工作面采動(dòng)對外圍大巷沖擊影響及停采線設(shè)計(jì)

高 山 陳廣堯 劉 超

（微山金源煤礦，山東 濟(jì)寧 277600）

截至2020年底[1]，我國具有沖擊地壓災(zāi)害的礦井達(dá)到了132座，目前仍有許多礦井已發(fā)生沖擊顯現(xiàn)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(jī)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(xué)者開展了相關(guān)研究，但是工作面采動(dòng)影響下外圍大巷沖擊的類型和原因復(fù)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(dòng)對外圍大巷沖擊影響及停采線位置設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(qū)中部，工作面四周均為實(shí)體煤，采用傾向長壁綜合機(jī)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(qiáng)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(qū)皮帶巷、四采區(qū)回風(fēng)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(zhuǎn)移應(yīng)力可能形成煤柱或大巷應(yīng)力集中。根據(jù)相鄰工作面開采經(jīng)驗(yàn)，末采期間工作面前方大巷不斷出現(xiàn)震動(dòng)、煤炮，甚至具有局部的錨桿（索）破斷等沖擊現(xiàn)象。因此，43上03工作面回采階段可能對四采區(qū)皮帶巷及回風(fēng)巷產(chǎn)生沖擊影響，需要對合理停采位置進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

2 工作面外圍大巷沖擊機(jī)理

2.1 覆巖空間運(yùn)動(dòng)與應(yīng)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(yùn)動(dòng)—應(yīng)力演化—礦壓顯現(xiàn)”存在一定關(guān)系，隨著各級關(guān)鍵層“懸露—撓曲—破斷—懸露”運(yùn)動(dòng)，“煤柱”的寬度開始減小，工作面超前支承應(yīng)力逐漸與大巷圍巖應(yīng)力接近并開始形成疊加效應(yīng)，如圖2（a）所示。此時(shí)“煤柱”邊緣塑性狀態(tài)，但是整體仍然處于彈性狀態(tài)，稱之為“彈性核狀態(tài)”，“煤柱”發(fā)生沖擊地壓的可能性較小。

當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)時(shí)，剩余“煤柱”寬度逐漸減小到一定程度，工作面超前支承應(yīng)力逐漸與大巷圍巖應(yīng)力產(chǎn)生明顯的疊加效應(yīng)，即煤柱支承應(yīng)力由此前的“雙峰值”演化成“單峰值”，同時(shí)疊加的高應(yīng)力不斷對“煤柱”進(jìn)行快速“腐蝕”，導(dǎo)致兩側(cè)塑性區(qū)快速向中間擴(kuò)展，進(jìn)一步削弱“煤柱”煤體自身的支承強(qiáng)度。此時(shí)疊加應(yīng)力可能接近甚至超過“煤柱”強(qiáng)度，在厚硬巖層破斷運(yùn)動(dòng)誘發(fā)礦震動(dòng)載情況下，極易造成高應(yīng)力條件下工作面外圍大巷的沖擊失穩(wěn)，如圖2（b）所示。

圖2 覆巖空間運(yùn)動(dòng)與應(yīng)力演化分析示意圖

2.2 力學(xué)模型構(gòu)建與分析

根據(jù)覆巖空間運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果，進(jìn)行“煤柱”靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析，建立的簡化力學(xué)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?shù)暮穸龋卷斁嗟乇?、煤層的高度分別為hS、hL，m；α、β為采場覆巖綜合移動(dòng)角和采空區(qū)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(jié)構(gòu)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(yīng)力估算示意圖

在力學(xué)模型的豎直方向上，靜態(tài)“煤柱”受到的載荷總量T（kN/m2）近似為：

參考文獻(xiàn)[6]關(guān)于采場覆巖載荷定量估算方法，確定G、G2、FL三個(gè)參數(shù)表達(dá)式：

式中：q0為基本頂所承受上覆巖層載荷，kN/m3； 、h為基本頂?shù)娜葜睾秃穸?，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(shí)際條件，工作面在推采過程中具有厚硬巖層斷裂誘發(fā)震動(dòng)沖擊的現(xiàn)象。震動(dòng)沖擊效應(yīng)與巖層厚度、空間距離和煤巖介質(zhì)等因素有關(guān)，工程上“動(dòng)載”應(yīng)力一般取“靜載”的k倍（無量綱常數(shù)）。根據(jù)應(yīng)力的疊加原理，“動(dòng)-靜”態(tài)條件下“煤柱”的平均支承應(yīng)力用p表示，MPa，近似表達(dá)式：

