复合动力灾害条件下孤岛工作面区段煤柱宽度留设研究*

杨光宇，姜福兴，李 琳，李乃录，魏全德，张 恒，马庆福

(1. 北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083;2. 彬县水帘洞煤炭有限责任公司，陕西 彬县 713500； 3. 兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017010)

0 引言

孤岛工作面在开采过程中面临的冲击地压灾害十分严重，对其灾害防治已经成为我国乃至世界采矿界的重大难题之一[1-2]。国内外多位学者专家对孤岛工作面开采期间的覆岩空间运动、应力变化分布及冲击地压危险性的防治方面进行了深入研究，取得了一定的成果。姜福兴[3]等分析了四面采空孤岛工作面采场覆岩的多层空间结构运动与采动应力场的相互关系，提出顶板覆岩“四周一体”的运动方式；窦林名[4]等结合现场孤岛工作面分析了围岩高应力集中程度及剧烈运动规律，对其高冲击危险性提出监测及控制方案，进行早期预报和同步治理的实用技术确保了孤岛工作面安全高效生产。

陕西彬长矿区某矿在沿空工作面开采时已有冲击地压显现，同时面临煤与瓦斯突出、采空区突水以及发火等多种动力灾害。即将开采的3803工作面为矿井遗留下来的首个孤岛工作面，开采过程中面临的上述动力灾害将更为严重。留设合理的区段煤柱是防治该工作面复合动力灾害的关键，区段煤柱的主要作用是隔离采空区[5-10]，合理的区段煤柱可以使得巷道处于低应力区域，降低冲击危险[11-14]；同时可以隔绝与相邻采空区的气体交换及涌水，防止采空区发火以及采空区的灌浆水涌入本工作面巷道。

本文通过采用理论分析和现场实测的方法，分析研究了该孤岛工作面覆岩空间结构、应力分布、复合动力灾害防治以及工作面资源回收率等因素，得出了该工作面合理的区段煤柱宽度，保证了工作面的安全开采。

1 工程条件分析

1.1 地质条件

陕西彬长矿区某矿主采为4层煤，平均煤厚9.58 m，倾角平均7°，硬度平均3.5，属特厚煤层。

3803孤岛工作面走向长约2 110 m，倾向长约210 m。工作面平均采深约350 m，最深处距地表约560 m，煤层厚度约为9～13 m。3803工作面距离开切眼480 m以内北部为3805采空区，采空区宽度为156 m；3803工作面距离开切眼480 m以外北部为3805，3807采空区群，采空区宽度为295 m；3803工作面距离开切眼350 m以内南部为3802，3804采空区群，采空区宽度为355 m；工作面距离开切眼350 m以外南部为3801，3802，3804采空区群，采空区宽度为535 m,如图1所示。

图1 水帘洞煤矿三采区示意Fig.1 The sketch map of Shuiliandong mine 3rd mining area

1.2 煤的冲击倾向性

通过实验测试了水帘洞煤矿4煤试样动态破坏时间、冲击能量指数、弹性能量指数及单轴抗压强度，根据鉴定结果该煤层具有弱冲击倾向性。

1.3 瓦斯含量

煤矿瓦斯相对涌出量为10.36 m3/t，绝对涌出量5.11 m3/min，CO2相对涌出量为6.10 m3/t，为高瓦斯矿井。

1.4 煤层易发火

鉴定的煤层自燃倾向性为Ⅰ类易自燃，自燃发火期60 d，属易发火煤层。

1.5 水文地质

根据西安煤科院的研究，矿井水文地质条件中等,工作面开采过程中存在相邻采空区及本工作面灌浆及防尘涌水。

综上，该孤岛工作面在易冲击煤层、高瓦斯以及易发火、涌水等因素的影响下，开采过程中存在冲击地压、煤与瓦斯突出、采空区发火及工作面突水等复合动力灾害，留设合理的区段煤柱是防治该工作面复合动力灾害的关键。

