孤岛工作面见方期间矿压规律研究

吴绍辉

（山东能源集团，山东 济南 250000）

冲击地压以其突发性、瞬时震动性、强破坏性、复杂性等特点已成为威胁冲击地压矿井安全生产的主要灾害。近年来，三侧孤岛面在回采中发生冲击地压的比例逐年上升，统计结果表明该类工作面见方期间冲击地压占比30%以上。针对这一问题，国内防冲专家开展了一系列的研究工作并提出了各自的见解。庞绪峰[1]等推导了孤岛工作面弯曲应变能简化公式，说明了弯曲应变能在见方时最大；张炜等[2]说明了孤岛工作面超前支撑压力峰值大于普通工作面；蒋金泉等[3]研究了孤岛工作面采空区支撑压力峰值；姜福兴等[4]提出了孤岛工作面断裂型矿震的预测；谭云亮等[5]研究了顶板见方来压条件。以上工作对于冲击地压理论的完善具有重要意义，但是目前尚缺乏对于三侧采空区工作面见方期间高应力区应力规律的研究。

基于此，以梁宝寺矿3210工作面为例，本文对工作面见方期间应力在线监测数据进行分析，并运用计算机数值模拟的方法研究了应力分布规律，旨在总结出孤岛工作面见方期间应力积聚的过程，确定冲击地压危险区。为制定防冲措施提供理论依据。

1 工作面概况

3210工作面煤层为3上煤气煤，煤层厚度 2.1～3.8m，平均 3.06m，地面标高：+35.5～+40.5m。工作面标高：-638.1～ -689.8m，老顶为中砂岩，厚度6.75m；直接顶为粉砂岩，厚度3.07m；直接底为泥岩，厚度1.2m；老顶为中砂岩，厚度8.6m。四邻采掘情况：以北4m为3212工作面采空区，以南4m为3208工作面采空区，以东为3200采区轨道上山、皮带上山、回风上山和进风上山，以西尚无采掘工程。3210工作面上部为轨道顺槽，下部为皮带顺槽。如图1所示。

图1 工作面位置图

2 孤岛工作面应力传递数值模拟

2.1 模型建立

为了更加直观准确地分析孤岛工作面见方期间能量传递规律，利用有限元FLAC3D进行数值模拟，建立三维模型（图2）。3210孤岛面与两侧工作面之间留设4m煤柱，两侧工作面宽度均为90m，模型尺寸400×300×100m。对模型侧面进行水平位移约束，底部进行垂直位移约束，顶部为载荷边界，载荷大小为上覆岩层的自身重力。将煤层分为coalAA-FF 5组。

图2 结构模型

2.2 工作面开挖

根据煤层柱状图及模拟实验得出岩层物理力学参数，如表1岩层物理力学参数表所示，对模型进行赋值并进行平衡。模拟共分三个阶段：（1）开挖两侧工作面；（2）开挖巷道；（3）开挖研究工作面。每次开挖步距为10m，每次开挖均进行平衡。整个模拟过程共开挖200m。

表1 岩层物理力学参数表

2.3 数值模拟结果分析

根据应力云图3可知：（1）孤岛工作面回采前，在煤体周围应力趋于平衡，采空区能量趋于稳定。（2）随着工作面开采应力不断积聚形成应力场，应力峰值首先出现在两侧煤柱，随后应力向工作面传递。（3）采空区应力传递：三侧采空区应力→采场上方→工作面实体煤，推采30m时工作面后方采空区上覆岩层破断，能量传递达到最大。（4）推采100m时工作面进入见方阶段。两侧采空区上覆岩层活动剧烈，能量传递达到最大。

图3 工作面煤壁前5m应力分布云图

3 应力监测

3210工作面布置有KJ551应力监测系统，该系统能够有效实时监测工作面两巷煤体内应力变化情况。应力监测能够直观呈现工作面应力分布情况与能量积聚过程。根据实时监测数据指导工作面卸压措施的执行具有重要作用。自工作面向外每间隔25m布置一组应力计，其中回采前第二组距工作面50m。

3.1 超前应力监测

如图4（a）所示，3210工作面皮带顺槽第2组应力计监测结果得到，该组应力计8月31日开始受到超前应力影响，此时工作面推采距离10m，应力计距离工作面41.5m，到9月3日应力值达到最高峰，工作面推采距离26.5m，此时应力计距离工作面25m。得出3210工作面回采对超前影响距离为51m，超前应力高峰位置为前方25m，工作面采空区对煤体能量传递最大时回采26.5m。

通过对应力曲线分析得出采空区上覆岩层断裂时，未释放的应力转移到面前实体煤内，与煤体内原有应力叠加。（1）工作面初采前采场应力达到一次平衡，此时煤体初始应力为F0=5MPa。（2）工作面推采26.5m时，工作面后方采空区应力传递到煤体，煤体内应力积聚达到F1=7.2MPa。则一次能量传递系数k1=F1/F0=1.44。

图4 应力变化曲线图

3.2 轨道顺槽应力监测

如图4（b）所示，轨道顺槽第5组应力计（距切眼110m）自9月16日开始急剧上升，轨道顺槽第5组应力值到9月17日（轨道顺槽累计进尺103m）达到最大值，8m测点18:23分达到14.61MPa，出现红色预警，14m测点于21:47分压力达到17.75MPa，出现红色预警。

工作面9月17日至18日即处于见方期间（推采103m）来压强度达到最大，两侧采空区与工作面采空区应力同时传递到煤体，煤体内成为应力集中区，此时轨道顺槽煤体应力峰值为17.75MPa。3210面处于见方期间，工作面围岩破坏剧烈，高位岩层的断裂造成工作面应力明显增大。

3.3 皮带顺槽应力监测

如图4（c）所示，皮带顺槽第5组应力计（距切眼125m）应力值自9月17日（皮带顺槽累积进尺104m）开始，也出现急剧上升。9月18日18:37分该组8m测点应力值升高到11.5MPa，出现黄色预警，到9月19日21:58分应力值达到18.60MPa，8m测点出现红色预警。

3210面见方时，皮带顺槽峰值达到Fmax=18.60MPa，最大能量传递系数kmax=Fmax/F0=3.72。能量传递系数越大，两侧采空区与工作面采空区传递到煤体的能量越多。孤岛工作面煤体内应力积聚叠加越高，发生冲击地压的几率越高。

4 结论

（1）孤岛工作面见方前后，围岩破坏剧烈，来压大，高位岩层破裂形成应力释放区，未释放的应力则进行转移，造成工作面煤体内应力迅速积聚，形成应力积聚异常区直至达到动态平衡。

（2）孤岛工作面回采对超前影响距离为40m，超前应力高峰位置为前方25m，轨、皮顺槽距切眼75～125m范围，工作面实体煤与两侧窄煤柱成为冲击地压发生红色危险区。

（3）3210工作面见方期间巷道变形严重，发生冲击地压危险性极高。需制定针对性防冲措施：① 煤层注水能够破坏煤体整体性，增强煤体塑性，从而降低煤体冲击倾向。② 通过煤层中打直径42mm钻孔，即钻屑法检验煤层冲击性。③ 实施直径卸压钻孔，不但弱化了煤岩结构，降低了冲击倾向，同时也将围岩高应力向深部转移。