孤岛煤柱条件下冲击危险工作面终采线位置优化设计

温颖远，薛成春，曹安业，牛风卫，郭文豪，沈志平

（1.新疆大学 地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3.大同煤矿集团马道头煤业有限责任公司，山西 大同 037003；4.上海大屯能源股份有限公司 姚桥煤矿，江苏 沛县 221611）

近些年，我国煤炭开采深度每年以10～25 m的速度向深部延伸[1-3]，煤炭地质赋存条件的复杂性随之提升，伴随着矿井历史开采遗留问题，冲击地压矿井数量日益增多，截止2017年，我国冲击地压矿井数量已达到177对[4]，冲击地压灾害成为矿井安全生产的重大隐患之一[5-7]。

相关学者采取理论分析、现场实践和数值模拟等研究方法，对一侧或多侧采空后形成的孤岛煤柱区应力分布特征进行研究[8-10]。研究表明，孤岛煤柱（工作面）应力集中程度更高，支承应力超前影响范围更广，冲击危险性更高。另外，专家学者对不规则孤岛煤柱（工作面）诱发冲击地压机理也进行深入研究[11-12]，采用理论计算、数值模拟方法探讨了不规则煤柱区煤岩体的垂直应力和稳定性，研究煤柱区诱发冲击地压机理，研究结果表明煤柱形状越复杂，安全系数越小，煤柱稳定性越差。实践表明，冲击危险工作面除了采取有效的防冲措施，还应该重视工作面布局，从区域上降低工作面及受其开采影响区域的冲击地压危险性[13-15]。周辉[16]等通过构建试验模型，研究认为工作面停采线结构应该包括开挖影响区范围、超前影响区范围、两区域最小安全距离3部分。崔树江[17]通过在某矿8105综采工作面中间回风巷布置应力观测区和煤体松动范围观测区，动态监测煤柱内应力变化，系统研究了工作面停采后煤体超前支承应力影响范围和应力分布形态。陈科[18]等采用理论计算、数值模拟等手段，对永安煤矿工作面超前支承压力分布规律进行了分析，确定了合理的工作面停采线留设位置。

上述研究结果对矿井不规则孤岛煤柱支承应力分布特征，冲击地压防治，以及工作面终采线留设引起的超前支承应力影响范围、应力分布形态等问题分别进行了详细的描述，对矿井起到了良好的现场指导作用。但目前大部分研究成果主要针对不规则孤岛煤柱、停采线留设二者各自影响因素下的应力分布特征研究，而对由大范围采空导致的不规则采区上（下）孤岛煤柱区后续工作面终采线留设问题，相关研究较少，缺乏深入的分析研究。为此，针对姚桥煤矿7008工作面回采末期，超前支承应力影响至不规则孤岛保护煤柱区，从而增大了工作面、孤岛保护煤柱区域冲击危险性增高的现象，基于理论分析和数值模拟系统分析了煤柱区应力分布特征，模拟了工作面开采前后煤柱区应力变化特征，提出了工作面终采线留设优化布置参数，并进行现场应用。

1 工程背景

1.1 地质条件

姚桥煤矿中央采区经过多年开采，采区下山保护煤柱已成两侧大范围采空的孤岛结构，加之两侧工作面停采线留设参差不齐，进一步加剧了煤柱区应力集中程度，尤其在煤柱拐角区域应力集中程度明显。采区工作面布置如图1。

图1 采区工作面布置图Fig.1 Layout of working face in mining area

7008工作面为采区新设计工作面，开采7#煤层，经鉴定7#煤层具有强冲击倾向性。工作面开采深度为780～820 m，煤层厚度5.50 m，直接顶为2.74 m的砂质泥岩，基本顶为3.40 m的粉砂岩，同时，距离煤层15 m处赋存1层12 m厚的粉砂岩。

工作面设计终采线与邻近西部采空区终采线内错约23 m布置，距工作面切眼距离930 m，与东部采区终采线相距约175 m，此时7008工作面区段保护煤柱区宽度175 m。

1.2 现场情况

随着7008工作面回采临近设计终采线，采区保护煤柱孤岛效应逐渐体现。工作面、保护煤柱区微震事件频繁发生，现场煤炮声增多，工作面超前巷道局部出现锚杆断裂、煤体掉渣等现象，冲击危险性增强。