“煤柱”是否發(fā)生沖擊失穩(wěn)，除了與受到的外界應(yīng)力有關(guān)，同時(shí)還與自身綜合支承強(qiáng)度有關(guān)，綜合強(qiáng)度R近似為：

式中：σC為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；為煤體圍巖（壓）狀態(tài)無量綱常數(shù)，三向彈性圍壓狀態(tài)φmax≈3，煤體破斷或塑性狀態(tài)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(wěn)力學(xué)判據(jù)：

工作面外圍大巷沖擊途徑主要方式和途徑：采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)和關(guān)鍵層懸頂→形成“煤柱”靜態(tài)應(yīng)力→關(guān)鍵層斷裂誘發(fā)震動(dòng)沖擊形成動(dòng)載應(yīng)力→“煤體”的“動(dòng)-靜”應(yīng)力疊加→“煤體”失穩(wěn)和大巷沖擊顯現(xiàn)。

3 工程應(yīng)用與實(shí)踐

3.1 停采位置確定

將上述研究方法和結(jié)果運(yùn)用到43上03工作面停采線設(shè)計(jì)工程，根據(jù)實(shí)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(jù)本礦井相鄰采區(qū)開采經(jīng)驗(yàn)，采場覆巖綜合移動(dòng)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(jù)經(jīng)驗(yàn)動(dòng)載系數(shù)k取0.2。將數(shù)據(jù)代入式（3）～（5），得到四采區(qū)皮帶巷相關(guān)的平均支承應(yīng)力p、綜合強(qiáng)度R在不同煤柱寬度條件下的變化及關(guān)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(guī)律

進(jìn)一步采用數(shù)值模擬手段進(jìn)行驗(yàn)證，模擬結(jié)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(dòng)”支承應(yīng)力影響區(qū)，超前影響范圍約為40 m。因此，為了降低工作面前方支承應(yīng)力影響，43上03工作面距四采區(qū)皮帶巷距離D≥40 m。

圖5 數(shù)值模擬分析結(jié)果

同時(shí)，考慮43上03工作面頂板100 m范圍內(nèi)沒有單層厚度超過20 m的巨厚巖層，根據(jù)本礦工作面回采工程經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)43上03工作面回采過程中不會(huì)發(fā)生強(qiáng)礦震，預(yù)計(jì)大巷仍主要以靜載沖擊為主，綜合考慮設(shè)計(jì)的停采線位置距四采區(qū)皮帶巷約40～50 m。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

根據(jù)回采實(shí)際情況進(jìn)行最終確定停采位置。現(xiàn)場表明：43上03工作面推采至距離四采區(qū)皮帶巷約60 m時(shí)，皮帶巷一側(cè)安裝的應(yīng)力在線測點(diǎn)的應(yīng)力（位置距四采區(qū)皮帶巷約35 m，深孔14 m，淺孔7 m）出現(xiàn)劇烈、快速升高等變化（見圖6），大巷開始出現(xiàn)局部變形和震動(dòng)響應(yīng)等情況，表明此時(shí)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(jìn)行大巷二次支護(hù)等措施，工作面繼續(xù)推采了約10 m。此時(shí)大巷頂板變形逐漸加劇，同時(shí)在巷道交叉區(qū)域出現(xiàn)了較強(qiáng)的頂板震動(dòng)等現(xiàn)象。通過現(xiàn)場鉆孔卸壓和煤粉檢測等工作，判斷得到了“煤柱”沖擊危險(xiǎn)性逐漸增加，如圖7。最終，礦山根據(jù)防沖技術(shù)需要，確定最終停采線位置：43上03工作面停采距四采區(qū)皮帶巷約50 m。最終實(shí)現(xiàn)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(yīng)力在線監(jiān)測曲線

4 結(jié)論

（1）工作面回采過程中采場覆巖運(yùn)動(dòng)能夠?qū)υ诖笙锔浇纬蓱?yīng)力轉(zhuǎn)移和集中，工作面與大巷之間“煤柱”失穩(wěn)是大巷沖擊的主要形式。

（2）建立了評估大巷失穩(wěn)的“煤柱”沖擊失穩(wěn)的空間覆巖結(jié)構(gòu)和力學(xué)模型，提出了“煤柱”在“動(dòng)-靜”應(yīng)力沖擊失穩(wěn)力學(xué)判據(jù)。

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