深部采场整体失稳风险分析
2020-10-14沈建波詹召伟
程 刚，沈建波，詹召伟
（1.山东济宁运河煤矿有限责任公司，山东济宁，2725001；2.山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿，山东济宁，272155）
0 引言
随着浅部资源的枯竭，煤炭开采深度逐年增加，在深井高应力影响下巷道围岩所处应力状态恶化导致动力灾害增多[1-2]，如冲击矿压事故，该类事故不仅能造成井巷破坏、人员伤亡、地面建筑物破坏，而且极有可能引起瓦斯、火灾、突水等伴生灾害[3-4]，严重影响着煤矿的安全、高效开采。
在煤矿采场结构中，煤柱或者窄面由于受相邻采空区支承应力影响，容易出现煤柱或面内高应力集中现象，严重时会引发煤柱失稳或窄面整体冲击[5-6]。阳城煤矿3305工作面是该矿目前回采的面宽最窄的工作面，最大埋深约1060m，属于典型的深部窄面采场，本文基于理论计算和现场实测方法对工作面整体失稳冲击危险性进行分析研究，最终探求深部窄面稳定性分析方法。
1 工作面概况
3305工作面主要开采3煤层，地表标高+38.5～+39.6，井下巷道标高-820～-1020，最大埋深约1060m，工作面倾斜宽80m（平距），井下实际长度93m，现阶段3305工作面已完成掘进贯通，近期要回采。掘进期间两顺槽已完成卸压孔施工，整体情况为：轨道顺槽施工卸压孔深20m，孔径150mm，沿煤层倾斜方向，组间距不大于1.5m，皮带顺槽两帮施工卸压孔，回采帮孔深20m，孔径150mm，间距不大于1m；非回采帮施工卸压孔8m与20m间隔施工，整体间距不大于1m。DF53断层走向倾角为50°，倾向倾角为320°，倾角为70°，断层落差0～35m的正断层，3305工作面基本情况如图1所示。
图1 3305工作面平面示意图
2 整体失稳极限面宽理论分析
2.1 理论计算模型的建立
在不考虑断层影响下，煤柱受到采动影响后保持稳定的基本条件是：煤柱两侧产生塑性变形后，煤柱中央仍处于弹性应力状态，即在煤柱中央保持一定宽度的弹性核，煤柱的宽度是根据各个分区的宽度来确定的，即煤柱两侧的塑性区和中间弹性区，如图2所示。
图2 煤柱弹塑性区及应力分布
上图中弹性核区的宽度应为煤柱高度的1～2倍，对于一侧采空的煤柱合理宽度：
式中：x0为回采空间侧塑性变形区宽度，m；M为煤层开采厚度，m；R为巷道侧塑性变形区宽度，m。
2.2 煤体塑性区宽度极限平衡法分析
根据岩体的极限平衡理论，可得到3305工作面采空侧煤体塑性区宽度x0：
式中：K为应力增高系数；P1为支护对煤帮的阻力，MPa；C为煤体的粘聚力，MPa；Φ为煤体的内摩擦角，°；F为煤层与顶底板接触面的摩擦系数；Γ为岩层容重，kN/m3；Ξ为三轴应力系数。
3305工作面采空侧煤体塑性区尺寸各计算参数，如表1所示，将表1参数代入（2）式，经计算x0的数值约37.55m。
表2 煤体塑性区尺寸计算参数表
同样根据岩体的极限平衡理论，可得到3305皮顺掘出后采帮侧所形成的塑性区宽度R：
式中：m为巷道高度，取值3.5m；Β为极限平衡区与核区界面处的侧压系数，取值0.5。
将参数代入（3）式，经计算R的数值约为12.1m。再应用公式（1），取弹性核宽度为2倍煤层厚度，即3305工作面煤柱保持稳定的尺寸应当大于：
B=x0+（1～2）M+R=37.55+2×7.2+12.1=64.05m。
由于工作面平距面宽80m大于64.05m，理论分析在不考虑断层构造的情况下，该工作面不会出现整体失稳冲击危险。
3 3305工作面应力状态现场监测
3.1 监测方案设计
采用微震、煤岩主动CT反演监测3305工作面煤体应力情况。在微震监测方面，在3305轨顺、皮顺分别安装2个SOS检波器。CT反演方面，在工作面掘进、初次来压前、初次来压后分别做了1次主动波CT反演，轨顺安装接收检波器，皮顺施工爆破孔，爆破孔间距9m，每次施工爆破孔20个。
3.2 3305工作面监测数据分析
从2019年12月回采至2020年2月SOS微震事件（大于5000J）能量如图3所示。从微震事件空间分布看，微震事件集中分布在工作面向外至工作面超前160m范围内；两顺槽附近事件较多，工作面内事件较少。
在工作面掘进及回采期间做了3次煤岩主动CT反演，结果如图所示，从3次反演结果看，工作面内部没有明显的高应力集中区，工作面整体稳定。
图3 微震事件分布图（≥5000J）
图4 CT反演波速异常系数图
4 结论
1）本文通过理论计算得到了3305工作面临界平距面宽64.05m，大于工作面平距80m，在不考虑断层构造的情况下工作面整体稳定，不会出现整体失稳。
2）通过微震和主动波CT反演分析，工作面内部无高应力集中区，不存在应力过度集中的现象，工作面整体稳定。
3）分析结论成果可以在类似工作面应用，但由于3305工作面受断层影响，还需对断层影响下的整体稳定性进行分析论证。