工作面于2019年1月10日至2019年3月7日间共计回采80 m，回采位置分别距切眼792 m（1月10日）和872 m（3月7日），分别距离设计终采线139 m（1月10日）和59 m（3月7日）。此回采时间段内微震日释放总能量、日频次总体呈上升趋势，尤其是2月7日至3月7日间，微震总能量整体上升趋势明显，且单日累计能量波动较大，表明微震能量释放不均匀，回采期间微震总能量、频次如图2。

图2 回采期间微震总能量、频次图Fig.2 Total micro-seismic energy and frequency period of mining

选取2019年2月7日至3月7日工作面回采区域微震事件波形，采用震动波CT反演技术对回采区域煤岩体波速分布进行反演分析[19]，工作面回采区域震动波CT反演图如图3。

图3 工作面回采区域震动波CT反演图Fig.3 CT inversion diagram of seismic wave in mining area of working face

由图3可知，工作面超前区域、保护煤柱区波速水平高（波速普遍大于5.0 km/s），波速异常系数值高（An指数普遍大于0.15），表明工作面后续期间冲击危险性高。

2 孤岛煤柱应力分布特征

2.1 保护煤柱宽度分析

对于两侧采空下的孤岛煤柱，煤体应力分布形态主要与开采活动引起的支承应力影响距离s和煤柱宽度d密切相关[20]。

当d＞2s时，孤岛煤柱应力呈“双峰型”分布，煤柱中央无应力集中现象；当2s＞d＞s时，孤岛煤柱应力呈“马鞍型”分布，煤柱中央出现应力集中现象；当d＜s时，孤岛煤柱应力呈“单峰型”分布，煤柱中央应力集中程度高。基于7008工作面开采数据统计，工作面正常开采时引起的超前支承应力影响区域一般为工作面前方90 m范围。因此，对7008工作面区段保护煤柱而言，当工作面回采结束时，保护煤柱宽度为175 m，煤柱区应力分布呈“马鞍形”分布，7008工作面超前支承应力影响区域与东部采空区支承应力影响区域在煤柱中央进行一定程度上的叠加，煤柱中央区域应力值开始上升且大于原岩应力值，此时采区保护煤柱区冲击地压危险程度增加。保护煤柱区应力分布特征如图4。

图4 保护煤柱区应力分布特征Fig.4 Stress distribution characteristics in protective coal pillar area

2.2 数值模拟

为了研究7008工作面回采前后对采区保护煤柱区的应力分布影响，根据采区实际地质条件、开采现状建立了FLAC3D数值模型。模型尺寸：3 900 m×1 800 m×400 m（长×宽×高）。模型四周进行水平位移固定，底部施加水平、垂直位移约束，模型顶部为自由面，上覆岩层采用均布载荷代替。煤岩体力学参数见表1。

表1 煤岩体力学参数Table 1 Mechanical parameters of coal and rock mass

根据采区工作面实际开采顺序进行模型开挖，7008工作面回采前后，保护煤柱区应力分布如图5。由图5可知，工作面回采后，保护煤柱区高应力区范围扩大明显，应力集中程度提高。表明当7008工作面按原设计回采后，煤柱区孤岛效应进一步提升，采区大巷冲击危险性进一步提高。

图5 工作面回采前后应力分布图Fig.5 Stress distribution map before and after the mining of the working face

3 终采线位置优化设计

基于前述采区下山煤柱区诱冲因素分析可知，煤柱区应力分布呈“马鞍型”分布，受两侧采空的孤岛效应影响，煤柱区应力开始集中。数值模拟结果显示，7008工作面回采结束后，煤柱区高应力集中区域范围进一步扩大，集中程度进一步升高。表明按工作面原先设计停采线进行回采后，煤柱区危险程度加剧，同时工作面回采末期冲击地压危险性明显增加。2019年1月至3月微震数据变化（微震总能量、频次呈上升趋势）反映出随工作面回采临近原设计停采线，工作面、煤柱区冲击危险性升高。针对采区下山煤柱两侧大范围采空条件下7008工作面停采线位置冲击地压影响问题，进行了工作面终采线位置优化设计。

截止2019年3月7日，工作面回采位置距切眼约870 m，工作面设计终采线位置距切眼930 m，但为充分了解随工作面的开采，工作面煤体超前应力分布特征变化规律，对终采线优化模拟方案进行适当扩充，即终采线位置模拟由距切眼790 m处开始，至距切眼960 m处结束（与西部采空区停采线对齐布置）。

