切眼外错下孤岛工作面开采冲击危险性分析及防治措施

田勇峰 ，曹东京 ，许宏阳 ，魏明华 ，田利华 ，薛建军 ，薛建秋

（1.枣庄矿业集团 高庄煤业有限公司，山东 济宁 272200；2.徐州弘毅科技发展有限公司，江苏 徐州 221008）

目前，由于矿井地质条件、开采布局、采掘接续不合理等影响，难免会形成孤岛工作面，而孤岛工作面开采易导致应力集中，诱发冲击危险。针对孤岛工作面复杂的应力环境及安全开采难题[1-3]，大多数学者主要研究孤岛工作面的冲击危险性评估方法[4]、采动应力演化规律、巷道矿压显现机理及冲击地压防治等[5-11]，但孤岛工作面开采时在大型地质构造、切眼外错、见方来压、遗留煤柱等特殊区域的应力分布及演化规律不同于正常区域的分布特征，而切眼外错下孤岛工作面冲击危险性分析及防治还缺少系统的研究。为此，以高庄煤矿3上1105 孤岛工作面为例，对孤岛工作面开采前覆岩结构变化特征、切眼外错下孤岛工作面开采冲击危险程度及防治进行深入研究，从而为孤岛工作面过切眼外错区域的冲击地压监测与防治提供依据，降低开采期间冲击危险，提升矿井经济社会效益。

1 工程背景

3上1105 孤岛工作面为两侧采空，位于西十一采区中东部，东为村庄保护煤柱，西为西十一采区四条下山，南为3上1103 采空区，北为3上1107采空区。3上1105 工作面布置及周边位置关系如图1。

图1 3上1105 工作面布置及周边位置关系Fig.1 Layout of 3 upper 1105 working face and its surrounding location relationship

工作面开采3上煤层，煤厚4.6～6.4 m（平均4.9 m）、倾角2°～16°（平均12°），走向、倾向长度分别约1 297.6、166 m，埋深为484.3～528.6 m。3上1105 运输巷西起3上1105 转载运输联络巷，东至工作面切眼，开门点层位为3上煤层，全长1 480 m；材料巷西起3上1105 材料巷（原），东至工作面切眼，开门点层位为3上煤层，全长约1 303 m；切眼北起工作面材料巷，南至工作面运输巷，全长约174.5 m。由于F6断层影响，在其西侧约20 m处布置3上1105 外切眼，顶底板岩性见表1。

表1 3上1105 工作面顶底板岩性Table 1 Roof and floor lithology of 3 upper 1105 working face

该工作面断层较发育，预计揭露21 条断层，落差>3.0 m 的断层13 条。其中F6断层揭露落差为11.0～15.5 m，并通过两巷横穿工作面；F3断层揭露落差为15.5 m，由北至南向面内延展；F8断层揭露为2 条分叉支断层，总落差为12 m；以上断层落差较大，且附近煤岩层较破碎。经冲击倾向性鉴定，3上1105 工作面所采煤层、顶底板岩层具有弱冲击倾向性；经冲击危险性评价，3上1105工作面回采期间具有中等冲击危险。3上1105 工作面冲击危险区域示意图（回采期间）如图2。

图2 3上1105 工作面冲击危险区域示意图（回采期间）Fig.2 Schematic diagram of rock burst risk area of 3 upper 1105 working face（mining period）

冲击危险主要受邻近采空区、切眼外错、遗留煤柱、断层构造等因素影响。具体分析如下：①受南北两侧采空区侧向支承应力影响3上1105 孤岛工作面静载应力水平较高，易与动载叠加发生冲击；②3上1105 切眼外错于3上1107 采空区布置，在临近切眼外错区域进行采掘活动时冲击危险性较强；③因F6-1断层影响，3上1107 采空区内遗留断层煤柱，受三侧采空区侧向应力影响煤柱内应力集中程度高，对3上1105 工作面影响较大；④3上1105 工作面断层区域（如F6断层落差大导致工作面难以正常推采通过）应力集中程度较高，其围岩稳定性较差，对工作面影响较大。

