孤岛工作面应力分布规律及防冲技术研究

2018-09-20贾传洋

中国矿业 2018年9期

贾传洋

(临沂大学土木工程与建筑学院，山东临沂 276000)

冲击地压是深井开采中常见的一种自然灾害，在煤矿井工开采过程中易造成强烈的围岩失稳现象。对于冲击地压等矿井动力灾害而言，上覆岩层结构形态决定了矿山压力的显现程度，工作面开采过程中，采场围岩结构不断发生变化，由采动引起的覆岩空间结构岩层的运动，包括高位厚硬顶板的结构块回转、垮落，导致应力重分布和应力集中，造成冲击地压发生[1]。其中孤岛工作面由于其独特的开采布置方式及覆岩空间结构，使得孤岛工作面采场矿压显现规律与非孤岛工作面不同[2-4]。因此，有必要研究孤岛工作面覆岩结构形态及应力分布规律，提出有效的孤岛工作面防冲措施，对于孤岛工作面冲击地压防范具有重要的实践指导意义。

1 孤岛工作面覆岩结构形态

覆岩空间结构是指老顶及上方的岩层破裂后在采场周围形成的三维结构。常见的覆岩空间结构有“O”型、“S”型、“C”型和“θ”型[5-9]。

“C”型覆岩空间结构采场对应的是三面采空的孤岛工作面(图1)。对于孤岛工作面某一特定的坚硬岩梁，在采空区侧的触矸线附近，存在一个应力集中区，在实体煤侧的断裂线附近，也存在一个应力集中区。坚硬岩梁破断后向触矸线及断裂线下方的岩体转移，在实体煤及采空区矸石上形成两个应力集中区[10]。

图1 典型覆岩空间结构

2 孤岛工作面围岩应力分布数值模拟

2.1 工程背景

本次研究以某工作面为工程背景，工作面位于-708 m水平，地面标高为39.4～39.9 m，井下标高为-691.8～-769.4 m，主要开采煤层为3#煤层，工作面走向长1 200 m，倾向长110 m，煤层开采高度7.2 m。两侧工作面已开采完毕，工作面宽度分别为90 m、80 m，其中孤岛工作面与两侧工作面之间的煤柱宽度为4 m。

2.2 数值模型建立

模型尺寸为400 m×300 m×100 m(长×宽×高)，模型共有492 400个单元体。模型四个侧面为水平位移约束，底面为竖向位移约束，顶面为载荷边界，载荷大小为模型上边界的上覆岩层自重。数值模拟模型如图2所示。

图2 数值模拟模型

2.3 围岩物理力学参数

根据现场钻孔得到的煤层柱状图和岩体物理力学参数，模型所采用的煤层及其顶底板岩层物理力学参数见表1。

表1 岩层物理力学参数表

2.4 围岩应力分布规律

图3和图4为不同开采环境下的煤层垂直应力场云图及三维视图。通过分析不同工作面形态条件下煤层垂直应力分布图可知，采空区分布位置决定了工作面的开采形式，且对工作面四周的应力分布影响很大，也是造成孤岛工作面矿压显现不同于一般工作面的主要原因。图3和图4揭示了随着工作面形态的变化，工作面支承压力分布形态、峰值大小及影响范围同时发生变化。

1) 当工作面后方为采空区时，即普通工作面正常回采(“O”型)，工作面开采过程中应力分布均匀，工作面两侧超前支承压力分布形态呈对称的马鞍形，支承压力峰值相对较小，为41.2 MPa，超前支承压力峰值距工作面煤壁15 m，距巷帮12 m,同时在工作面后方的采空区两侧巷道煤壁5～10 m深处存在较高的应力集中，虽然位于工作面后方，但采空区顶板的破断会对工作面回采产生一定的扰动。

2) 当工作面后方及一侧为采空区时(“S”型)，由于采空侧侧向支承压力与超前支承压力相互叠加，使得存在采空区一侧的支承压力峰值要高于实体煤侧，工作面前方支承压力分布形态整体呈不对称的马鞍形。采空侧应力叠加后峰值高达75.9 MPa，峰值距工作面煤壁15 m，距巷帮13 m。实体煤侧的应力分布情况与普通工作面正常回采时相差不大。

