切眼外錯(cuò)下孤島工作面開采沖擊危險(xiǎn)性分析及防治措施

田勇峰 ，曹東京 ，許宏陽 ，魏明華 ，田利華 ，薛建軍 ，薛建秋

（1.棗莊礦業(yè)集團(tuán) 高莊煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272200；2.徐州弘毅科技發(fā)展有限公司，江蘇 徐州 221008）

目前，由于礦井地質(zhì)條件、開采布局、采掘接續(xù)不合理等影響，難免會(huì)形成孤島工作面，而孤島工作面開采易導(dǎo)致應(yīng)力集中，誘發(fā)沖擊危險(xiǎn)。針對(duì)孤島工作面復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境及安全開采難題[1-3]，大多數(shù)學(xué)者主要研究孤島工作面的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)估方法[4]、采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律、巷道礦壓顯現(xiàn)機(jī)理及沖擊地壓防治等[5-11]，但孤島工作面開采時(shí)在大型地質(zhì)構(gòu)造、切眼外錯(cuò)、見方來壓、遺留煤柱等特殊區(qū)域的應(yīng)力分布及演化規(guī)律不同于正常區(qū)域的分布特征，而切眼外錯(cuò)下孤島工作面沖擊危險(xiǎn)性分析及防治還缺少系統(tǒng)的研究。為此，以高莊煤礦3上1105 孤島工作面為例，對(duì)孤島工作面開采前覆巖結(jié)構(gòu)變化特征、切眼外錯(cuò)下孤島工作面開采沖擊危險(xiǎn)程度及防治進(jìn)行深入研究，從而為孤島工作面過切眼外錯(cuò)區(qū)域的沖擊地壓監(jiān)測(cè)與防治提供依據(jù)，降低開采期間沖擊危險(xiǎn)，提升礦井經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

1 工程背景

3上1105 孤島工作面為兩側(cè)采空，位于西十一采區(qū)中東部，東為村莊保護(hù)煤柱，西為西十一采區(qū)四條下山，南為3上1103 采空區(qū)，北為3上1107采空區(qū)。3上1105 工作面布置及周邊位置關(guān)系如圖1。

圖1 3上1105 工作面布置及周邊位置關(guān)系Fig.1 Layout of 3 upper 1105 working face and its surrounding location relationship

工作面開采3上煤層，煤厚4.6～6.4 m（平均4.9 m）、傾角2°～16°（平均12°），走向、傾向長度分別約1 297.6、166 m，埋深為484.3～528.6 m。3上1105 運(yùn)輸巷西起3上1105 轉(zhuǎn)載運(yùn)輸聯(lián)絡(luò)巷，東至工作面切眼，開門點(diǎn)層位為3上煤層，全長1 480 m；材料巷西起3上1105 材料巷（原），東至工作面切眼，開門點(diǎn)層位為3上煤層，全長約1 303 m；切眼北起工作面材料巷，南至工作面運(yùn)輸巷，全長約174.5 m。由于F6斷層影響，在其西側(cè)約20 m處布置3上1105 外切眼，頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 3上1105 工作面頂?shù)装鍘r性Table 1 Roof and floor lithology of 3 upper 1105 working face

該工作面斷層較發(fā)育，預(yù)計(jì)揭露21 條斷層，落差>3.0 m 的斷層13 條。其中F6斷層揭露落差為11.0～15.5 m，并通過兩巷橫穿工作面；F3斷層揭露落差為15.5 m，由北至南向面內(nèi)延展；F8斷層揭露為2 條分叉支斷層，總落差為12 m；以上斷層落差較大，且附近煤巖層較破碎。經(jīng)沖擊傾向性鑒定，3上1105 工作面所采煤層、頂?shù)装鍘r層具有弱沖擊傾向性；經(jīng)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，3上1105工作面回采期間具有中等沖擊危險(xiǎn)。3上1105 工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域示意圖（回采期間）如圖2。

圖2 3上1105 工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域示意圖（回采期間）Fig.2 Schematic diagram of rock burst risk area of 3 upper 1105 working face（mining period）