2 孤岛工作面开采覆岩结构特征及影响

2.1 采场覆岩结构特征

工作面采动程度系数：

式中： η为工作面采动程度系数；L为采空区边长，m；H为采空区埋深，m。

根据矿井采掘接续安排，3上1105 工作面开采前，其南侧7 个工作面、北侧3 个工作面均已回采完毕。其北侧采空区长约1 000 m，宽约580 m，平均埋深约530 m，计算可得： ηN1=1.89>1.2～1.4；ηN2=1.09<1.2～1.4。因此，其北侧工作面回采后在走向达到充分采动，倾向上尚未达到充分采动，即判断北侧为非充分采动，推测主关键层未发生破断；其南侧采空区长约1 230 m，宽约1 390 m，平均埋深约330 m，故 ηS1=3.73、 ηS2=4.21，均大于1.2～1.4。因此，其南侧工作面回采后在走向、倾向均达到充分采动，推测主关键层弯曲破断后形成稳定结构。

根据岩层运动理论可得3上1105 工作面北侧上方破裂岩层形成结构的最大高度为290 m。考虑到覆岩主关键层的存在，需要对北侧的覆岩破断高度进行修正，以2006-1 钻孔为例，工作面上覆岩层存在5 层关键层，其中距3上煤层254.5 m 的厚115.8 m 砾岩为主关键层。经分析，3上1105 工作面北侧覆岩主关键层未发生破断，其覆岩破裂高度经修正后为254.5 m。

综上，3上1105 工作面南北两侧工作面采空后，北侧采空面积小，覆岩破断高度未延伸至主关键层；南侧采空面积大，主关键层弯曲破断，经长时间沉稳活动后形成稳定结构。因此，3上1105 工作面采场覆岩结构为一侧充分采动、一侧非充分采动的“非对称T 型”结构。 3上1105 工作面覆岩空间结构示意图如图3。

图3 3上1105 工作面覆岩空间结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the overlying rock spatial structure of 3 upper 1105 working face

根据西十一采区东部区域2018—2021 年（包括3上1103 工作面回采末期和3下1103 工作面、3上1111 工作面采掘期间等）的微震事件统计发现：3上1105 工作面南侧采空面积大，微震事件集中于3上煤层100 m 范围内的顶板岩层及底板岩层内，且3上煤层上方150～200 m 范围仍有分布，但工作面北侧采空面积小，大能量微震活动均分布于低位关键层内。说明在3上1105 工作面回采期间后方采空区顶板更易与北侧采空区顶板协同运动，发生顶板破断型冲击地压。

2.2 顶板断裂对冲击地压的影响

2.2.1 顶板厚度特征参数分析

根据3上1105 工作面的周边2006-1 钻孔岩层柱状图计算出工作面顶板特征参数分别为83.95 m，且工作面煤层上方50 m 范围内存在2 层厚硬中砂岩（分别位于煤层上方2.45、27.35 m 处），层厚分别为11.8、20.1 m。因此，顶板岩层结构对3上1105 工作面有较大影响。顶板厚度特征参数值Lst 计算表见表2。

表2 顶板厚度特征参数值Lst 计算表Table 2 Lst calculation table for characteristic parameter values of roof thickness

2.2.2 顶板岩层破断能量分析

初次来压步距[12-13]的计算如下：

式中：Li为顶板的初次来压步距，m；ms为承载层厚度，m；［σ］为承载层的抗拉强度，MPa；mc为随动层的厚度，m；ρ为承载层的平均密度，kg/m3；α为煤层倾角，°；g为重力加速度，m/s2。

3上1105 工作面承载层厚度约11.8 m，承载层抗拉强度约7.5 MPa，随动层厚度约13.1 m，承载层密度约2.82 t/m3，煤层倾角约12°。由此计算出Li=55.70 m，因此，顶板的初次来压步距约为55 m。而周期来压步距一般为初次来压步距的0.25～0.5 倍，故顶板的周期来压步距在14～28 m 之间。

悬顶破断时积聚的弯曲弹性能[14-15]为：

式中：UW为顶板弯曲弹性能，J；q为顶板载荷集度，kN/m2；E为顶板弹性模量，MPa；h为顶板厚度，m；μ为泊松比。

工作面顶板载荷集度为2.77×102kN/m2，初次来压步距为55 m，顶板厚度为11.8 m，顶板弹性模量为10 GPa，煤层倾角12°，泊松比取0.2，由此计算出UW=1.08×106J。同理，顶板周期来压破断的能量为1.15×103～3.69×104J。因此，3上1105工作面顶板在初次来压、周期来压期间对冲击地压有较大影响。

