深埋煤层孤岛工作面煤柱对冲击危险性的影响分析

华 毅，王比比，闫嘉平

(1.陕西煤业集团 黄陵建庄矿业有限公司，陕西 黄陵 727300； 2.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003)

经过一段时期的开采，近年来，我国煤炭资源开采的中心由东部逐渐转向西部地区，开采强度和深度也不断增加。研究发现，随着开采深度的增加，冲击地压动力灾害发生的频度和强度也显著增大[1-5]，受到冲击地压威胁的矿井数量也急剧增加[6-8]。特别是两面、三面、四面采空的孤岛工作面，由于受相邻采空区应力叠加影响，孤岛工作面附近应力集中程度、覆岩运动程度更大，相比常规工作面开采冲击危险性更高[9-10]。而区段煤柱宽度是评价工作面冲击危险性或影响工作面冲击危险性的最重要的因素之一[9]。

由于历史原因，某矿4-2煤层存在多个孤岛工作面，为了研究孤岛工作面开采的安全性，给煤矿冲击地压防治工作提供参考依据和理论支撑，本文以某矿4-2205孤岛工作面为研究对象，结合该工作面的实际采掘情况，对孤岛工作面回采过程中的相邻工作面遗留煤柱应力进行了分析。研究了不同煤柱宽度情况下的应力集中情况，工作面过相邻工作面切眼位置、“见方”等特殊情况下的煤柱应力分布特征，为工作面安全开采提供了参考依据。

1 工作面概况

某矿4-2205工作面倾斜长度260 m，可采长度1 240 m，煤层平均厚度5.6 m，平均埋深443.65 m，平均倾角3.5°。根据4-2205工作面煤层赋存条件，设计采用综采放顶煤工艺进行开采，全部垮落法控制顶板。

4-2205工作面位于二盘区准备巷道东侧，北为4-2203采空区，南为4-2207采空区，东为工业场地保护煤柱，西侧为二盘区大巷保护煤柱，4-2205工作面为两侧采空工作面。4-2205工作面周边开采情况如图1所示。

图1 4-2205工作面周边开采情况Fig.1 Mining situation around 4-2205 working face

(1)4-2203工作面概况。4-2203工作面位于二盘区大巷东侧，北为4-2201采空区，南为4-2205工作面(未掘)。工作面设计走向长1 295 m，倾向长220 m，煤层赋存平缓，平均埋藏深度约为474 m。

(2)4-2207工作面概况。4-2207工作面位于二盘区大巷东侧，北为二盘区4-2205工作面(未掘)，南为4-2209工作面。工作面设计走向长1 225 m，倾向长220 m，煤层赋存平缓，平均埋藏深度约为385 m。

2 冲击危险影响因素分析

冲击地压危险影响因素按危险源可分为地质因素、技术因素和组织管理因素3种类型[11]，如图2所示。

图2 冲击地压危险影响因素分类Fig.2 Classification of risk factors of rock burst

地质因素影响的冲击地压危险源一般包括较高的原始地应力、含煤(岩)层中存在厚层硬岩、煤(岩)层冲击倾向性较高等因素。开采技术条件因素影响的冲击地压危险源一般包括开采引起的局部地应力集中、多个工作面相距较近导致采动应力扰动剧烈、冲击地压防治技术相对落后、支护强度不足、开采方法不科学等因素。组织管理因素影响的冲击地压危险源一般包括冲击地压防护措施实施不到位、安全组织管理混乱、冲击地压防治资金投入不到位等因素。

3 孤岛工作面相邻煤柱稳定性分析

根据极限强度理论，煤柱是否破坏取决于煤柱承载能力与作用于煤柱的载荷大小。当煤柱承载能力大于煤柱载荷时，煤柱安全稳定；反之，当煤柱的承载能力小于煤柱载荷时，煤柱失稳破坏。据此，分析煤柱承受的载荷是研究煤柱是否稳定的重要环节。目前，条带开采煤柱载荷的计算方法有：压力拱理论计算法、有效区域理论计算法、极限强度理论计算法和A.H.Willson两区约束理论计算法等[12]。