沖擊危險(xiǎn)主要受鄰近采空區(qū)、切眼外錯(cuò)、遺留煤柱、斷層構(gòu)造等因素影響。具體分析如下：①受南北兩側(cè)采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力影響3上1105 孤島工作面靜載應(yīng)力水平較高，易與動(dòng)載疊加發(fā)生沖擊；②3上1105 切眼外錯(cuò)于3上1107 采空區(qū)布置，在臨近切眼外錯(cuò)區(qū)域進(jìn)行采掘活動(dòng)時(shí)沖擊危險(xiǎn)性較強(qiáng)；③因F6-1斷層影響，3上1107 采空區(qū)內(nèi)遺留斷層煤柱，受三側(cè)采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力影響煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度高，對(duì)3上1105 工作面影響較大；④3上1105 工作面斷層區(qū)域（如F6斷層落差大導(dǎo)致工作面難以正常推采通過）應(yīng)力集中程度較高，其圍巖穩(wěn)定性較差，對(duì)工作面影響較大。

2 孤島工作面開采覆巖結(jié)構(gòu)特征及影響

2.1 采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)特征

工作面采動(dòng)程度系數(shù)：

式中： η為工作面采動(dòng)程度系數(shù)；L為采空區(qū)邊長，m；H為采空區(qū)埋深，m。

根據(jù)礦井采掘接續(xù)安排，3上1105 工作面開采前，其南側(cè)7 個(gè)工作面、北側(cè)3 個(gè)工作面均已回采完畢。其北側(cè)采空區(qū)長約1 000 m，寬約580 m，平均埋深約530 m，計(jì)算可得： ηN1=1.89>1.2～1.4；ηN2=1.09<1.2～1.4。因此，其北側(cè)工作面回采后在走向達(dá)到充分采動(dòng)，傾向上尚未達(dá)到充分采動(dòng)，即判斷北側(cè)為非充分采動(dòng)，推測(cè)主關(guān)鍵層未發(fā)生破斷；其南側(cè)采空區(qū)長約1 230 m，寬約1 390 m，平均埋深約330 m，故 ηS1=3.73、 ηS2=4.21，均大于1.2～1.4。因此，其南側(cè)工作面回采后在走向、傾向均達(dá)到充分采動(dòng)，推測(cè)主關(guān)鍵層彎曲破斷后形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

根據(jù)巖層運(yùn)動(dòng)理論可得3上1105 工作面北側(cè)上方破裂巖層形成結(jié)構(gòu)的最大高度為290 m?？紤]到覆巖主關(guān)鍵層的存在，需要對(duì)北側(cè)的覆巖破斷高度進(jìn)行修正，以2006-1 鉆孔為例，工作面上覆巖層存在5 層關(guān)鍵層，其中距3上煤層254.5 m 的厚115.8 m 礫巖為主關(guān)鍵層。經(jīng)分析，3上1105 工作面北側(cè)覆巖主關(guān)鍵層未發(fā)生破斷，其覆巖破裂高度經(jīng)修正后為254.5 m。

綜上，3上1105 工作面南北兩側(cè)工作面采空后，北側(cè)采空面積小，覆巖破斷高度未延伸至主關(guān)鍵層；南側(cè)采空面積大，主關(guān)鍵層彎曲破斷，經(jīng)長時(shí)間沉穩(wěn)活動(dòng)后形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。因此，3上1105 工作面采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)為一側(cè)充分采動(dòng)、一側(cè)非充分采動(dòng)的“非對(duì)稱T 型”結(jié)構(gòu)。 3上1105 工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

圖3 3上1105 工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the overlying rock spatial structure of 3 upper 1105 working face

根據(jù)西十一采區(qū)東部區(qū)域2018—2021 年（包括3上1103 工作面回采末期和3下1103 工作面、3上1111 工作面采掘期間等）的微震事件統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：3上1105 工作面南側(cè)采空面積大，微震事件集中于3上煤層100 m 范圍內(nèi)的頂板巖層及底板巖層內(nèi)，且3上煤層上方150～200 m 范圍仍有分布，但工作面北側(cè)采空面積小，大能量微震活動(dòng)均分布于低位關(guān)鍵層內(nèi)。說明在3上1105 工作面回采期間后方采空區(qū)頂板更易與北側(cè)采空區(qū)頂板協(xié)同運(yùn)動(dòng)，發(fā)生頂板破斷型沖擊地壓。