3 孤岛工作面过切眼外错区冲击危险性分析

3.1 数值模型及方案

为研究孤岛工作面临近切眼外错区域的应力演化规律，结合3上1105 工作面实际地质条件，模拟在切眼外错因素影响下孤岛工作面的开采情况，建立的3上1105 工作面数值模型尺寸（长×宽×高）为1 600 m×1 150 m×78 m。模型底部及四周均为固定边界，模型顶部为自由边界。

模型的上表面埋深为452 m，故在模型上边界施加11.3 MPa 的等效垂直应力载荷。煤岩体物理力学参数见表3。

表3 煤岩层物理力学参数取值Table 3 Values of physical and mechanical parameters of coal and rock seams

为探究3上1105 工作面临近及过切眼外错区域的应力演化规律，把数值模型中工作面开采位置与切眼外错区域之间的距离作为变量，其他因素均考虑不变。因此共提出5 种模拟方案，①方案1：工作面距邻近切眼190 m，即初次来压期间；②方案2：工作面距邻近切眼65 m，即“一次见方”期间；③方案3：工作面距邻近切眼30 m；④方案4：工作面距邻近切眼0 m；⑤方案5：工作面距邻近切眼-30 m。

3.2 不同开采距离下应力分布规律

沿材料巷采煤帮侧10 m 处布置应力测线，用来分析不同开采距离下工作面超前应力变化规律。3上1105 工作面垂直应力演化云图如图4，3上1105工作面超前支承应力演化如图5。

图4 3上1105 工作面垂直应力演化云图Fig.4 Vertical stress evolution cloud diagrams of 3 upper 1105 working face

图5 3上1105 工作面超前支承应力演化Fig.5 Evolution of advance support stress of 3 upper 1105 working face

由图4、图5 可以看出：3上1105 工作面未开采前，工作面煤壁前方垂直应力峰值约为15.1 MPa（该区域原岩应力约为12.5 MPa，应力集中系数为1.21）；随着工作面回采，煤壁前方支承应力呈先上升再下降的趋势，最后稳定于约29.0 MPa，应力峰值点分布在煤壁前方约10 m 处。同时，对比不同开采距离下工作面超前应力发现：当工作面距邻近切眼190 m 时，煤壁前方应力上升较小，主要受初次来压影响，超前应力峰值约为19.6 MPa；但当工作面距邻近切眼0 m 时，工作面超前支承应力与采空区支承应力叠加后上升至约42.1 MPa，随着工作面进一步回采，应力叠加程度明显增加，当工作面回采过邻近切眼30 m 时，应力叠加至约54.1 MPa。

3.3 巷道围岩稳定性分析

沿工作面煤壁前方1 m 处布置应力测线，用来分析不同开采距离下工作面巷道围岩垂直应力及位移分布情况。3上1105 工作面巷道围岩垂直应力演化云图如图6，巷道围岩变形量如图7。

图6 3上1105 工作面巷道围岩垂直应力演化云图Fig.6 Cloud charts of vertical stress evolution in roadway surrounding rock of 3 upper 1105 working face

图7 3上1105 工作面巷道围岩变形量Fig.7 Deformation of roadway surrounding rock in 3 upper 1105 working face

由图6～图7 可以看出：当工作面向邻近切眼推进时，切眼外错区域受两工作面支承应力相互叠加的影响垂直应力呈上升趋势，静载水平较高；当工作面临近邻近切眼30 m 时，材料巷南北两侧垂直应力分别上升至11.8、24.4 MPa，材料巷北侧垂直应力大于运输巷；当工作面过邻近切眼后，由于切眼外错所引起的应力集中范围有限，其影响逐渐减弱；当工作面过邻近切眼30 m 时，材料巷北侧垂直应力下降至4.8 MPa，其他区域应力仍呈上升趋势。

由图7 可以看出：随着工作面回采，材料巷、运输巷围岩变形量均呈上升趋势，但材料巷在工作面过邻近切眼后围岩变形量才明显上升；当工作面过邻近切眼30 m 时，材料巷和运输巷的顶底板、巷道围岩变形量分别为14.16、20.59、22.58、33.68 mm。