2 基于工作面覆岩空间结构运动的应力分布研究

2.1 地表沉陷分析

根据地表沉陷情况及岩移观测站数据，结合矿区实际情况进行计算。其走向移动角δ=72°，上山移动角γ=75°，下山移动角β=67°，表土层移动角ψ=45°，最大下沉角θ=85°，边界角β0=40°，γ0=55°，δ0=66°，裂缝角β″=45°，γ″=62°，δ″=68°。移动角调整值△β=16°，△δ=20°，△γ=20°。

2.2 工作面覆岩空间结构分析

采场覆岩空间结构的概念中有2个含义：采场周围岩体破裂边缘的形状特征；破裂区内部岩层形成的运动结构。前者(破裂)是后者(结构)形成的基础。姜福兴[15]有关覆岩空间结构的研究认为，覆岩空间有4种基本结构,即“中间有支撑”的“θ”型、“中间无支撑”的“O”型、“S”型和“C”型。

3803孤岛工作面在回采过程中两侧采空区范围不断变化，处于由不完全孤岛向完全孤岛过渡的阶段。按照工作面两侧采空区范围不同，将3803工作面分为3个区域进行研究，结合地表沉陷观测来分析其覆岩空间结构。如图2所示，分别沿区域1“A-A′”、区域2“B-B′”和区域3“C-C′”做工作面倾向方向剖面图，分别如图3、图4和图5所示，分析其覆岩空间结构。

图2 3803孤岛工作面区域划分示意Fig.2 The sketch map of regional division of 3803 island working face

图3 区域1沿“A-A′”所示3803工作面倾向 覆岩空间结构示意Fig.3 The spatial structure of overlying strata in 3803 working face dip along “A-A′” in area 1

图4 区域2沿“B-B′”所示3803工作面 倾向覆岩空间结构示意Fig.4 The spatial structure of overlying strata in 3803 working face dip along “B-B′” in area 2

图5 区域3沿“C-C′”所示3803工作面 倾向覆岩空间结构示意Fig.5 The spatial structure of overlying strata in 3803 working face dip along “C-C′” in area 3

2.3 工作面开采过程中的覆岩空间运动研究

2.3.1 “S”型覆岩空间结构动应力

3803工作面在不完全孤岛区域时，一侧实体、一侧采空，会形成“S”型覆岩空间结构，如图6所示。

图6 3803孤岛工作面开采不完全孤岛区域时 “S”型覆岩空间结构平面示意Fig.6 3803 island mining face’s S-shaped spatial structure of overlying strata in incomplete mining

随着工作面推采，“S”型覆岩空间结构亦不断向前发展，高位岩层断裂的产生动压是诱发冲击地压的关键因素。动压会形成高于静压数倍的应力，使煤体瞬间变形，形成冲击地压。形成的“S”型覆岩空间结构产生动压作用于3803巷道及工作面，为了工程上应用方便将其产生的叠加应力近似为静应力的1.5倍。

2.3.2 “C”型覆岩空间结构动应力

3803工作面回采不完全孤岛区域后，开始回采如图7所示的剩余完全孤岛区域。该区域两侧均为采空区，开采过程中形成“C”型覆岩空间结构，如图7中所示的岩层断裂线和岩层触矸线。

图7 3803孤岛工作面剩余开采区域 “C”型覆岩空间结构平面示意Fig.7 3803 island mining face’s C-shaped spatial structure of overlying strata in remaining mining

受“C”型覆岩空间结构的影响，本工作面采空区与相邻采空区共同运动，使得上覆岩层的破裂高度增加，工作面及两侧采空区覆岩再次产生大面积破断现象，覆岩空间结构运动带来的动压对工作面两侧巷道将产生严重破坏。形成的“C”型覆岩空间结构产生动压作用于3803工作面及巷道，为了工程上应用方便将其产生的叠加应力近似为静应力的2倍。

2.4 基于覆岩空间运动的叠加应力估算

根据3803工作面两侧采空区倾向宽度及覆岩空间结构分布情况，基于采空区侧向支承压力理论计算模型[16],分别计算工作面相邻采空区的侧向支承压力。可得3803孤岛工作面在区域1、区域2、区域3沿倾向的静应力分布。