2.2 頂板斷裂對(duì)沖擊地壓的影響

2.2.1 頂板厚度特征參數(shù)分析

根據(jù)3上1105 工作面的周邊2006-1 鉆孔巖層柱狀圖計(jì)算出工作面頂板特征參數(shù)分別為83.95 m，且工作面煤層上方50 m 范圍內(nèi)存在2 層厚硬中砂巖（分別位于煤層上方2.45、27.35 m 處），層厚分別為11.8、20.1 m。因此，頂板巖層結(jié)構(gòu)對(duì)3上1105 工作面有較大影響。頂板厚度特征參數(shù)值Lst 計(jì)算表見表2。

表2 頂板厚度特征參數(shù)值Lst 計(jì)算表Table 2 Lst calculation table for characteristic parameter values of roof thickness

2.2.2 頂板巖層破斷能量分析

初次來壓步距[12-13]的計(jì)算如下：

式中：Li為頂板的初次來壓步距，m；ms為承載層厚度，m；［σ］為承載層的抗拉強(qiáng)度，MPa；mc為隨動(dòng)層的厚度，m；ρ為承載層的平均密度，kg/m3；α為煤層傾角，°；g為重力加速度，m/s2。

3上1105 工作面承載層厚度約11.8 m，承載層抗拉強(qiáng)度約7.5 MPa，隨動(dòng)層厚度約13.1 m，承載層密度約2.82 t/m3，煤層傾角約12°。由此計(jì)算出Li=55.70 m，因此，頂板的初次來壓步距約為55 m。而周期來壓步距一般為初次來壓步距的0.25～0.5 倍，故頂板的周期來壓步距在14～28 m 之間。

懸頂破斷時(shí)積聚的彎曲彈性能[14-15]為：

式中：UW為頂板彎曲彈性能，J；q為頂板載荷集度，kN/m2；E為頂板彈性模量，MPa；h為頂板厚度，m；μ為泊松比。

工作面頂板載荷集度為2.77×102kN/m2，初次來壓步距為55 m，頂板厚度為11.8 m，頂板彈性模量為10 GPa，煤層傾角12°，泊松比取0.2，由此計(jì)算出UW=1.08×106J。同理，頂板周期來壓破斷的能量為1.15×103～3.69×104J。因此，3上1105工作面頂板在初次來壓、周期來壓期間對(duì)沖擊地壓有較大影響。

3 孤島工作面過切眼外錯(cuò)區(qū)沖擊危險(xiǎn)性分析

3.1 數(shù)值模型及方案

為研究孤島工作面臨近切眼外錯(cuò)區(qū)域的應(yīng)力演化規(guī)律，結(jié)合3上1105 工作面實(shí)際地質(zhì)條件，模擬在切眼外錯(cuò)因素影響下孤島工作面的開采情況，建立的3上1105 工作面數(shù)值模型尺寸（長×寬×高）為1 600 m×1 150 m×78 m。模型底部及四周均為固定邊界，模型頂部為自由邊界。

模型的上表面埋深為452 m，故在模型上邊界施加11.3 MPa 的等效垂直應(yīng)力載荷。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)取值Table 3 Values of physical and mechanical parameters of coal and rock seams

為探究3上1105 工作面臨近及過切眼外錯(cuò)區(qū)域的應(yīng)力演化規(guī)律，把數(shù)值模型中工作面開采位置與切眼外錯(cuò)區(qū)域之間的距離作為變量，其他因素均考慮不變。因此共提出5 種模擬方案，①方案1：工作面距鄰近切眼190 m，即初次來壓期間；②方案2：工作面距鄰近切眼65 m，即“一次見方”期間；③方案3：工作面距鄰近切眼30 m；④方案4：工作面距鄰近切眼0 m；⑤方案5：工作面距鄰近切眼-30 m。

3.2 不同開采距離下應(yīng)力分布規(guī)律

沿材料巷采煤幫側(cè)10 m 處布置應(yīng)力測(cè)線，用來分析不同開采距離下工作面超前應(yīng)力變化規(guī)律。3上1105 工作面垂直應(yīng)力演化云圖如圖4，3上1105工作面超前支承應(yīng)力演化如圖5。

圖4 3上1105 工作面垂直應(yīng)力演化云圖Fig.4 Vertical stress evolution cloud diagrams of 3 upper 1105 working face

圖5 3上1105 工作面超前支承應(yīng)力演化Fig.5 Evolution of advance support stress of 3 upper 1105 working face

