大倾角煤层孤岛工作面采动应力演化规律研究

王正义，何 江，杨文连，苗伟东

(1.常州工学院 土木建筑工程学院，江苏 常州 213032； 2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3.甘肃靖远煤电股份有限公司王家山煤矿，甘肃 白银 730917)

大倾角煤层是指倾角在35°～55°的煤层[1]，由于其地质条件较为复杂，是被公认的难采煤层[2]。我国大倾角煤层占煤炭总储量的15%～20%[3]，主要分布于晋北、陕北、神东等产煤矿区[4-6]。随着煤炭开采进入深部，大倾角煤层综放工作面矿压显现问题日益突出[7-8]。与近水平和缓倾斜煤层相比，大倾角煤层综放工作面采动应力演化及矿压显现特征具有显著差异[9]，主要表现在应力非对称分布、顶板来压异常等。近年来，伍永平[10]、王红伟[11]、杨科[12]、柴敬[13]、解盘石[14]等学者针对大倾角煤层开采顶板运移模式、工作面支架和煤壁稳定性、矿压显现规律等已展开大量研究。然而，尚缺少针对大倾角煤层孤岛工作面采动应力演化规律及冲击危险性的研究和相关理论借鉴。因此，笔者以王家山煤矿203工作面为工程背景，基于数值模拟和现场实践，研究大倾角煤层孤岛工作面采动应力演化规律及冲击危险性，并提出针对性防治措施，以期为类似条件的矿压防治提供一定的指导。

1 工作面概况

1.1 地质及开采条件

王家山煤矿东一采区203工作面主采二层煤，平均煤厚19.2 m，平均倾角42°，可采长度300 m，倾斜长23 m，采用水平分段开采方法。203工作面位于东一采区西翼，东与206、208等工作面采空区相邻，西与47208、47408等工作面采空区相邻，北部为E11201-2、403等工作面采空区，南部为井田深部未开采区域。203工作面钻孔综合柱状图和平面布置图分别见图1和图2。

图2 203工作面平面布置图

1.2 矿压显现情况

203工作面采掘期间共发生8起动力型矿压显现，甚至诱发冲击地压。较为严重的一次矿压显现发生于2016年3月18日18点50分，在距203工作面回风巷开帮线65～95 m内巷道底鼓1.4～1.5 m，15副超前单体支柱倾斜，3根超前单体支柱滑落。显然，冲击地压已威胁到203工作面安全生产。由于203工作面为四向采空的孤岛工作面，其采动应力集中程度显著高于常规大倾角煤层工作面，成为诱发冲击的主要因素。

2 数值模拟分析

2.1 数值模型建立

以王家山煤矿东一采区为工程背景，建立FLAC3D数值计算模型，如图3所示。

1—二层煤；2—四层煤；3—顶板；4—底板。

图3中，模型尺寸(长×宽×高)为750 m×370 m×150 m，共划分561 870个网格。模型上表面埋深350 m，施加8.75 MPa补偿应力；模型侧面及底面均为固定边界。重力加速度取9.8 m/s2，煤层倾角42°，侧压系数1.2。本模拟采用莫尔—库仑强度准则为破坏判据，煤岩物理力学参数的模拟取值见表1。

表1 煤岩层物理力学参数模拟取值

基于四邻关系对203工作面邻近采空区尺寸及范围进行合理简化，结果如图4所示。

(a)三维视图—东南视角

(b)三维视图—西南视角

(c)剖面图(y=420 m)

由图4可知，203工作面邻近采空区分布于二层煤和四层煤，该工作面处于东部、西部、北部及倾向后方4个方向采空的应力状态，导致其采动应力分布显著不同于常规大倾角煤层工作面。

2.2 模拟结果及分析

沿工作面推进方向以30 m为间隔进行10次开挖，分析大倾角孤岛工作面煤体采动应力演化规律和冲击危险性。

2.2.1 煤层走向采动应力分布

203工作面沿煤层走向超前支承压力演化过程如图5所示。

(a)回采30 m

(b)回采150 m

(c)回采300 m

由图5可知，西部采空区与原203采空区间承载煤柱应力集中程度最高，应力峰值达21.0 MPa。然而，西部采空区影响范围有限，仅影响原203工作面开切眼附近区域；原203采空区东侧边界距203工作面开切眼60 m，该采空区煤柱可有效削弱西部采空区和原203采空区对203工作面的影响。此外，随着工作面回采距离增大，其超前支承压力的影响范围也相应增大[15]。

以回采150 m处的超前支承压力(见图6)为例，分析203工作面走向采动应力分布特征。

图6 回采150 m处煤层走向采动应力分布曲线

由图6可知，203工作面支承压力在采空区煤柱侧和超前方向的影响范围均为20 m，而原203采空区支承压力影响范围为25 m，两侧支承压力影响范围之和小于采空区煤柱宽度((20 m+25 m)<60 m)，因此该采空区煤柱为承载煤柱，203工作面基本不受西部采空区和原203采空区的影响。此外，回风巷超前支承压力峰值(17.1 MPa)大于运输巷超前支承压力峰值(15.2 MPa)，表明孤岛工作面两巷的受力状态具有一定的差异性[16]。