图3 垂直应力场云图

图4 垂直应力三维视图

3) 当工作面后方及两侧采空时(“C”型)，由于两侧采空范围相当，两侧采空侧向支承压力相差不大，工作面前方叠加后的应力分布基本上呈对称的马鞍形，工作面煤壁前方的边角处出现应力高峰，距巷帮和工作面煤壁13～15 m，峰值达到81.8 MPa。

4) 当工作面周围四面采空时，受采空侧向支承压力及超前支承压力叠加影响，工作面煤体四个边角处出现应力集中现象；同时受超前支承压力作用范围影响，使得靠近推进侧的边角处应力峰值比远离推进侧大，且靠近推进侧应力峰值达到94.3 MPa，远离推进侧的应力峰值为85.2 MPa。

不同开采坏境条件下煤层超前支承压力情况见表2。通过上述分析可知，采空区的分布决定着工作面支承压力分布形态、峰值大小及影响范围，采空区的存在，使得偏向采空区侧的超前支承压力比实体煤侧相对较高，峰值向煤体深部转移，影响范围广；同样由于采空区的存在，孤岛工作面推进过程中，工作面前方煤体的边角处受应力叠加作用，应力集中程度高，巷道处于高应力危险区域，发生冲击危险的可能性大，开采过程中需要重点防范，并采取相应的防冲措施。

表2 不同开采坏境条件下煤层超前支承压力情况表

3 孤岛工作面冲击地压防治措施

3.1 孤岛工作面冲击危险性分析

为了保证孤岛工作面安全回采，需弄清诱发冲击地压的潜在因素，在总结前期开采工作面冲击地压事故发生的基础上，获得本次研究的工作面可能诱发冲击地压危害的因素有如下几个方面。

1) 煤层具有冲击危险性。通过室内实验数据表明，3#煤层的煤质较脆，3#煤层具有强冲击倾向性，具备诱发冲击地压的可能性。

2) 坚硬顶板。根据工作面实际地质条件，3#煤层上覆岩层存在厚层硬砂岩，易形成大面积悬顶，从而聚积大量弹性能。

3) 埋深大。工作面平均开采深度在770 m左右，就开采深度而言，工作面具备发生冲击地压的深度条件。

4) 孤岛开采影响。由数值模拟结果可知，受采动影响，两侧工作面覆岩发生破断，造成孤岛工作面边角煤体形成侧向支承应力集中。

3.2 孤岛工作面防冲技术

3.2.1 煤层注水

由于3#煤层具有强烈冲击倾向性，采用煤层注水方式降低冲击地压发生概率。煤层注水采用双向长钻孔注水方式，即长钻孔高压预注水和静压注水相结合的方式进行煤层注水。注水孔布置在上平巷的下帮和下平巷的上帮，垂直巷道走向；上平巷和下平巷的第一个注水孔超前回采工作面的距离为30 m，孔距20 m；钻孔倾角沿煤层方向钻进，孔口位置位于巷道底板上方1.2～2 m处，终孔位置在煤层顶板下方0.5 m处。高压注水压力不低于8 MPa，静压注水压力为防尘管路压力。当动压注水进入工作面超前100 m范围内后，改为静压注水，采用静压补水。当注水孔进入工作面前20 m范围内时，改注下一组注水孔，工作面每次不低于2个孔注水。

3.2.2 大直径钻孔卸压

孤岛工作面应力分布规律表明，工作面边角处易产生应力集中现象，而大直径钻孔卸压可有效的降低应力集中程度。大直径卸压钻孔采用ZQJ-300/6型气动架柱式钻机，孔径110 mm，钻孔仰角5～8°，孔深15 m，大直径钻孔布置平面示意图如图5所示。除表3划定的危险区以外，停采线周围300 m范围全煤巷道全部按3 m间距施工卸压孔；采放厚度5～8 m时，孔深22 m。对于大孔径钻孔卸压方式，若卸压效果不明显，可加密钻孔、增大钻孔深度。

图5 大直径钻孔布置示意图

3.2.3 深孔断顶卸压

深孔断顶爆破可以使老顶和上覆厚层坚硬岩层产生大量裂隙，人为形成多次断裂条件，避免坚硬顶板一次断裂形成较大动压显现。深孔断顶爆破卸压钻孔布置见图6。钻孔应斜向工作面内，钻孔直径大于70 mm，采用SM-Ⅱ型二级煤矿许用小直径水胶炸药配合延期电雷管1～5段爆破。起爆器使用MFB-100型发爆器，采用正向装药结构，一次装药3～4个爆破孔同时起爆，连线方式为串联。