不規(guī)則孤島工作面采動應力演化特征

喬 沖 王 川

（棗莊礦業(yè)（集團）有限責任公司田陳煤礦，山東 滕州 277532）

在采煤過程中，由于采煤工藝或生產(chǎn)地質(zhì)條件的原因，會留下或多或少的形狀不規(guī)則煤柱，這些煤柱稱之為復雜煤柱。隨著開采活動的進行，不規(guī)則煤柱遺留的情況越來越多，并且儲量還十分可觀。為了提高煤炭采出率，降低資源浪費，我們不得不將不規(guī)則煤柱開采出來。但是，在周邊采動影響下，煤柱在回采前應力集中程度往往較高，在回采期間采動應力的疊加影響下不規(guī)則煤柱開采很容易形成沖擊地壓事故[1-3]。不規(guī)則煤柱開采發(fā)生沖擊地壓的原因有兩個方面：（1）不規(guī)則煤柱回采采動應力演化規(guī)律掌握不明，覆巖運動規(guī)律揭示不清；（2）不規(guī)則煤柱沖擊地壓的預測預報、解危措施不到位，管理者及工人防沖意識淡薄，責任不明晰[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)過前期兩個分層工作面開采，地表已經(jīng)形成穩(wěn)定的塌陷區(qū)，預計本工作面開采將使塌陷程度進一步加深。煤層埋藏深度為627～711 m，處于沖擊地壓危險性升高階段，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

為了預測回采期間不規(guī)則孤島工作面的采動應力分布規(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)值模擬試驗和工程實踐相結(jié)合的方法，以孤島工作面回采期間的采動應力演化為研究對象，對比工作面向形狀變化處推進和遠離形狀變化處推進時應力大小的不同，分析不規(guī)則孤島工作面兩巷處應力水平的差異，得到不規(guī)則孤島工作面沖擊地壓防治重點，進而研究不規(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動及采動應力的有效手段，具有有效反演的優(yōu)勢，是工程工作者的重要工具。本文以23下608 工作面開采為研究對象，采用FLAC3D軟件模擬分析該工作面在回采期間采動應力的演化特征。在開采前，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）×270 m（寬）×80 m（高）。模型前后、左右及下表面采用位移和應力約束。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)值模擬計算模型，在模型頂板施加7.2 MPa 的應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參數(shù)由實驗室物理力學試驗獲得，具體參數(shù)見表1。

圖2 計算網(wǎng)格模型網(wǎng)格劃分

表1 煤巖物理力學參數(shù)表

2 不規(guī)則煤柱采動應力分布特征

2.1 工作面開采之前的應力狀態(tài)

23下608 工作面三面采空，其東部為實體煤，工作面未開采之前，工作面煤體在上覆壓力作用下煤柱處于應力集中狀態(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 工作面開采前的直接頂應力分布云圖

由圖3 可見，在工作面回采前煤柱存在高應力集中區(qū)，高應力區(qū)主要分布在巷道拐角處，應力集中系數(shù)最大可達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)應力集中要遠大于形狀規(guī)則一側(cè)。

2.2 工作面支承壓力演化規(guī)律

根據(jù)開采設計，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，工作面推進時，采空區(qū)以空單元代表。工作面推進過程中采動應力分布特征如圖4 所示。

圖4 工作面推進到不同相對位置時的應力分布云圖

由圖4（a）、4（b）、4（c）可知，工作面在向邊界線A 推進過程中，采動應力的最大值表現(xiàn)出持續(xù)增加的趨勢，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。但是高應力區(qū)范圍的變化呈現(xiàn)出相反的趨勢，其高應力區(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，使采動應力發(fā)生轉(zhuǎn)移，應力轉(zhuǎn)移到工作面內(nèi)部，使工作面內(nèi)部應力升高到了10 MPa，同時也表明了對于孤島工作面，在回采期間我們不僅要注意巷道的沖擊地壓預測與防治，還要密切關注煤壁處的應力變化，做好工作面防沖的準備。邊界線A 后面的應力集中程度明顯大于前面，邊界線后面達到了21～24 MPa。

由圖4（d）、4（e）、4（f）可見，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%，應力集中系數(shù)從6.0 增加到了7.5，應力集中系數(shù)增加了25%，工作面發(fā)生沖擊地壓的危險性進一步增加。在應力集中程度較高區(qū)域，與邊界線A 相距40 m處相比，當邊界線A 在距工作面30 m 處有明顯的擴大。由應力分布云圖可以看出，從工作面前方到停采線范圍內(nèi)都處在高應力狀態(tài)。此外，工作面內(nèi)部采動應力也出現(xiàn)了明顯的增大現(xiàn)象，應力值在12～15 MPa 之間，同時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，距離工作面停采線10 m時，工作面超前支承壓力峰值開始減小，峰值為36 MPa。但是工作面內(nèi)部的支承壓力卻顯著增加，達到了30～33 MPa，這是工作面整體發(fā)生沖擊的可能性達到了最大值，要注意對工作面煤壁處的卸壓，并加強監(jiān)控，避免發(fā)生煤壁沖擊地壓事故。

由圖4（d）～4（g）可見，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 處推進到遠離邊界線A30 m 處時，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，應降低其推進速度，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)能量超過其承受能力而發(fā)生強烈的礦壓顯現(xiàn)。

綜上所述，在工作面推進過程中，應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)的工作面應力遠遠大于規(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，應加強不規(guī)則側(cè)巷道的沖擊地壓預測預報措施，加大卸壓力度。同時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，應加強工作面煤壁的沖擊地壓預測與防治工作，避免煤壁前方應力超限而發(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力集中程度，因此在不規(guī)則孤島工作面巷道布置時最好采用沿空送巷的布置方式，以保證安全。而當巷道從形狀規(guī)則區(qū)域向形狀不規(guī)則區(qū)域掘進時，要改變巷道的掘進方向，避免在高應力區(qū)域掘進。圖5 是復雜不規(guī)則孤島回采工作面巷道布置方式圖。研究表明，巷道的布置方式對采掘期間巷道的應力水平起到至關重要的作用，是沖擊地壓防治的基礎措施，沿空送巷是預防沖擊地壓發(fā)生的重要手段。此外，在采掘期間還要加強不規(guī)則區(qū)域的沖擊地壓預測預報及解壓管理。

圖5 復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)則孤島工作面采動應力演化研究模型，研究了工作面形狀對采動應力的影響特征，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，使工作面中部應力值升高。

（2）工作面不規(guī)則區(qū)域的應力水平高于規(guī)則區(qū)域，不規(guī)則區(qū)域是沖擊地壓防治的關鍵，工作面向不規(guī)則區(qū)域推進時的應力變化程度大于遠離不規(guī)則區(qū)域時。對于不規(guī)則孤島工作面，要在巷道合理布置的基礎上，加強沖擊地壓預測與防治工作。

（3）不規(guī)則孤島工作面回采時，適當控制回采速度，對沖擊地壓的預防具有積極作用。

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