7008工作面不同终采线位置下的煤柱区应力分布图如图6（距切眼880～930 m的模拟结果）。由图6可知，随着工作面临近下山煤柱期间，煤柱区应力集中范围逐渐扩大，应力集中程度明显增加。表明受7008工作面超前支承压力和已采工作面侧向支承压力共同作用，煤柱区应力集中程度始终处于较高状态。

图6 不同开采尺度下煤柱区应力分布图Fig.6 Stress distribution in pillar area under different mining scales

不同终采线位置下的工作面前方煤体应力分布曲线如图7。由图7可知，随7008工作面向终采线正常回采时，工作面前方煤柱区支承压力曲线出现2个峰值，呈“马鞍型”分布。第1个峰值由工作面超前支承应力与西部采空区侧向支承应力相互叠加所致，出现在工作面前方约30 m位置处，垂直应力由34.9 MPa升高到40.6 MPa，应力集中系数由1.73升高到2.01；第2个应力峰值由7008工作面超前支承应力与东部采空区侧向支承应力共同所致，出现在距东部采空区40～80 m范围内，应力峰值从44.4 MPa升高到51.7 MPa，应力集中系数从2.20升高到2.56，并且垂直应力峰值逐渐向7008工作面靠近，表明随着7008工作面不断向前回采，工作面超前支承应力与采空区侧向支承应力相互叠加，使得保护煤柱区垂直应力增量缓慢增加。

图7 工作面前方煤体应力分布图Fig.7 Stress distribution diagram in front of working face

随着工作面回采支承应力影响范围的逐步增大，从回采920 m处开始采区下山保护煤柱区支承应力曲线由“马鞍型”逐渐向“单峰型”过渡，表明受7008工作面超前支承应力与东部采空区支承应力的叠加影响，采区下山保护煤柱区应力集中程度明显升高，预计工作面回采到此区域时顶板将发生明显下沉，导致煤体发生剧烈压裂压胀破坏，附近巷道变形强烈，且支承应力在此区域内剧烈变化。

综上可知，7008工作面合理留设的保护煤柱应避开东部和西部采空区侧向支承应力影响区，即，7008工作面终采线优化后，留设位置距切眼距离不应大于920 m。

4 现场应用

随着7008工作面开采范围增大，西部采空区采空范围进一步增大，加之保护煤柱区孤岛效应的逐步体现，工作面回采期间冲击危险性增大。

根据2019年3月7日至3月17日，工作面回采期间的微震监测数据可知（工作面进尺约14 m），微震日释放总能量整体上仍处于上升趋势，日频次整体变化不明显，表明单个微震事件释放的能量增大，大能量事件开始出现。微震监测数据验证了模拟方案中随着工作面的进一步开采煤柱区应力集中程度增高和工作面、煤柱区冲击危险性提高的结果性。

基于工作面现场监测数据、数值模拟及理论分析结果，现场在优化设计停采线的前提下，加强人员管控力度，加大煤体卸压力度和超前支护强度以及降低工作面推进速度的综合管控下，工作面在距切眼900 m处完成回采任务。

7008工作面走向上共计回采900 m，比设计终采线提前30 m停止回采，工作面段保护煤柱宽度由175 m增加至205 m，此时，煤柱宽度d与支承应力影响范围s二者关系为：d＞2s，工作面段孤岛煤柱区应力呈“双峰型”分布，煤柱中央无明显应力集中现象，有效降低了煤柱区中央煤岩体的应力集中程度，同时为采区内后续工作面开采提供了有利条件。

5 结语

1）工作面段保护煤柱区应力分布特征呈“马鞍形”分布；工作面微震日释放总能量、日频次整体上呈现上升趋势，煤柱孤岛效应开始显现。

2）随着工作面的开采范围增大，保护煤柱区应力集中区域逐渐扩大，应力集中程度升高，煤柱区支承压力曲线由“双峰型”逐渐向“单峰型”过渡。

3）基于工作面现场条件和理论分析、数值模拟结果在加强人员管控、卸压力度等措施的基础上，优化了停采线留设位置，将停采线内错原停采线30 m布置，有效保障了工作面回采末期的安全生产。