采掘工作面围岩中都存在动态支承压力和静态支承压力，3803工作面侧向支承压力计算的结果为工作面开采前所处的静态支承压力，3803工作面回采过程中，本工作面采空区与3807，3805，3801，3802，3804工作面采空区顶板一起运动，区域1开采过程中主要受“S”型覆岩空间结构的影响，产生的叠加应力值近似为静态支承压力的1.5倍；区域2和区域3开采过程中主要受“C”型覆岩空间结构影响，产生的叠加应力值近似为静态支承压力的2倍。

综上，通过计算可得该工作面开采期间的叠加应力分布如图8，9，10所示。

图8 3803孤岛工作面区域1沿倾向动、静叠加应力分布Fig.8 The static and dynamic stress distribution diagram of island mining face 3803 in area 1

图9 3803孤岛工作面区域2沿倾向动、静叠加应力分布Fig.9 The static and dynamic stress distribution diagram of island mining face 3803 in area 2

图10 3803孤岛工作面区域3沿倾向动、静叠加应力分布Fig.10 The static and dynamic stress distribution diagram of island mining face 3803 in area 3

3 采空区侧向支承压力分布特征现场实测

3.1 应力动态测站布置

在3805工作面回采期间对与其相邻的3803孤岛工作面煤体应力进行观测，确定煤体的应力峰值区域和变化趋势，为3803不规则孤岛工作面的煤柱留设提供数据依据。

在3805工作面回风顺槽靠近3803孤岛工作面一侧的3个区域设立3个应力观测站，每个观测站中布置安装8，15，24和30 m钻孔应力计各1个。共12个应力观测点。具体位置如图11所示，分别为：

1) 3805回风巷距切眼610 m，工作面推采过煤柱区域后的第1次见方处。

2) 3805回风巷距切眼760 m，双工作面见方处。

3) 3805回风巷距切眼810 m，双工作面见方后50 m处。

图11 应力测站布置平面示意Fig.11 Stress station layout sketch

3.2 应力监测数据及岩层运动结构分析

布置的3组应力测站在监测过程中，第1组应力测站的监测数据最为完整，依据第1组测站监测到的应力数据，对3803工作面覆岩运动进行分析。第1组测站应力测点监测数据如图12所示。

图12 第1组应力测点监测数据Fig.12 The first sets of stress measuring points monitoring data

根据应力监测数据对其上覆岩层的断裂情况进行分析研究。

如图12区域①所示，在工作面距离第1组测点20 m左右时，第1组测站孔深24 m测点应力值下降，与此同时孔深15，8 m测点应力值开始上升，孔深30 m测点应力值没有明显变化。由此推断出煤层上覆高位顶板在距离煤壁24 m左右区域开始断裂，从而导致15，8 m测点应力开始上升。

如图12区域②所示，在工作面推过第1组测点54 m左右时，第1组测站孔深15 m测点应力值突然下降，同时孔深8 m测点应力值开始上升，孔深30，24 m测点应力值没有明显变化。该区域由于上覆高位顶板在距离煤壁24 m附近断裂后，该层位岩层回转致使该岩层下位岩层突然发生断裂，下位岩层断裂的位置距离煤壁15 m左右，该区域的岩层断裂后，致使距离煤壁15 m处的测点应力急剧下降，距离煤壁8 m处的测点应力开始上升。

随着工作面继续回采，采空区上方直接顶垮落并充填采空区，上覆岩层继续断裂向煤壁作用，使得孔深15，8 m的测点应力值开始上升，如图12区域③～④的阶段。该阶段孔深30，24 m的测点应力值均无明显变化，15，8 m的测点应力上升，说明该阶段上覆岩层作用于煤壁的应力影响范围在15～24 m之间，24 m之外的煤壁，受到上覆岩层运动带来的应力变化较小。

如图12区域④所示，在工作面距离第1组测点97 m左右时，第1组测站孔深30，24 m测点应力值均无明显变化，孔深15 m测点应力值开始下降，8 m测点应力值继续上升。由此推断出煤壁上方直接顶在上覆高位岩层组回转的作用下在距离煤壁8 m左右区域开始断裂，从而导致孔深15 m测点上方承受的上覆岩层应力减小，孔深8 m测点应力继续上升。