2.2.2 煤层倾向采动应力分布

以回采150 m处的煤层倾向垂直应力(见图7)为例，分析203工作面倾向采动应力分布特征。

图7 回采150 m处煤层倾向采动应力分布曲线

由图7可知，开挖导致工作面顶底板两侧煤岩采动应力分布有所不同：顶板侧峰值应力(17.3 MPa)显著高于其回采前应力(14.3 MPa)，表明开挖使得顶板侧应力集中程度有所增高；而底板侧峰值应力(11.2 MPa)相对其回采前应力(14.5 MPa)显著降低，表明开挖使得底板侧应力得以释放。

203工作面回采150 m处的最大剪应力分布如图8所示。

图8 回采150 m处煤层倾向最大剪应力分布云图

由图8可知，203工作面煤岩存在顶煤和底煤双剪切带。与常规大倾角工作面一样，203工作面开挖使得底煤形成剪切应力带[17]，导致处于弹性状态的顶板侧底煤应力集中程度有所加剧，而处于塑性状态的底板侧底煤则进入卸荷状态。然而，203工作面的不同之处在于：在上部采空区与203工作面采动空间之间留有竖直高度约30 m的顶煤，在顶底板岩层夹持作用下形成顶煤剪切带，使得处于塑性状态的顶板侧顶煤易于破碎冒落，而处于弹性状态的底板侧顶煤不易冒落，形成难以放出的三角煤区。

2.2.3 回采期间危险性分析

统计表明[18]，91%的冲击地压发生在巷道，其中采动应力超前范围是冲击高发区域。基于动静载叠加诱冲原理[19]，巷道超前支承压力(尤其是峰值支承压力)是影响冲击危险性的关键指标。此外，巷道围岩危险程度还与其自身原岩应力有关。因此，将巷道超前峰值支承压力与原岩应力的比值作为冲击危险性的表征指标，表示为：

(1)

式中：K为巷道某处超前区域应力集中系数；σm为巷道某处超前峰值支承压力，MPa；σ0为巷道原岩应力，其中回风巷和运输巷原岩应力分别为11.45 MPa和11.30 MPa。

基于203工作面回风巷、运输巷两巷超前峰值支承压力模拟结果和公式(1)，可得采动应力集中系数K的分区结果，如图9所示。

图9 203工作面采动应力集中系数分区

由图9可知，203工作面回风巷应力集中程度总体高于运输巷，其冲击危险性也高于运输巷。因此，回风巷是冲击防治的重点区域，其中回风巷距开切眼60～210 m区域的冲击危险性最高。

3 现场实践

3.1 孤岛工作面回采危险性验证

王家山煤矿203工作面实际回采期间采用钻屑法对超前区域进行危险性监测，具体布置方案参照GB/T 25217.6—2019《冲击地压测定、监测与防治方法第6部分：钻屑监测方法》。经测定，回风巷和运输巷的钻屑量临界值分别为3.4 kg/m和2.7 kg/m。由于钻屑量能够间接反映煤体应力水平和冲击危险性，因此始终以超前工作面20 m处的钻孔每米最大钻屑量作为分析指标，获得两巷实测最大钻屑量的变化规律，如图10所示。

图10 203工作面最大钻屑量变化曲线

由图10可知，工作面回风巷最大钻屑量总体高于运输巷；回风巷在回采68～201 m内的钻屑量相对较高，运输巷在回采62～117 m的钻屑量最高，两巷钻屑量分布规律与采动应力集中系数分区结果(见图9)基本一致，验证了数值模拟中关于孤岛工作面冲击危险性的分析结果。

3.2 矿压显现解危措施

由大倾角孤岛工作面回采期间冲击危险性分区结果可知，回风巷是冲击地压防治重点区域，需采取大直径钻孔卸压配合煤体卸压爆破技术进行解危，解危方案如图11所示(d为大直径钻孔间距)。

(a)大直径卸压钻孔(煤体卸压爆破钻孔)布置

(b)煤体卸压爆破钻孔布置

对于回风巷，在应力集中系数K为1.35～1.40的区域，仅布置大直径卸压钻孔，其参数为：自超前工作面200 m起，以2.8 m为间距布置钻孔，孔径113 mm，孔深15 m；在K为1.40～1.50的区域，调整钻孔间距为1.4 m，其余参数同上，其中对于K在1.45～1.50的区域，若现场监测表明采取措施后矿压显现未得到明显改善，则需在间距1.4 m的大直径钻孔之间补打煤体卸压爆破钻孔(见图11(a))，其参数(见图11(b))为：每5 m施工一个爆破钻孔，孔径 42 mm，孔深15 m，封孔长度5 m。

上述解危措施在203工作面回采期间已实施，由图10的实测钻屑量可知，采取措施后回风巷的钻屑量虽然处于较高水平但始终控制在临界值以下，能够保证大倾角孤岛工作面回采的安全，取得了较为显著的防治效果。

4 结论

1)大倾角孤岛工作面回风巷超前支承压力集中程度高于运输巷；孤岛工作面开挖使得顶板侧煤岩应力集中程度有所增高，而底板侧煤岩由于开挖卸荷其应力得以释放。

2)大倾角孤岛工作面存在顶煤和底煤双剪切带。底煤剪切带使得处于弹性状态的顶板侧底煤应力集中程度有所加剧，而处于塑性状态的底板侧底煤进入卸荷状态；顶煤剪切带使得处于塑性状态的顶板侧顶煤易于破碎放出，而处于弹性状态的底板侧顶煤难以放出而形成三角煤区。

3)大倾角孤岛工作面回风巷是冲击地压防治的重点区域，采用综合大直径钻孔卸压和煤体卸压爆破的分级解危措施并在现场实施，取得了较为显著的防治效果。