4-2205工作面回风巷与4-2203工作面之间煤柱最宽65 m，最窄20 m，随着工作面的回采，煤柱变窄，据此可以建立的煤柱应力分布特征如图3所示。煤柱两侧出现采空状态，受采空区支承压力影响，煤柱两侧范围均增大，均出现高峰值应力，应力集中系数高。随着开采的继续，回采工作面内煤柱应力分布由马鞍形变为单驼峰形。受采动影响，煤柱破裂区、塑性区范围增大，整个煤柱弹性区范围进一步减小，煤柱核区率减小，稳定性降低，煤柱压力显现明显甚至出现失稳[12]。

图3 双侧采动影响时应力分布特征Fig.3 Stress distribution characteristics under influence of bilateral mining

4 孤岛工作面回采应力演化分析

4.1 三维数值模型的建立

采用FLAC3D数值模拟软件，模拟分析4-2205综采放顶煤工作面回采过程中，工作面初次来压、“见方”时的应力状态，初步分析采掘活动对4-2205工作面围岩的应力扰动影响。三维数值模型以4-2205工作面综合柱状图及工作面回采布置平面图为基础，并对远离煤层的岩层条件进行适当简化，数值模型长500 m、宽500 m、高200 m，模型上侧为均布载荷，载荷值为8.5 MPa，共设置188 600个单元、229 458个节点对煤层部分进行细化。具体模型如图4所示。

图4 三维数值模型Fig.4 Three dimensional numerical model

4-2205工作面数值模型构建过程中，对工作面周围巷道进行了一定简化，简化后的巷道如图5所示。为了分析不同回采阶段工作面煤体的应力变化规律，在数值模型中部设置一应力监测线，即在4-2205工作面中部沿回采方向上布置一应力监测线。应力监测线如图6所示。

图5 简化后的巷道Fig.5 Simplified roadway

图6 煤层应力监测线布置Fig.6 Layout of coal seam stress monitoring line

4.2 模拟结果分析

4.2.1 不同回采阶段煤层垂直应力分布规律

为了分析4-2205工作面回采过程中煤层应力演化规律，分别分析4-2205工作面原始应力状态、巷道掘进完成、回采10、20、30、40、50、60、80、110、150、200 m时煤层垂直应力分布特征，以对不同回采时期冲击工作面冲击危险状态进行定性分析(图7)。

由图7(a)中可以看出，4-2205工作面采掘前，4-2煤层应力基本相同，约10 MPa，4-2205工作面覆岩容重按28 kN/m3，计算约9.5 MPa。可见模拟结果与理论计算结果相差仅0.5MPa，总体差值不大。

图7 工作面应力场特征Fig.7 Characteristics of stress field in working face

综上可知，此次构建数值模型与现场应力环境一致，具有较高的可信度。

由图7(b)中可以看出，4-2205工作面回采巷道掘进完成后，4-2煤层垂直应力在实体煤区域有应力集中现象，4-2205工作面两侧4-2203、4-2207工作面采空区应力较低，应力小于2 MPa，4-2205工作面中部应力约10 MPa，相对两侧煤柱应力值明显较低。在4-2203采空区侧煤柱，由于煤柱存在逐渐变宽现象，在煤柱较窄处应力集中区对4-2205工作面影响明显，而在煤柱较宽处对4-2205工作面影响不明显。4-2205工作面开切眼处也存在应力集中现象，但其应力集中程度明显弱于两侧煤柱应力集中程度。

由图7(c)中可以看出，4-2205工作面回采10 m时，两侧邻近采空区煤柱区域应力集中程度有所升高，此时邻4-2203工作面侧煤柱对4-2205工作面影响弱于4-2207工作面侧煤柱。需要注意的是，4-2205工作面胶带巷一侧应力集中程度高于回风巷一侧，并且4-2207采空区对胶带巷的影响开始显现。4-2205工作面两侧煤柱应力达20 MPa，而工作面中部煤体应力约10 MPa。邻4-2207工作面侧煤柱应力集中严重，可能发生塑性破坏。

