浅埋孤岛工作面整体冲击分析与应用

岳 勇 唐照成 韩向云

（淮北矿业集团西北分公司华龙煤矿，陕西 延安 716002）

关健词 孤岛工作面；冲击地压；覆岩空间结构；整体冲击

孤岛工作面具有两侧甚至多侧采空，覆岩空间结构复杂，开采过程中顶板运动剧烈，采场应力集中，同时由于煤矿地质、开采技术等条件的差异性，开采实践表明：开采孤岛工作面具有矿震及其诱发冲击地压灾害的危险，采前评估是保证此类工作面安全开采的关键。

我国学者积累了与孤岛工作面冲击地压有关的成果：覆岩空间结构特征[1-2]、应力分布[3]、冲击地压机理[4]、冲击危险预测[5]和综合防治技术[6]等。已有研究主要是针对深部孤岛开采条件，在浅埋孤岛工作面整体冲击方面的探索相对较少，还未形成普遍性的孤岛工作面整体冲击分析方法。华龙煤矿浅埋50213 工作面两侧开采，潜在整体冲击的可能性，需要进行采前针对性分析、评估。

1 工程背景

华龙煤矿位于延安市宝塔区北部的蟠龙镇龙湾村，生产能力300 万t/a。50213 工作面位于矿井西部，东邻50212 采空区，西邻50214 采空区，南至西翼盘区大巷，北至古河流冲刷带。工作面平均走向长1390 m，倾向长203 m，两侧区段煤柱均为8.0 m，平均采深290 m，采用倾向长壁机械化一次采全高采煤法。50213 孤岛工作面平面示意图如图1。

图1 50213 孤岛工作面平面示意图

主采5 煤层厚度1.8～2.2 m，平均2.0 m（煤层含夹矸，单轴抗压强度约为6.25 MPa）。工作面直接顶是厚0.43 m 的砂质泥岩，基本顶是厚10.53 m的油页岩，距离5 煤层约为 157 m 处赋存的细砂岩主关键层厚度达到23 m，直接底和基本顶同层，是8.11 m 的砂质泥岩，顶、底板无冲击倾向性。

2 孤岛工作面覆岩空间结构辨识

2.1 地面沉降分析

掌握孤岛工作面覆岩空间结构特征，是分析工作面支承应力与冲击危险程度的前提。通常采用的方法是地表沉降观测，采前对50213 孤岛工作面地面沉降进行了统计，结果表明两侧采空区对应地面最大下沉量超过了1800 mm，如图2 所示，其中 A为50213 工作面对应地面区域，B 为50213 工作面边缘至50214 采空区中部对应地面区域，C 为50213工作面边缘至50206 采空区中部对应地面区域。

图2 50213 孤岛工作面采前地表沉降分析

采空区宽度与采深用D、H表示，D、H单位m，比值D/H可以用来评估采动程度，D/H值越大表明采空区越趋于充分采动。以50213 孤岛工作面采前50214 采空区为例，对应的采空区宽度D=208 m，采深H=290 m，D/H=208/290=0.72。该矿区相似条件充分采动时沉降经验系数约0.85，推算出50213采场附近最大经验下沉量值为2.0×0.85×0.72=1.2 m，明显小于实际地面最大下沉量1800 mm。基于实测沉降值与经验计算结果对比，同时考虑地面沉降台阶落差超过1.2 m，判断50213 孤岛工作面两侧采空区均已达到充分采动状态。

2.2 孤岛工作面覆岩空间结构特征确定

根据前文地面沉降分析，进一步辨识孤岛工作面覆岩空间结构特征，如图3 所示。由于两侧已经充分采动，上覆主关键层沿孤岛工作面侧发生了破断，整体上形成了伪T 型空间结构。结构主要参数：孤岛工作面宽度为D，单位m；主关键层距地表的高度、自身厚度、距煤层高度分别用h1、h2、h3表示，采深H=h1+h2+h3，单位m；b为主关键层的破裂岩块长度，单位m；α为覆岩破裂角，即采场边界岩层断裂点连线与水平方向的夹角，单位（°）；β为覆岩触矸角，即采空区触矸点连线与水平方向之间的夹角，单位（°）。

