-full mining

3)充分-非充分采動孤島工作面

孤島工作面一側(cè)采空區(qū)面積較大，覆巖垮落運(yùn)動發(fā)展到地表，且地表沉降處于穩(wěn)定狀態(tài)；而另一側(cè)采空區(qū)面積較小，采空區(qū)覆巖僅在一定范圍內(nèi)形成垮落帶，垮落帶上方直至地表懸跨巖層結(jié)構(gòu)完整，地表未出現(xiàn)沉降，此種覆巖結(jié)構(gòu)孤島工作面是介于充分和非充分采動孤島工作面之間的情況，本文稱之為充分-非充分采動孤島工作面。此類孤島工作面在靠近非充分采動采空區(qū)一側(cè)應(yīng)力集中程度較大，沖擊危險性較強(qiáng)，而另一側(cè)應(yīng)力集中程度較小，沖擊危險性隨之降低。充分-非充分采動孤島工作面沿傾向剖面示意如圖7所示。梁寶寺煤礦在開采中曾出現(xiàn)過這類孤島工作面。

圖7 充分-非充分采動孤島面沿傾向剖面示意Fig.7 The diagram of dip section of isolated island working under full-inadequate mining

圖5～7為同層煤孤島面兩側(cè)為采空區(qū)時情況。當(dāng)孤島工作面被多個采空區(qū)包圍時，依次稱為“三面采空孤島工作面”、“四面采空孤島工作面”。孤島工作面周圍采空區(qū)越多，孤島面上應(yīng)力疊加程度越大，沖擊危險性則越強(qiáng)。

4)立體孤島工作面(也稱“空間孤島”)

立體孤島面是由不同層煤采空區(qū)分割煤層形成的孤島工作面，如圖8所示。上層煤工作面1開采后在實(shí)體煤側(cè)形成采空區(qū)1側(cè)向支承壓力，該支承壓力向下傳遞，和下層煤采空區(qū)2側(cè)向支承壓力疊加，受疊加應(yīng)力影響區(qū)域形成立體孤島面。圖9為數(shù)值計(jì)算揭示的立體孤島工作面疊加應(yīng)力分布，從圖9可以看出，立體孤島工作面疊加應(yīng)力集中程度較大，極具沖擊危險。

立體孤島工作面根據(jù)上、下層煤采空區(qū)是否充分采動又分為上層煤采空區(qū)充分采動而下層煤采空區(qū)非充分采動，上層煤采空區(qū)非充分采動而下層煤采空區(qū)充分采動，上、下層煤采空區(qū)充分采動，上、下層煤采空區(qū)非充分采動4種情況。

圖8 立體孤島面沿傾向剖面示意Fig.8 The diagram of dip section of stereoscopic isolated island working face

圖9 立體孤島面沿傾向應(yīng)力數(shù)值模擬云圖Fig.9 The numerical simulation cloud along the stereoscopic isolated island working face’s dip section

5)“隱性”孤島工作面

由斷層、褶曲、陷落柱、火成巖侵入、相變等地質(zhì)構(gòu)造切割煤層形成，此類孤島工作面易被忽略，本文稱之為“隱性”孤島工作面。以正斷層切割煤層形成隱性孤島面為例進(jìn)行分析。圖10為正斷層切割煤層形成隱性孤島面示意圖，從圖10中看出，孤島工作面上存在構(gòu)造應(yīng)力疊加，因此存在沖擊危險，如北京昊華礦業(yè)公司木城澗礦曾發(fā)生過斷層切割成的孤島工作面沖擊地壓災(zāi)害。

圖10 斷層切割煤層形成孤島面示意Fig.10 The diagram of isolated island working formed by fault cutting Coal Seam

6)復(fù)合孤島工作面

由不同種類沖擊危險因素切割煤層形成的孤島面為復(fù)合孤島工作面。以構(gòu)造-采空區(qū)分割煤層形成的孤島工作面為例進(jìn)行說明。圖11為某礦由采空區(qū)和斷層分割成的7439孤島工作面。孤島面南部為F7正斷層，落差10.5 m，傾角75°；北部為7419采空區(qū)。

圖11 構(gòu)造-采空區(qū)分割的孤島面平面圖Fig.11 The plan of isolated island working face formed by structure and goaf separating Coal Seam

圖12為7439孤島面軌道巷道距切眼180 m測站應(yīng)力變化曲線。由圖12(a)看出，該測站應(yīng)力曲線明顯分為2段：2012年12月10日至12月16日(工作面距測站94～78 m)，該段時間內(nèi)測站不受采動應(yīng)力影響，曲線平穩(wěn)，但一直處于高應(yīng)力狀態(tài)，說明該區(qū)域存在斷層構(gòu)造應(yīng)力和采空區(qū)側(cè)向支承壓力疊加影響。2012年12月16日至2013年1月2日(工作面距離測站78～10 m)，該段時間內(nèi)采動應(yīng)力與孤島面應(yīng)力疊加，且工作面距測站越近，疊加程度越大，至2013年1月2日，工作面距測站10 m時淺部測點(diǎn)應(yīng)力超過25 MPa。臨場監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證由采空區(qū)和斷層構(gòu)造分割形成的孤島面也具有沖擊危險性。

圖12 軌順測站應(yīng)力變化Fig.12 The stress variation curve of a survey station in the track transportation tunnel(2012/12/10～2013/1/2)

3 工程應(yīng)用

基于防沖的孤島工作面分類可應(yīng)用于孤島面采前沖擊危險性評估，以確定孤島工作面的可采性，然后再對孤島面沖擊地壓實(shí)施分類防治，從而達(dá)到事半功倍的效果。以某礦3328孤島面沖擊地壓防治為例進(jìn)行分析。