由圖4、圖5 可以看出：3上1105 工作面未開采前，工作面煤壁前方垂直應(yīng)力峰值約為15.1 MPa（該區(qū)域原巖應(yīng)力約為12.5 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.21）；隨著工作面回采，煤壁前方支承應(yīng)力呈先上升再下降的趨勢(shì)，最后穩(wěn)定于約29.0 MPa，應(yīng)力峰值點(diǎn)分布在煤壁前方約10 m 處。同時(shí)，對(duì)比不同開采距離下工作面超前應(yīng)力發(fā)現(xiàn)：當(dāng)工作面距鄰近切眼190 m 時(shí)，煤壁前方應(yīng)力上升較小，主要受初次來壓影響，超前應(yīng)力峰值約為19.6 MPa；但當(dāng)工作面距鄰近切眼0 m 時(shí)，工作面超前支承應(yīng)力與采空區(qū)支承應(yīng)力疊加后上升至約42.1 MPa，隨著工作面進(jìn)一步回采，應(yīng)力疊加程度明顯增加，當(dāng)工作面回采過鄰近切眼30 m 時(shí)，應(yīng)力疊加至約54.1 MPa。

3.3 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

沿工作面煤壁前方1 m 處布置應(yīng)力測(cè)線，用來分析不同開采距離下工作面巷道圍巖垂直應(yīng)力及位移分布情況。3上1105 工作面巷道圍巖垂直應(yīng)力演化云圖如圖6，巷道圍巖變形量如圖7。

圖6 3上1105 工作面巷道圍巖垂直應(yīng)力演化云圖Fig.6 Cloud charts of vertical stress evolution in roadway surrounding rock of 3 upper 1105 working face

圖7 3上1105 工作面巷道圍巖變形量Fig.7 Deformation of roadway surrounding rock in 3 upper 1105 working face

由圖6～圖7 可以看出：當(dāng)工作面向鄰近切眼推進(jìn)時(shí)，切眼外錯(cuò)區(qū)域受兩工作面支承應(yīng)力相互疊加的影響垂直應(yīng)力呈上升趨勢(shì)，靜載水平較高；當(dāng)工作面臨近鄰近切眼30 m 時(shí)，材料巷南北兩側(cè)垂直應(yīng)力分別上升至11.8、24.4 MPa，材料巷北側(cè)垂直應(yīng)力大于運(yùn)輸巷；當(dāng)工作面過鄰近切眼后，由于切眼外錯(cuò)所引起的應(yīng)力集中范圍有限，其影響逐漸減弱；當(dāng)工作面過鄰近切眼30 m 時(shí)，材料巷北側(cè)垂直應(yīng)力下降至4.8 MPa，其他區(qū)域應(yīng)力仍呈上升趨勢(shì)。

由圖7 可以看出：隨著工作面回采，材料巷、運(yùn)輸巷圍巖變形量均呈上升趨勢(shì)，但材料巷在工作面過鄰近切眼后圍巖變形量才明顯上升；當(dāng)工作面過鄰近切眼30 m 時(shí)，材料巷和運(yùn)輸巷的頂?shù)装?、巷道圍巖變形量分別為14.16、20.59、22.58、33.68 mm。

因此，通過比較得出材料巷、運(yùn)輸巷在距鄰近切眼前后0～30 m 時(shí)巷道圍巖受力大，沖擊危險(xiǎn)程度大。

4 切眼外錯(cuò)區(qū)卸壓措施及效果檢驗(yàn)

4.1 大直徑鉆孔卸壓方案

3上1105 回采工作面優(yōu)先采用大直徑鉆孔進(jìn)行卸壓，卸壓鉆孔區(qū)域應(yīng)覆蓋工作面采動(dòng)影響區(qū)域，且不小于200 m。卸壓方案：按照沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)劃分的中等、強(qiáng)危險(xiǎn)區(qū)域分別在工作面超前兩巷實(shí)體煤幫部每隔2 、1 m 各施工1 個(gè)鉆孔，孔徑100～200 mm，鉆孔深度不小于20 m，其開孔位置距離巷道底板0.5～1.5 m，垂直于巷道幫部，平行于煤層層面進(jìn)行施工。3上1105 工作面巷道圍巖變形量如圖8。

圖8 3上1105 工作面大直徑鉆孔卸壓布置示意圖Fig.8 Pressure relief diagram of large diameter borehole arranged in 3 upper 1105 working face

4.2 卸壓解危效果檢驗(yàn)

