基于防沖的孤島工作面分類(lèi)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(lái)，易采煤炭資源逐漸采畢，諸多煤礦涉足孤島工作面開(kāi)采，導(dǎo)致孤島工作面沖擊地壓災(zāi)害頻發(fā)，給煤礦帶來(lái)了巨大損失[1-4]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)[5-6]，截止2016年底，國(guó)內(nèi)沖擊地壓礦井有178個(gè)，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(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)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(guò)研究孤島工作面開(kāi)采中的圍巖應(yīng)力提出了基于監(jiān)測(cè)的沖擊地壓預(yù)報(bào)和控制技術(shù)；姜福興等[8]通過(guò)分析研究臨場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了四面采空“孤島”采場(chǎng)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)確定了孤島工作面發(fā)生沖擊失穩(wěn)的危險(xiǎn)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(cè)孤島工作面沖擊危險(xiǎn)性的宏觀(guān)評(píng)價(jià)方法。上述研究成果對(duì)孤島工作面沖擊地壓防治起到了積極作用，但尚未提出對(duì)孤島工作面沖擊地壓實(shí)施“分類(lèi)防治”的思路。

隨著孤島工作面沖擊類(lèi)型日益復(fù)雜，分類(lèi)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(lèi)防治的前提必須基于防沖對(duì)孤島工作面進(jìn)行科學(xué)分類(lèi)。為此本文開(kāi)展基于防沖的孤島工作面分類(lèi)研究，研究成果對(duì)孤島工作面沖擊地壓實(shí)施分類(lèi)防治具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 基于防沖的孤島面分類(lèi)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)多個(gè)煤礦孤島工作面開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(dòng)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(kāi)采中軌道巷和運(yùn)輸巷2巷道煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)云圖，從圖1中可以看出，除軌道巷道第9組測(cè)站煤體相對(duì)應(yīng)力為9.8 MPa外，其他測(cè)站相對(duì)應(yīng)力一般不超過(guò)5 MPa。

圖1 3201下孤島面開(kāi)采平面圖及監(jiān)測(cè)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(shí)，工作面發(fā)生整體失穩(wěn)沖擊，沖擊釋放能量2.5×106J，震級(jí)2.3級(jí)，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(kāi)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(kāi)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(dòng)力顯現(xiàn)，巷道底板在半小時(shí)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(xiǎn)。

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

圖3 2303孤島工作面開(kāi)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(kāi)采，影響到?jīng)_擊地壓防治效果，甚至付出沉重代價(jià)。因此，需要對(duì)孤島工作面可采性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上對(duì)孤島工作面沖擊地壓實(shí)施“分類(lèi)防治”勢(shì)在必行，而基于防沖對(duì)孤島工作面進(jìn)行科學(xué)分類(lèi)是關(guān)鍵。

2 基于防沖的孤島工作面分類(lèi)研究

2.1 孤島工作面沖擊本質(zhì)原因分析

大量現(xiàn)場(chǎng)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(gè)[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(gè)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(guò)程如圖4所示。由圖4可知，工作面1開(kāi)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(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，當(dāng)受到外界擾動(dòng)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(xiǎn)。因此，孤島工作面沖擊的實(shí)質(zhì)為應(yīng)力問(wèn)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(lèi)，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(lèi)

通過(guò)研究國(guó)內(nèi)多個(gè)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(lèi)。

1)充分采動(dòng)孤島工作面

孤島工作面兩側(cè)煤層開(kāi)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(dòng)孤島工作面。充分采動(dòng)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(kāi)采的主要原因是該孤島面北部為大面積充分采動(dòng)采空區(qū)。

圖5 充分采動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)孤島面沿傾向剖面示意如圖6所示。非充分采動(dòng)孤島面在煤礦比較常見(jiàn)。