因此，通过比较得出材料巷、运输巷在距邻近切眼前后0～30 m 时巷道围岩受力大，冲击危险程度大。

4 切眼外错区卸压措施及效果检验

4.1 大直径钻孔卸压方案

3上1105 回采工作面优先采用大直径钻孔进行卸压，卸压钻孔区域应覆盖工作面采动影响区域，且不小于200 m。卸压方案：按照冲击危险性评价划分的中等、强危险区域分别在工作面超前两巷实体煤帮部每隔2 、1 m 各施工1 个钻孔，孔径100～200 mm，钻孔深度不小于20 m，其开孔位置距离巷道底板0.5～1.5 m，垂直于巷道帮部，平行于煤层层面进行施工。3上1105 工作面巷道围岩变形量如图8。

图8 3上1105 工作面大直径钻孔卸压布置示意图Fig.8 Pressure relief diagram of large diameter borehole arranged in 3 upper 1105 working face

4.2 卸压解危效果检验

4.2.1 微震监测结果

选取在切眼外错区域实施卸压措施后工作面回采期间微震数据进行分析，3上1105 工作面卸压后回采期间（即邻近及过切眼外错区域期间）总震动83 次，微震总能量1.97×104J。微震事件能量均小于104J。微震事件主要在材料巷侧分布较多。微震日最大能量为1.97×103J，日最大总能量为2.54×103J，日最大频次为5 次。可见，当采取卸压解危后，工作面回采期间未出现大能量微震事件，频次和能量未超过预警指标并处于稳定范围。3上1105 工作面卸压后回采期间（即邻近及过切眼外错区域期间）总震动83 次，微震总能量1.97×104J。微震事件能量均小于104J。微震事件主要在材料巷侧分布较多。微震日最大能量为1.97×103J，日最大总能量为2.54×103J，日最大频次为5 次。可见，当采取卸压解危后，工作面回采期间未出现大能量微震事件，频次和能量未超过预警指标并处于稳定范围。

4.2.2 钻屑法监测结果

在卸压解危后，切眼外错区域布置5 个钻屑孔检验卸压效果，工作面所在的西十一采区3上煤层的具体钻屑数据如图9。

图9 切眼外错区域卸压后钻屑煤粉量曲线Fig.9 Curves of pulverized coal amount of drilling cuttings in the outlying cut-off after pressure relief

从图9 可知：切眼外错区域卸压后钻孔煤粉量与钻孔深度呈正相关变化趋势，该区域最大煤粉量为3、4 号钻屑孔监测到的3.9 kg/m，均未超过钻屑监测预警指标。同时，该区域各个钻屑孔任意每米监测的煤粉量均未超过相应的预警指标，且未出现卡钻、吸钻、顶钻、异响、孔内冲击等动力现象。

综上所述，3上1105 工作面开采前在切眼外错区域实施大直径钻孔卸压措施后，微震、钻屑监测的指标均未超过各自的冲击危险预警临界值。因此，3上1105 工作面切眼外错区域采取大直径钻孔卸压后有利于减小高应力区积聚的能量，降低冲击地压危险影响，保障工作面在切眼外错区域安全开采。

5 结 语

1）根据对3上1105 工作面覆岩破坏情况分析，推测该工作面采场覆岩结构为“非对称T型”结构。同时，大能量微震活动均分布于低位关键层内，工作面顶板也对冲击地压的影响较大。

2）3上1105 工作面开采至切眼外错区域时，工作面超前支承应力与采空区支承应力叠加后应力峰值达到54.1 MPa，材料巷北侧受两工作面支承应力叠加后应力峰值达到24.4 MPa，材料巷、运输巷围岩变形量分别达到14.16、20.59、22.58、33.68 mm。确定了3上1105 工作面切眼外错的冲击危险区域主要分布在3上1107 工作面切眼前后0～30 m 范围。

3）3上1105 工作面开采前在切眼外错区域采取大直径钻孔卸压后，微震、钻屑监测的指标均未超过各自的冲击危险预警临界值，对切眼外错区域起到了良好的卸压作用，降低冲击危险。