在工作面推过第1组应力测站100 m左右后，24，30 m测点的应力值逐渐开始稳定，8 m的应力测点受到上覆岩层运动的作用应力仍缓慢的上升。该现象说明，在距离3805采空区边界宽度15 m以内的煤体，在3805采空区边界形成的“覆岩拱形保护结构”之内，如图13所示。

图13 3805采空区边界煤柱区域的岩层 “拱形小结构”示意Fig.13 The sketch map of 3805 goaf boarder area coal pillar rock’s small arch strucutre

4 煤柱合理宽度的确定

4.1 基于防冲的煤柱宽度确定

4.1.1 大煤柱

根据该矿工作面防冲工程经验，以巷道煤体单轴抗压强度的1.5倍作为冲击危险性判别线。该工作面开采过程中，测得煤体单轴抗压强度约为18 MPa，故该工作面冲击危险性的判别强度为18×1.5=27 MPa。

根据得出的区域1，区域2，区域3叠加应力，计算出受力小于冲击危险性判别线的范围。从而确定3803工作面上、下巷煤柱的留设区域范围。

如果采用大煤柱方案，3803工作面下巷煤柱留设宽度不能超过25.3 m，上巷煤柱留设宽度不能超过30.29 m。

4.1.2 小煤柱

根据侧向支承压力的监测数据，分析可得在距离3805采空区边界宽度15 m以内岩层形成“覆岩拱形保护结构”,巷道布置在该区域内，其所受的应力较小，冲击危险性低。

在3803工作面与3805采空区留设5～7 m宽的小煤柱，3803巷道掘进采用大断面(5 m×3.8 m)的方式，依据应力监测数据分析的结果，采用该种方式掘进，巷道处于“拱形小结构”保护范围之内，且巷道距实体煤一侧的保护距离为6～7 m，如图14所示。

图14 3803工作面小煤柱留设方案示意Fig.14 The thin coal pillar setting sketch map in 3803 working face

4.2 基于次生灾害控制的煤柱宽度确定

从防灭火的角度考虑，根据之前其他科研单位的研究，其煤柱宽度不宜小于4.0 m。

4.3 基于巷道支护的煤柱宽度确定

从锚固支护的有效性考虑，该工作面巷帮采用2.4 m的锚杆和4.3 m的锚索，故其煤柱宽度不宜小于5.0 m。

4.4 最终煤柱留设方案对比分析及确定

综合考虑工作面的冲击危险性、卸压工程量、支护工程量、防治水工程量、防灭火工程量以及资源回收率等因素，可以得到表1所示的煤柱留设方案对比表。

表1 煤柱留设方案对比

根据对比结果，建议3803工作面开采采取5～7 m的小煤柱方案。小煤柱方案围岩变形量将增大，但冲击危险性大大降低。

5 工程验证

该孤岛工作面最终采用6 m的小煤柱进行掘进，在掘进过程中严格按照小煤柱开采期间制定的防灾措施进行落实,同时采用掘进工作面综合监测预警设备对掘进过程中的复合动力灾害进行实时在线监测预警。目前，该工作面上巷已经掘进完成，在掘进过程中由于采取了合理的防冲、支护等措施，工作面未发生任何动力灾害，实现了特厚煤层不规则孤岛工作面的安全掘进。

6 结论

1)鉴于该工作面复合动力灾害防治和资源回收的要求，区段煤柱以采用小煤柱方案为宜。通过现场实测和理论分析，确定该特厚煤层孤岛工作面的合理区段煤柱为5～7 m。

2)该工作面在上、下巷采取6 m煤柱进行掘进，在掘进期间采取了合理的防灾和巷道支护措施，对工作面掘进期间的冲击地压、瓦斯突出、采空区发火和涌水等复合动力灾害进行了有效的控制，保证了工作面的安全掘进。

3)实践表明，确定的6 m区段煤柱宽度较为合理，该区段煤柱有效的降低了工作面开采过程中的复合动力灾害危险。

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