4.2.1 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果

選取在切眼外錯(cuò)區(qū)域?qū)嵤┬秹捍胧┖蠊ぷ髅婊夭善陂g微震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，3上1105 工作面卸壓后回采期間（即鄰近及過切眼外錯(cuò)區(qū)域期間）總震動(dòng)83 次，微震總能量1.97×104J。微震事件能量均小于104J。微震事件主要在材料巷側(cè)分布較多。微震日最大能量為1.97×103J，日最大總能量為2.54×103J，日最大頻次為5 次?？梢姡?dāng)采取卸壓解危后，工作面回采期間未出現(xiàn)大能量微震事件，頻次和能量未超過預(yù)警指標(biāo)并處于穩(wěn)定范圍。3上1105 工作面卸壓后回采期間（即鄰近及過切眼外錯(cuò)區(qū)域期間）總震動(dòng)83 次，微震總能量1.97×104J。微震事件能量均小于104J。微震事件主要在材料巷側(cè)分布較多。微震日最大能量為1.97×103J，日最大總能量為2.54×103J，日最大頻次為5 次?？梢?，當(dāng)采取卸壓解危后，工作面回采期間未出現(xiàn)大能量微震事件，頻次和能量未超過預(yù)警指標(biāo)并處于穩(wěn)定范圍。

4.2.2 鉆屑法監(jiān)測(cè)結(jié)果

在卸壓解危后，切眼外錯(cuò)區(qū)域布置5 個(gè)鉆屑孔檢驗(yàn)卸壓效果，工作面所在的西十一采區(qū)3上煤層的具體鉆屑數(shù)據(jù)如圖9。

圖9 切眼外錯(cuò)區(qū)域卸壓后鉆屑煤粉量曲線Fig.9 Curves of pulverized coal amount of drilling cuttings in the outlying cut-off after pressure relief

從圖9 可知：切眼外錯(cuò)區(qū)域卸壓后鉆孔煤粉量與鉆孔深度呈正相關(guān)變化趨勢(shì)，該區(qū)域最大煤粉量為3、4 號(hào)鉆屑孔監(jiān)測(cè)到的3.9 kg/m，均未超過鉆屑監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)。同時(shí)，該區(qū)域各個(gè)鉆屑孔任意每米監(jiān)測(cè)的煤粉量均未超過相應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)，且未出現(xiàn)卡鉆、吸鉆、頂鉆、異響、孔內(nèi)沖擊等動(dòng)力現(xiàn)象。

綜上所述，3上1105 工作面開采前在切眼外錯(cuò)區(qū)域?qū)嵤┐笾睆姐@孔卸壓措施后，微震、鉆屑監(jiān)測(cè)的指標(biāo)均未超過各自的沖擊危險(xiǎn)預(yù)警臨界值。因此，3上1105 工作面切眼外錯(cuò)區(qū)域采取大直徑鉆孔卸壓后有利于減小高應(yīng)力區(qū)積聚的能量，降低沖擊地壓危險(xiǎn)影響，保障工作面在切眼外錯(cuò)區(qū)域安全開采。

5 結(jié) 語

1）根據(jù)對(duì)3上1105 工作面覆巖破壞情況分析，推測(cè)該工作面采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)為“非對(duì)稱T型”結(jié)構(gòu)。同時(shí)，大能量微震活動(dòng)均分布于低位關(guān)鍵層內(nèi)，工作面頂板也對(duì)沖擊地壓的影響較大。

2）3上1105 工作面開采至切眼外錯(cuò)區(qū)域時(shí)，工作面超前支承應(yīng)力與采空區(qū)支承應(yīng)力疊加后應(yīng)力峰值達(dá)到54.1 MPa，材料巷北側(cè)受兩工作面支承應(yīng)力疊加后應(yīng)力峰值達(dá)到24.4 MPa，材料巷、運(yùn)輸巷圍巖變形量分別達(dá)到14.16、20.59、22.58、33.68 mm。確定了3上1105 工作面切眼外錯(cuò)的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域主要分布在3上1107 工作面切眼前后0～30 m 范圍。

3）3上1105 工作面開采前在切眼外錯(cuò)區(qū)域采取大直徑鉆孔卸壓后，微震、鉆屑監(jiān)測(cè)的指標(biāo)均未超過各自的沖擊危險(xiǎn)預(yù)警臨界值，對(duì)切眼外錯(cuò)區(qū)域起到了良好的卸壓作用，降低沖擊危險(xiǎn)。