程 剛，沈建波，詹召偉

（1.山東濟寧運河煤礦有限責(zé)任公司，山東濟寧，2725001；2.山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，山東濟寧，272155）

0 引言

隨著淺部資源的枯竭，煤炭開采深度逐年增加，在深井高應(yīng)力影響下巷道圍巖所處應(yīng)力狀態(tài)惡化導(dǎo)致動力災(zāi)害增多[1-2]，如沖擊礦壓事故，該類事故不僅能造成井巷破壞、人員傷亡、地面建筑物破壞，而且極有可能引起瓦斯、火災(zāi)、突水等伴生災(zāi)害[3-4]，嚴(yán)重影響著煤礦的安全、高效開采。

在煤礦采場結(jié)構(gòu)中，煤柱或者窄面由于受相鄰采空區(qū)支承應(yīng)力影響，容易出現(xiàn)煤柱或面內(nèi)高應(yīng)力集中現(xiàn)象，嚴(yán)重時會引發(fā)煤柱失穩(wěn)或窄面整體沖擊[5-6]。陽城煤礦3305工作面是該礦目前回采的面寬最窄的工作面，最大埋深約1060m，屬于典型的深部窄面采場，本文基于理論計算和現(xiàn)場實測方法對工作面整體失穩(wěn)沖擊危險性進(jìn)行分析研究，最終探求深部窄面穩(wěn)定性分析方法。

1 工作面概況

3305工作面主要開采3煤層，地表標(biāo)高+38.5～+39.6，井下巷道標(biāo)高-820～-1020，最大埋深約1060m，工作面傾斜寬80m（平距），井下實際長度93m，現(xiàn)階段3305工作面已完成掘進(jìn)貫通，近期要回采。掘進(jìn)期間兩順槽已完成卸壓孔施工，整體情況為：軌道順槽施工卸壓孔深20m，孔徑150mm，沿煤層傾斜方向，組間距不大于1.5m，皮帶順槽兩幫施工卸壓孔，回采幫孔深20m，孔徑150mm，間距不大于1m；非回采幫施工卸壓孔8m與20m間隔施工，整體間距不大于1m。DF53斷層走向傾角為50°，傾向傾角為320°，傾角為70°，斷層落差0～35m的正斷層，3305工作面基本情況如圖1所示。

圖1 3305工作面平面示意圖

2 整體失穩(wěn)極限面寬理論分析

2.1 理論計算模型的建立

在不考慮斷層影響下，煤柱受到采動影響后保持穩(wěn)定的基本條件是：煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，煤柱中央仍處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，即在煤柱中央保持一定寬度的彈性核，煤柱的寬度是根據(jù)各個分區(qū)的寬度來確定的，即煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)和中間彈性區(qū)，如圖2所示。

圖2 煤柱彈塑性區(qū)及應(yīng)力分布

上圖中彈性核區(qū)的寬度應(yīng)為煤柱高度的1～2倍，對于一側(cè)采空的煤柱合理寬度：

式中：x0為回采空間側(cè)塑性變形區(qū)寬度，m；M為煤層開采厚度，m；R為巷道側(cè)塑性變形區(qū)寬度，m。

2.2 煤體塑性區(qū)寬度極限平衡法分析

根據(jù)巖體的極限平衡理論，可得到3305工作面采空側(cè)煤體塑性區(qū)寬度x0：

式中：K為應(yīng)力增高系數(shù)；P1為支護(hù)對煤幫的阻力，MPa；C為煤體的粘聚力，MPa；Φ為煤體的內(nèi)摩擦角，°；F為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)；Γ為巖層容重，kN/m3；Ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)。

3305工作面采空側(cè)煤體塑性區(qū)尺寸各計算參數(shù)，如表1所示，將表1參數(shù)代入（2）式，經(jīng)計算x0的數(shù)值約37.55m。

表2 煤體塑性區(qū)尺寸計算參數(shù)表

同樣根據(jù)巖體的極限平衡理論，可得到3305皮順掘出后采幫側(cè)所形成的塑性區(qū)寬度R：

式中：m為巷道高度，取值3.5m；Β為極限平衡區(qū)與核區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)，取值0.5。

將參數(shù)代入（3）式，經(jīng)計算R的數(shù)值約為12.1m。再應(yīng)用公式（1），取彈性核寬度為2倍煤層厚度，即3305工作面煤柱保持穩(wěn)定的尺寸應(yīng)當(dāng)大于：

B=x0+（1～2）M+R=37.55+2×7.2+12.1=64.05m。

由于工作面平距面寬80m大于64.05m，理論分析在不考慮斷層構(gòu)造的情況下，該工作面不會出現(xiàn)整體失穩(wěn)沖擊危險。

3 3305工作面應(yīng)力狀態(tài)現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 監(jiān)測方案設(shè)計

采用微震、煤巖主動CT反演監(jiān)測3305工作面煤體應(yīng)力情況。在微震監(jiān)測方面，在3305軌順、皮順分別安裝2個SOS檢波器。CT反演方面，在工作面掘進(jìn)、初次來壓前、初次來壓后分別做了1次主動波CT反演，軌順安裝接收檢波器，皮順施工爆破孔，爆破孔間距9m，每次施工爆破孔20個。

3.2 3305工作面監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

從2019年12月回采至2020年2月SOS微震事件（大于5000J）能量如圖3所示。從微震事件空間分布看，微震事件集中分布在工作面向外至工作面超前160m范圍內(nèi)；兩順槽附近事件較多，工作面內(nèi)事件較少。

在工作面掘進(jìn)及回采期間做了3次煤巖主動CT反演，結(jié)果如圖所示，從3次反演結(jié)果看，工作面內(nèi)部沒有明顯的高應(yīng)力集中區(qū)，工作面整體穩(wěn)定。

圖3 微震事件分布圖（≥5000J）

圖4 CT反演波速異常系數(shù)圖

4 結(jié)論

1）本文通過理論計算得到了3305工作面臨界平距面寬64.05m，大于工作面平距80m，在不考慮斷層構(gòu)造的情況下工作面整體穩(wěn)定，不會出現(xiàn)整體失穩(wěn)。

2）通過微震和主動波CT反演分析，工作面內(nèi)部無高應(yīng)力集中區(qū)，不存在應(yīng)力過度集中的現(xiàn)象，工作面整體穩(wěn)定。

3）分析結(jié)論成果可以在類似工作面應(yīng)用，但由于3305工作面受斷層影響，還需對斷層影響下的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析論證。