圖6 非充分采動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)孤島工作面之間的情況，本文稱(chēng)之為充分-非充分采動(dòng)孤島工作面。此類(lèi)孤島工作面在靠近非充分采動(dòng)采空區(qū)一側(cè)應(yīng)力集中程度較大，沖擊危險(xiǎn)性較強(qiáng)，而另一側(cè)應(yīng)力集中程度較小，沖擊危險(xiǎn)性隨之降低。充分-非充分采動(dòng)孤島工作面沿傾向剖面示意如圖7所示。梁寶寺煤礦在開(kāi)采中曾出現(xiàn)過(guò)這類(lèi)孤島工作面。

圖7 充分-非充分采動(dòng)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(shí)情況。當(dāng)孤島工作面被多個(gè)采空區(qū)包圍時(shí)，依次稱(chēng)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?chē)煽諈^(qū)越多，孤島面上應(yīng)力疊加程度越大，沖擊危險(xiǎn)性則越強(qiáng)。

4)立體孤島工作面(也稱(chēng)“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(kāi)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(xiǎn)。

立體孤島工作面根據(jù)上、下層煤采空區(qū)是否充分采動(dòng)又分為上層煤采空區(qū)充分采動(dòng)而下層煤采空區(qū)非充分采動(dòng)，上層煤采空區(qū)非充分采動(dòng)而下層煤采空區(qū)充分采動(dòng)，上、下層煤采空區(qū)充分采動(dòng)，上、下層煤采空區(qū)非充分采動(dòng)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(lèi)孤島工作面易被忽略，本文稱(chēng)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(xiǎn)，如北京昊華礦業(yè)公司木城澗礦曾發(fā)生過(guò)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(lèi)沖擊危險(xiǎn)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(shuō)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(cè)站應(yīng)力變化曲線(xiàn)。由圖12(a)看出，該測(cè)站應(yīng)力曲線(xiàn)明顯分為2段：2012年12月10日至12月16日(工作面距測(cè)站94～78 m)，該段時(shí)間內(nèi)測(cè)站不受采動(dòng)應(yīng)力影響，曲線(xiàn)平穩(wěn)，但一直處于高應(yīng)力狀態(tài)，說(shuō)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(cè)站78～10 m)，該段時(shí)間內(nèi)采動(dòng)應(yīng)力與孤島面應(yīng)力疊加，且工作面距測(cè)站越近，疊加程度越大，至2013年1月2日，工作面距測(cè)站10 m時(shí)淺部測(cè)點(diǎn)應(yīng)力超過(guò)25 MPa。臨場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(xiǎn)性。

圖12 軌順測(cè)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(lèi)可應(yīng)用于孤島面采前沖擊危險(xiǎn)性評(píng)估，以確定孤島工作面的可采性，然后再對(duì)孤島面沖擊地壓實(shí)施分類(lèi)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(kāi)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(yè)巖巖層；3227采空區(qū)煤層開(kāi)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(lèi)型及可采性分析

由3328孤島工作面三維空間內(nèi)煤層開(kāi)采情況，可知該孤島工作面屬于第4類(lèi)，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(gè)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(shí)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(dòng)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(xiàn)，依此判斷3328立體孤島面開(kāi)采中不會(huì)整體失穩(wěn)沖擊(即可采)，但存在局部沖擊危險(xiǎn)(3328立體孤島工作面2條順槽圍巖應(yīng)力超過(guò)了局部沖擊應(yīng)力判斷曲線(xiàn))。

(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(duì)局部沖擊進(jìn)行。3328孤島面開(kāi)采中有多個(gè)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(duì)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(cè)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(huì)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(cè)站對(duì)煤體應(yīng)力實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，測(cè)站布置位置如圖13所示，每個(gè)測(cè)站內(nèi)設(shè)置2個(gè)應(yīng)力測(cè)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(xiǎn)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(guò)對(duì)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(kāi)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(dòng)孤島面、非充分采動(dòng)孤島面、充分-非充分采動(dòng)孤島面、立體孤島面、“隱性”孤島面和復(fù)合孤島面6類(lèi)。

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