吳紹輝

（山東能源集團，山東 濟南 250000）

沖擊地壓以其突發(fā)性、瞬時震動性、強破壞性、復雜性等特點已成為威脅沖擊地壓礦井安全生產(chǎn)的主要災害。近年來，三側(cè)孤島面在回采中發(fā)生沖擊地壓的比例逐年上升，統(tǒng)計結(jié)果表明該類工作面見方期間沖擊地壓占比30%以上。針對這一問題，國內(nèi)防沖專家開展了一系列的研究工作并提出了各自的見解。龐緒峰[1]等推導了孤島工作面彎曲應變能簡化公式，說明了彎曲應變能在見方時最大；張煒等[2]說明了孤島工作面超前支撐壓力峰值大于普通工作面；蔣金泉等[3]研究了孤島工作面采空區(qū)支撐壓力峰值；姜福興等[4]提出了孤島工作面斷裂型礦震的預測；譚云亮等[5]研究了頂板見方來壓條件。以上工作對于沖擊地壓理論的完善具有重要意義，但是目前尚缺乏對于三側(cè)采空區(qū)工作面見方期間高應力區(qū)應力規(guī)律的研究。

基于此，以梁寶寺礦3210工作面為例，本文對工作面見方期間應力在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，并運用計算機數(shù)值模擬的方法研究了應力分布規(guī)律，旨在總結(jié)出孤島工作面見方期間應力積聚的過程，確定沖擊地壓危險區(qū)。為制定防沖措施提供理論依據(jù)。

1 工作面概況

3210工作面煤層為3上煤氣煤，煤層厚度 2.1～3.8m，平均 3.06m，地面標高：+35.5～+40.5m。工作面標高：-638.1～ -689.8m，老頂為中砂巖，厚度6.75m；直接頂為粉砂巖，厚度3.07m；直接底為泥巖，厚度1.2m；老頂為中砂巖，厚度8.6m。四鄰采掘情況：以北4m為3212工作面采空區(qū)，以南4m為3208工作面采空區(qū)，以東為3200采區(qū)軌道上山、皮帶上山、回風上山和進風上山，以西尚無采掘工程。3210工作面上部為軌道順槽，下部為皮帶順槽。如圖1所示。

圖1 工作面位置圖

2 孤島工作面應力傳遞數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為了更加直觀準確地分析孤島工作面見方期間能量傳遞規(guī)律，利用有限元FLAC3D進行數(shù)值模擬，建立三維模型（圖2）。3210孤島面與兩側(cè)工作面之間留設4m煤柱，兩側(cè)工作面寬度均為90m，模型尺寸400×300×100m。對模型側(cè)面進行水平位移約束，底部進行垂直位移約束，頂部為載荷邊界，載荷大小為上覆巖層的自身重力。將煤層分為coalAA-FF 5組。

圖2 結(jié)構(gòu)模型

2.2 工作面開挖

根據(jù)煤層柱狀圖及模擬實驗得出巖層物理力學參數(shù)，如表1巖層物理力學參數(shù)表所示，對模型進行賦值并進行平衡。模擬共分三個階段：（1）開挖兩側(cè)工作面；（2）開挖巷道；（3）開挖研究工作面。每次開挖步距為10m，每次開挖均進行平衡。整個模擬過程共開挖200m。

表1 巖層物理力學參數(shù)表

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)應力云圖3可知：（1）孤島工作面回采前，在煤體周圍應力趨于平衡，采空區(qū)能量趨于穩(wěn)定。（2）隨著工作面開采應力不斷積聚形成應力場，應力峰值首先出現(xiàn)在兩側(cè)煤柱，隨后應力向工作面?zhèn)鬟f。（3）采空區(qū)應力傳遞：三側(cè)采空區(qū)應力→采場上方→工作面實體煤，推采30m時工作面后方采空區(qū)上覆巖層破斷，能量傳遞達到最大。（4）推采100m時工作面進入見方階段。兩側(cè)采空區(qū)上覆巖層活動劇烈，能量傳遞達到最大。