由图7(d)中可以看出，4-2205工作面回采20 m时，整体上与回采10 m时相差不大，两侧煤柱应力集中程度高于工作面中部，此时4-2205胶带巷侧应力值高于回风巷侧应力值，4-2205工作面采空区加大，其周边应力集中区范围增加，最大应力约22 MPa。

由图7(e)中可以看出，4-2205工作面回采30 m时，工作面周边应力集中区域范围增加，最大应力达20 MPa，在两侧煤柱区域产生应力集中区域，最大应力值达30 MPa。就4-2205工作面而言，其胶带巷侧应力集中程度高于回风巷侧应力集中程度，这是因为回风巷侧煤柱宽度大于胶带巷侧煤柱宽度。在4-2205工作面与胶带巷相接处应力集中程度较高，垂直应力约15 MPa，这是因为4-2205工作面采空区与4-2207采空区相互影响，引发覆岩载荷由采空区向实体煤集中，形成高应力集中区。

由图7(f)中可以看出，4-2205工作面回采40 m时，4-2煤层垂直应力分布情况与回采30 m时相差不明显，工作面两侧煤柱区域仍为高应力集中区，最大应力达30 MPa，4-2205工作面中部应力约10 MPa，低于两侧煤体垂直应力。在4-2205工作面开切眼附近，应力最大约为20 MPa，应力升高区范围在胶带巷侧较大。可见，此时4-2205工作面胶带巷侧煤体应力集中程度高于回风巷侧，应注意防止4-2207工作面覆岩二次活化引发4-2205工作面胶带巷内发生冲击地压动力显现，加强胶带巷内矿压显现监测。

由图7(g)中可以看出，4-2205工作面回采50 m时，此时4-2205开采面与4-2207开切眼平行，4-2205工作面胶带巷围岩应力集中程度升高，垂直应力达20 MPa，且胶带巷侧应力集中区范围大于回风巷一侧。4-2205工作面两侧煤柱区域仍为高应力集中区，最大应力达30 MPa，4-2205工作面中部应力约10 MPa，低于两侧煤体垂直应力。可见，此时4-2205工作面主要矿压显现位于胶带巷一侧，回风巷一侧矿压显现不明显。这是由于回风巷侧煤柱宽度较大、稳定性好，而胶带巷侧煤柱宽度小、稳定性差所致。

由图7(h)中可以看出，4-2205工作面回采60 m时，此时相对4-2205工作面回采50 m围岩垂直应力分布情况差别不大。4-2205开采面此时处于两侧采空状态，即孤岛工作面状态，在回风巷一侧煤柱宽度大。因此，其主要应力集中区在煤柱区域，胶带巷侧煤柱宽度小，煤柱自身无法维持覆岩载荷，稳定性较差，导致煤柱上覆岩层载荷向4-2205工作面煤体转移，此时4-2205工作面胶带巷一侧巷道围岩变形较回风巷侧严重。

由图7(i)中可以看出，4-2205工作面回采80 m时，工作面煤体应力集中程度进一步升高。若以15 MPa为应力等值线，则在4-2205工作面前方应力值在15 MPa以上的区域在胶带巷一侧高于回风巷一侧。4-2205工作面胶带巷一侧应力最高达20 MPa，且应力集中影响范围较大。胶带巷侧煤柱有明显应力降低现象，表明煤柱产生塑性变形，变形量较大，对顶板岩层支撑作用降低。回风巷侧煤柱亦出现明显应力降低现象，可见此时回风巷侧大煤柱亦出现塑性破坏，对顶板支撑能力下降。

由图7(j)中可以看出，4-2205工作面回采110 m时，工作面中部煤体应力小于10 MPa区域，表明工作面内部出现“弹性回跳”现象，即坚硬覆岩层在工作面中部破断，并向工作面周边采空区回转，导致工作面中部应力降低，与此同时引发工作面周边煤体应力进一步升高。若以15 MPa为应力等值线，则4-2207工作面产生的侧向支承压力影响范围达50 m，而4-2205工作面超前支承应力影响范围仅约40 m。此时，胶带巷侧煤柱有明显应力降低现象，表明煤柱产生塑性变形，变形量较大，对顶板岩层支撑作用降低。回风巷侧煤柱亦出现明显应力降低现象，可见此时回风巷侧大煤柱亦出现塑性破坏，对顶板支撑能力下降。