图3 孤岛工作面伪T 型覆岩空间结构

T 型结构内部覆岩状态与载荷传递：充分采动区范围内上覆岩层从采空区顶板直至地表的岩层完全垮落，覆岩载荷全部作用在采空区上；充分采动区至孤岛工作面正上方之间煤岩体处于“过渡状态”，该区域的关键岩层破断后，从触矸点到破裂线位置之间的破断岩块相互“咬合”并形成铰接岩梁结构，这部分岩层载荷一半作用在矸石，另一半载荷通过破裂线位置传递给孤岛工作面煤岩体，形成覆岩载荷的传递应力；孤岛工作面正上方煤岩体处于非充分采动，其载荷直接作用在工作面上煤岩体。

3 孤岛工作面支承应力

3.1 静态支承应力计算

式中，γ1、γ2、γ3分别为不同岩层的平均容重，单位kN/m3。

其次，分析孤岛工作面单侧采空区侧向转移载荷。根据关键岩块形态与载荷传递之间关系，传递至孤岛工作面覆岩载荷Q''包括关键岩块铰接传递载荷Q1'的一半，以及破裂线与触矸线之间低位铰接岩层重量Q2的一半。Q''、Q1'、Q2单位kN/m，Q''为：

3.2 “动-静”叠加应力

孤岛工作面开采厚硬岩层破断及其覆岩空间结构失稳运动剧烈，能产生不同强度的震动/动载效应，进而形成工作面动载应力。一般情况下动载应力为静态静载支承应力的倍数，设σT为考虑动、静载情况下的叠加支承应力，则孤岛工作面采动应力近似为：

式中，k为采动厚硬岩层破断与覆岩运动形成的静态应力增量系数，无量纲。

4 孤岛工作面承载强度及其整体冲击判据

4.1 孤岛工作面承载强度

组成孤岛工作面煤体具有完整的分区，从采空区边缘起，沿工作面宽度方向上煤体大致呈“破裂区-塑性区-弹性区-塑性区-破裂区”分布特征，依据不同煤体围岩状态，煤体的极限承载强度σS（单位m）近似呈对称的“梯形”分布。如图4。

图4 孤岛工作面承载强度示意图

中间弹性区煤体处于三围应力状态，其极限承载强度σ3C约为煤体单轴抗压强度[σ]的φmax≈3～5倍，σ3C、[σ]单位MPa，即σ3C≈φmax[σ]；煤体边缘破裂、塑性区煤体处于“无约束-单向-二维-三维”过渡状态，其极限承载强度从0 线性增加至σ3C，可综合取φmin=1，一侧破裂区+塑性区宽度为ρ（单位m），则弹性区宽度为D-2ρ。则σS的近似表达式为：

4.2 孤岛工作面整体冲击分析

孤岛工作面是否发生整体冲击，除了与“外部载荷”有关，还与自身物理力学条件决定的“内部承载”关系密切，工作面宽度如果不合理或承载强度不足，发生整体冲击可能性增加。整体冲击概括：作用孤岛工作面煤体的动-静态叠加支承应力，超过煤体极限承载强度时，即达到整体冲击的力学启动条件，联立式（5）、（6）则失稳判据：

式中：IC为孤岛工作面整体冲击可能指数，无量纲，IC越大则表明发生整体冲击可能性越高。IC＜1.0/K，整体稳定；1.0/K≤IC＜1.2/K，整体弱冲击；1.2/K≤IC＜1.5/K，整体中等冲击；1.5/K≤IC，整体强冲击。K是关于煤体强度和冲击启动应力的系数，无量纲。

5 工程应用分析

由于华龙煤矿5 煤层强度低，同时考虑“软煤”的夹矸、变质等情况，取冲击启动应力参数K=0.8。50213 孤岛工作面发生整体冲击的可能指数临界值为IC=1.0/0.8=1.25 ＞0.5，即50213 孤岛工作面在宽度D=203 m 情况下，采动条件下不具有整体冲击危险。

当前，50213 工作面采掘过程中保持相对平稳，巷道变形和冲击显现均不明显。本文研究方法和结果对指导50213 孤岛工作面安全开采起到重要的指导意义。

6 结论

（1）孤岛工作面具有整体冲击的可能性，浅埋孤岛工作面整体冲击性由“外部载荷”与“内部承载”共同决定。

（2）提出了浅埋孤岛工作面“覆岩空间结构→支承应力→承载强度→整体冲击”的原理和方法，确定了各关键参数计算结果。

（3）通过“外部载荷”、“内部承载”等因素的分析，能够定量评估孤岛工作面整体冲击可能性，为孤岛工作面安全开采和灾害防治提供依据。运用成果评估认为50213 孤岛工作面无整体冲击危险性，实现了工作面安全开采的目的。