不规则孤岛工作面采动应力演化特征

2021-03-13乔冲王川

山东煤炭科技 2021年2期

乔冲王川

（枣庄矿业（集团）有限责任公司田陈煤矿，山东滕州 277532）

在采煤过程中，由于采煤工艺或生产地质条件的原因，会留下或多或少的形状不规则煤柱，这些煤柱称之为复杂煤柱。随着开采活动的进行，不规则煤柱遗留的情况越来越多，并且储量还十分可观。为了提高煤炭采出率，降低资源浪费，我们不得不将不规则煤柱开采出来。但是，在周边采动影响下，煤柱在回采前应力集中程度往往较高，在回采期间采动应力的叠加影响下不规则煤柱开采很容易形成冲击地压事故[1-3]。不规则煤柱开采发生冲击地压的原因有两个方面：（1）不规则煤柱回采采动应力演化规律掌握不明，覆岩运动规律揭示不清；（2）不规则煤柱冲击地压的预测预报、解危措施不到位，管理者及工人防冲意识淡薄，责任不明晰[4-6]。

山东田陈煤矿23下608 工作面为不规则孤岛工作面，经过前期两个分层工作面开采，地表已经形成稳定的塌陷区，预计本工作面开采将使塌陷程度进一步加深。煤层埋藏深度为627～711 m，处于冲击地压危险性升高阶段，回采期间容易发生冲击地压事故。工作位置如图1 所示。

图1 工作面布置情况

为了预测回采期间不规则孤岛工作面的采动应力分布规律，并以此为依据制定冲击地压防治措施，本文采用数值模拟试验和工程实践相结合的方法，以孤岛工作面回采期间的采动应力演化为研究对象，对比工作面向形状变化处推进和远离形状变化处推进时应力大小的不同，分析不规则孤岛工作面两巷处应力水平的差异，得到不规则孤岛工作面冲击地压防治重点，进而研究不规则孤岛工作面的冲击地压防治措施，为类似条件下不规则孤岛工作面的冲击地压防治提供依据。

1 数值模拟模型建立

数值模拟是研究工作面覆岩运动及采动应力的有效手段，具有有效反演的优势，是工程工作者的重要工具。本文以23下608 工作面开采为研究对象，采用FLAC3D软件模拟分析该工作面在回采期间采动应力的演化特征。在开采前，本工作面已三面采空，形状不规则，属于孤岛工作面。模型的范围：290 m（长）×270 m（宽）×80 m（高）。模型前后、左右及下表面采用位移和应力约束。根据研究区域内的综合地质柱状图及其顶底板条件，建立了数值模拟计算模型，在模型顶板施加7.2 MPa 的应力替代上覆岩层重力。网格模型如图2 所示，煤层及顶底板物理力学参数由实验室物理力学试验获得，具体参数见表1。

图2 计算网格模型网格划分

表1 煤岩物理力学参数表

2 不规则煤柱采动应力分布特征

2.1 工作面开采之前的应力状态

23下608 工作面三面采空，其东部为实体煤，工作面未开采之前，工作面煤体在上覆压力作用下煤柱处于应力集中状态。煤柱不规则区域与规则区域边界线用A 表示，如图3 所示。

图3 工作面开采前的直接顶应力分布云图

由图3 可见，在工作面回采前煤柱存在高应力集中区，高应力区主要分布在巷道拐角处，应力集中系数最大可达3.6，而其他区域均处于卸压区。此外，在工作面形状发生变化的一侧应力集中要远大于形状规则一侧。

2.2 工作面支承压力演化规律

根据开采设计，23下608 工作面由形状规则区域向形状不规则区域推进，工作面推进时，采空区以空单元代表。工作面推进过程中采动应力分布特征如图4 所示。

图4 工作面推进到不同相对位置时的应力分布云图

由图4（a）、4（b）、4（c）可知，工作面在向边界线A 推进过程中，采动应力的最大值表现出持续增加的趋势，从29.7 MPa 增加到33.2 MPa，表明工作面发生冲击地压的可能性逐步增加。但是高应力区范围的变化呈现出相反的趋势，其高应力区的范围是逐渐缩小的，这是由于边界线A 处的工作面形状发生了急剧变化，使采动应力发生转移，应力转移到工作面内部，使工作面内部应力升高到了10 MPa，同时也表明了对于孤岛工作面，在回采期间我们不仅要注意巷道的冲击地压预测与防治，还要密切关注煤壁处的应力变化，做好工作面防冲的准备。边界线A 后面的应力集中程度明显大于前面，边界线后面达到了21～24 MPa。

由图4（d）、4（e）、4（f）可见，随着工作面宽度逐渐减小，工作面支承压力峰值不断增加，从43 MPa 增加到了54 MPa，增加了26%，应力集中系数从6.0 增加到了7.5，应力集中系数增加了25%，工作面发生冲击地压的危险性进一步增加。在应力集中程度较高区域，与边界线A 相距40 m处相比，当边界线A 在距工作面30 m 处有明显的扩大。由应力分布云图可以看出，从工作面前方到停采线范围内都处在高应力状态。此外，工作面内部采动应力也出现了明显的增大现象，应力值在12～15 MPa 之间，同时表明了工作面整体发生冲击地压的可能性也逐步攀升。

由图4（g）可见，距离工作面停采线10 m时，工作面超前支承压力峰值开始减小，峰值为36 MPa。但是工作面内部的支承压力却显著增加，达到了30～33 MPa，这是工作面整体发生冲击的可能性达到了最大值，要注意对工作面煤壁处的卸压，并加强监控，避免发生煤壁冲击地压事故。

由图4（d）～4（g）可见，随着工作面由距离边界线A30 m 到距离边界线A10 m，支承压力峰值增加了11 MPa；而从距边界线A10 m 处推进到远离边界线A30 m 处时，工作面的超前支承压力峰值仅仅增加了3.7 MPa。表明工作面形状变化时，应降低其推进速度，使煤体缓慢受压，这样能缓慢释放煤体内积聚的能量，避免煤体内能量超过其承受能力而发生强烈的矿压显现。

综上所述，在工作面推进过程中，应力的变化是不均匀的，冲击地压发生的可能性也是不相同的，不规则一侧的工作面应力远远大于规则一侧，工作面形状发生变化的一侧是防治冲击地压的重点，应加强不规则侧巷道的冲击地压预测预报措施，加大卸压力度。同时随着回采距离的加大，工作面煤壁发生冲击地压的可能性也随之增加，应加强工作面煤壁的冲击地压预测与防治工作，避免煤壁前方应力超限而发生冲击地压。

3 不规则孤岛工作面巷道布置

巷道的应力集中是形成冲击地压的重要条件，而沿空送巷能有效减小巷道的应力集中程度，因此在不规则孤岛工作面巷道布置时最好采用沿空送巷的布置方式，以保证安全。而当巷道从形状规则区域向形状不规则区域掘进时，要改变巷道的掘进方向，避免在高应力区域掘进。图5 是复杂不规则孤岛回采工作面巷道布置方式图。研究表明，巷道的布置方式对采掘期间巷道的应力水平起到至关重要的作用，是冲击地压防治的基础措施，沿空送巷是预防冲击地压发生的重要手段。此外，在采掘期间还要加强不规则区域的冲击地压预测预报及解压管理。