由图7(k)中可以看出，4-2205工作面回采150 m时，工作面中部煤体应力小于10 MPa区域进一步增大，表明工作面覆岩破断回转现象进一步加剧。此时胶带巷侧煤柱基本处于塑性状态，自身无承载能力，稳定性较低，仅对4-2207采空区有隔水作用。回风巷一侧煤体最大应力约20 MPa，并出现应力为10 MPa区域，表明煤柱产生塑性损伤，承载能力下降，若煤柱内形成弹性核区，则易发生冲击失稳。

由图7(l)中可以看出，4-2205工作面回采200 m时，4-2煤层垂直应力集中区主要在2个位置：①回风巷侧煤柱，即4-2205工作面与4-2203采空区间煤柱区域；②4-2205开采面与胶带巷相交直角区域。上述两区域即为冲击地压易发生区域。以15 MPa为应力分界线，则整个回风巷侧煤柱均为应力升高区，胶带巷侧大部分为应力降低区，此时胶带巷前方100 m范围内及整个回风巷内围岩发生冲击地压灾害危险性较大。

4.2.2 不同回采阶段工作面中部煤体应力分布

模拟分析可知，随着4-2205工作面推进到不同位置，工作面前方垂直应力不断变动。为分析应力升高大小及超前支承应力影响范围，在4-2205工作面中部设应力监测线，在设置的应力监测线上垂直应力变化规律如图8所示。

图8 4-2205工作面回采到不同阶段监测线上垂直应力变化Fig.8 Change of vertical stress on the monitoring line at different stages of mining

从煤层垂直应力变化情况可以看出，4-2205工作面开挖前，4-2煤层垂直应力约10 MPa，有应力集中现象。4-2205工作面周边巷道掘进完成后，应力重新分布，在开切眼两侧垂直应力明显升高，最大值约14 MPa，随着4-2205工作面采空区范围的增加，煤体垂直应力最大值有升高趋势。当工作面回采至50 m时，垂直应力最大值维持在22 MPa左右，直到4-2205工作面回采150 m；当工作面回采达到200 m时，4-2煤层垂直应力重新升高，达到25 MPa，这主要是因为回风巷侧煤柱宽度减小所致。整体而言，4-2205工作面开采过程中，其超前支承应力影响范围达100 m。

4.2.3 模拟结果分析

根据数值模拟结果可以发现：①4-2205工作面胶带巷侧煤柱应力集中程度低于回风巷一侧，表明胶带巷一侧巷道变形大、支承能力弱；②4-2205工作面开采过程中，开采面与胶带相交直角处应力集中程度高于开采面与回风巷相交直角处；③以10 MPa为原始应力，15 MPa为严重应力影响临界值，即应力集中系数为1.5，则4-2205工作面超前支承应力严重影响范围约为30 m，超前支承应力峰值约为22 MPa；④随着4-2205工作面回风巷侧煤柱宽度减小，煤柱逐渐由稳定状态向塑性不稳定状态变化，在此动态变化过程中易发生冲击地压事故；⑤当4-2205面回采至与4-2207开切眼平行前后50 m，易引发覆岩层二次破断运动，围岩冲击危险性较高。

5 结论

(1)4-2205工作面回风巷侧煤柱回采过程中，煤柱宽度逐渐减小，煤柱应力集中程度逐渐增加，破坏程度升高，煤柱逐渐由稳定状态向塑性不稳定状态变化，冲击危险性升高。

(2)4-2205工作面胶带巷侧煤柱宽度为13 m，煤柱弹性核区不足以承受集中应力，在回采过程中将发生塑性屈服破坏。

(3)4-2205孤岛工作面开采过程中，受相邻采空区影响，在相邻采空区切眼前后位置易引发覆岩层二次破断运动，围岩冲击危险性较高。

(4)根据4-2205回采面矿压显现规律，4-2205工作面在顶板初次来压、周期来压及工作面“见方”时，覆岩运移破坏严重。因此，4-2205工作面在此过程中应注意煤(岩)体应力及破坏状态，避免矿压剧烈显现。