圖3 工作面煤壁前5m應力分布云圖

3 應力監(jiān)測

3210工作面布置有KJ551應力監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效實時監(jiān)測工作面兩巷煤體內(nèi)應力變化情況。應力監(jiān)測能夠直觀呈現(xiàn)工作面應力分布情況與能量積聚過程。根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)指導工作面卸壓措施的執(zhí)行具有重要作用。自工作面向外每間隔25m布置一組應力計，其中回采前第二組距工作面50m。

3.1 超前應力監(jiān)測

如圖4（a）所示，3210工作面皮帶順槽第2組應力計監(jiān)測結(jié)果得到，該組應力計8月31日開始受到超前應力影響，此時工作面推采距離10m，應力計距離工作面41.5m，到9月3日應力值達到最高峰，工作面推采距離26.5m，此時應力計距離工作面25m。得出3210工作面回采對超前影響距離為51m，超前應力高峰位置為前方25m，工作面采空區(qū)對煤體能量傳遞最大時回采26.5m。

通過對應力曲線分析得出采空區(qū)上覆巖層斷裂時，未釋放的應力轉(zhuǎn)移到面前實體煤內(nèi)，與煤體內(nèi)原有應力疊加。（1）工作面初采前采場應力達到一次平衡，此時煤體初始應力為F0=5MPa。（2）工作面推采26.5m時，工作面后方采空區(qū)應力傳遞到煤體，煤體內(nèi)應力積聚達到F1=7.2MPa。則一次能量傳遞系數(shù)k1=F1/F0=1.44。

圖4 應力變化曲線圖

3.2 軌道順槽應力監(jiān)測

如圖4（b）所示，軌道順槽第5組應力計（距切眼110m）自9月16日開始急劇上升，軌道順槽第5組應力值到9月17日（軌道順槽累計進尺103m）達到最大值，8m測點18:23分達到14.61MPa，出現(xiàn)紅色預警，14m測點于21:47分壓力達到17.75MPa，出現(xiàn)紅色預警。

工作面9月17日至18日即處于見方期間（推采103m）來壓強度達到最大，兩側(cè)采空區(qū)與工作面采空區(qū)應力同時傳遞到煤體，煤體內(nèi)成為應力集中區(qū)，此時軌道順槽煤體應力峰值為17.75MPa。3210面處于見方期間，工作面圍巖破壞劇烈，高位巖層的斷裂造成工作面應力明顯增大。

3.3 皮帶順槽應力監(jiān)測

如圖4（c）所示，皮帶順槽第5組應力計（距切眼125m）應力值自9月17日（皮帶順槽累積進尺104m）開始，也出現(xiàn)急劇上升。9月18日18:37分該組8m測點應力值升高到11.5MPa，出現(xiàn)黃色預警，到9月19日21:58分應力值達到18.60MPa，8m測點出現(xiàn)紅色預警。

3210面見方時，皮帶順槽峰值達到Fmax=18.60MPa，最大能量傳遞系數(shù)kmax=Fmax/F0=3.72。能量傳遞系數(shù)越大，兩側(cè)采空區(qū)與工作面采空區(qū)傳遞到煤體的能量越多。孤島工作面煤體內(nèi)應力積聚疊加越高，發(fā)生沖擊地壓的幾率越高。

4 結(jié)論

（1）孤島工作面見方前后，圍巖破壞劇烈，來壓大，高位巖層破裂形成應力釋放區(qū)，未釋放的應力則進行轉(zhuǎn)移，造成工作面煤體內(nèi)應力迅速積聚，形成應力積聚異常區(qū)直至達到動態(tài)平衡。

（2）孤島工作面回采對超前影響距離為40m，超前應力高峰位置為前方25m，軌、皮順槽距切眼75～125m范圍，工作面實體煤與兩側(cè)窄煤柱成為沖擊地壓發(fā)生紅色危險區(qū)。

（3）3210工作面見方期間巷道變形嚴重，發(fā)生沖擊地壓危險性極高。需制定針對性防沖措施：① 煤層注水能夠破壞煤體整體性，增強煤體塑性，從而降低煤體沖擊傾向。② 通過煤層中打直徑42mm鉆孔，即鉆屑法檢驗煤層沖擊性。③ 實施直徑卸壓鉆孔，不但弱化了煤巖結(jié)構(gòu)，降低了沖擊傾向，同時也將圍巖高應力向深部轉(zhuǎn)移。