3.1 3328孤島面概況

某礦3328孤島面三維內(nèi)開采情況如圖13所示。孤島面西北側(cè)25 m為寬度201 m的同層煤3318采空區(qū)；孤島面上方69 m外側(cè)為上層煤寬度180 m的3227采空區(qū)，在水平方向上距3328孤島工作面63～142 m。孤島面寬105 m，煤層采高3.7 m，均厚30 m，煤體具有強(qiáng)沖擊傾向，單軸抗壓強(qiáng)度19 MPa；孤島面埋深890～925 m；煤層頂、底板為泥質(zhì)粉砂巖和砂巖，厚度57～81 m，再向上至地表主要為砂頁巖巖層；3227采空區(qū)煤層開采厚度2.6 m。

圖13 某礦3328孤島面地質(zhì)平面圖Fig.13 The geological plan of 3328 isolated island working face of a coal mine

3.2 3328孤島面所屬類型及可采性分析

由3328孤島工作面三維空間內(nèi)煤層開采情況，可知該孤島工作面屬于第4類，即立體孤島工作面；3328孤島面切眼區(qū)域煤體受疊加應(yīng)力(為3227采空區(qū)側(cè)向支承壓力傳遞應(yīng)力和3318采空區(qū)側(cè)向支承壓力疊加)影響最大，如果該區(qū)域沖擊地壓可控，則整個孤島工作面可采。采用文獻(xiàn)[14-15]提出的基于防沖的孤島工作面可采性識別方法進(jìn)行計(jì)算，得到3318采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布函數(shù)和3227采空區(qū)側(cè)向支承壓力向下傳遞應(yīng)力分布函數(shù)分別如式(1)和(2)所示，將兩式疊加后再乘以采動系數(shù)1.4，得到3328立體孤島面切眼區(qū)域煤體支承壓力分布，如圖14所示。從圖14中可以看出，3328孤島工作面彈性區(qū)寬度約為70 m，采用文獻(xiàn)[14-15]提出的估算方法進(jìn)一步計(jì)算，得到寬度約為70 m的彈性區(qū)承載的平均應(yīng)力為63.6 MPa，小于孤島面整體失穩(wěn)沖擊判斷線，依此判斷3328立體孤島面開采中不會整體失穩(wěn)沖擊(即可采)，但存在局部沖擊危險(3328立體孤島工作面2條順槽圍巖應(yīng)力超過了局部沖擊應(yīng)力判斷曲線)。

(1)

(2)

圖14 3328孤島面切眼區(qū)域煤體沿傾向支承壓力分布Fig.14 The abutment pressure distribution of dip section of 3328 isolated island working face’s Cut

3)3328立體孤島面局部沖擊地壓防治

3328孤島面沖擊地壓防治要針對局部沖擊進(jìn)行。3328孤島面開采中有多個區(qū)域發(fā)生局部沖擊，沖擊區(qū)域中心位置如圖13中圓圈標(biāo)注。為防止3328孤島面再發(fā)生局部沖擊，特制定了如下防治措施：

(1)對巷道兩幫施工大直徑鉆孔形成卸壓保護(hù)帶

3328孤島面回風(fēng)巷道煤柱側(cè)、實(shí)體煤側(cè)巷幫分別施工孔徑110 mm、孔深13 m、間距1.5 m和孔徑110 mm、孔深15 m、間距2 m的大直徑鉆孔卸壓措施；孤島面運(yùn)輸巷道兩幫分別施工孔徑110 mm、孔深15 m、間距1.5 m的大直徑鉆孔卸壓措施。

(2)基于監(jiān)測的加密卸壓措施

孤島面應(yīng)力集中程度較大，卸壓區(qū)域煤體在高應(yīng)力下會被壓實(shí)再次成為承載體，從而使得應(yīng)力峰值回遷。在卸壓帶內(nèi)布置應(yīng)力測站對煤體應(yīng)力實(shí)時在線監(jiān)測，測站布置位置如圖13所示，每個測站內(nèi)設(shè)置2個應(yīng)力測點(diǎn)，深度分別為9和15 m。發(fā)現(xiàn)應(yīng)力升高，果斷實(shí)施加密卸壓鉆孔，直至危險區(qū)域應(yīng)力降到10 MPa以下。

(3)加強(qiáng)超前支護(hù)

超前工作面60 m布置單體支柱進(jìn)行支護(hù)，并將單體支柱之間采用拉桿連接，提高支護(hù)的整體性。

通過對3328立體孤島面實(shí)施上述防沖措施，實(shí)現(xiàn)了孤島工作面的安全開采。

4 結(jié)論

1)除同層煤采空區(qū)能夠分割煤層形成應(yīng)力孤島外，不同層煤采空區(qū)，以及巷道、斷層、褶曲、陷落柱、火成巖侵入、相變等隱性因素均能分割煤層形成孤島工作面。

2)基于孤島面高應(yīng)力形成原因，從防沖控制應(yīng)力角度出發(fā)將孤島工作面分為充分采動孤島面、非充分采動孤島面、充分-非充分采動孤島面、立體孤島面、“隱性”孤島面和復(fù)合孤島面6類。

3)基于防沖的孤島工作面分類可應(yīng)用于孤島面采前沖擊危險性評估，以確定孤島工作面的可采性，然后針對高應(yīng)力形成原因?qū)聧u面沖擊地壓實(shí)施分類防治。