0 引 言
工作面的合理布局是开采设计的重大问题，合理的开采布局可以使工作面及巷道周边应力分布趋于均匀，不合理的开采设计布局，将会形成“孤岛”等强矿压显现工作面[1-3]。孤岛工作面是我国煤炭开采的一个技术难题，工作面巷道位于邻近采空工作面的应力集中影响区，其不仅受到采动压力的影响，还受邻近工作面采空区瓦斯、水、火等的限制[4-6]，地质开采条件极为复杂。关于孤岛工作面的矿压特征，国内外学者开展了大量深入的研究，王宏伟等[7]通过现场实测，得出工作面前方7.5～10 m是孤岛工作面最易发生冲击失稳的危险区域，顶板大面积来压和剧烈活动是冲击地压发生的前兆；李志华等[8]对比分析了采空区下孤岛工作面矿压显现规律与一般孤岛工作面的差异性，上覆煤层的采动影响会引起下方孤岛面煤体的卸压；华心祝等[9-10]研究了孤岛工作面沿空掘巷超前支承压力的分布特征，得出孤岛工作面超前支承压力增加明显，支护难度大幅增加，工程实践表明，锚网索和注浆加固联合支护可有效控制孤岛工作面沿空掘巷围岩的变形；曹安业等[11-12]研究了孤岛工作面开采对强矿震的影响，认为工作面“T”型覆岩结构的破坏运动，是矿震活动的主要力源，并利用振动波CT技术对工作面冲击危险性进行动态预警；张学景[13]针对大埋深、软岩孤岛工作面掘巷困难的现状，提出了沿空掘巷并通过采取支护、探放水、瓦斯治理、防突措施，有效地实现了孤岛工作面无煤柱沿空掘巷；朱广安等[14]建立了孤岛工作面静载荷、动载荷应力估算模型，提出了支承压力估算方法，并构建了孤岛工作面采前冲击危险评估体系；周世轩等[15]分析了影响大采高孤岛工作面片帮冒顶的主要因素，并提出了“棕绳+注浆”全长锚固技术，有效控制了煤壁片帮的发生。以上这些研究丰富了孤岛工作面矿压显现规律的研究成果。
铜川下石节煤矿220工作面属于3-2煤和4-2煤合并分叉开采煤层，220工作面浅部218工作面为3-2煤和4-2煤合并开采，220工作面深部2301工作面为3-2煤开采，此时3-2煤与4-2煤层间距为8～30 m，且2301工作面采空区下计划设计222工作面，开采4-2煤。在220工作面开始回采时，218工作面和2301工作面均已回采完毕，220工作面类似于孤岛工作面开采，回采过程中动压显现剧烈，工作面压架、巷道变形严重，并于2017年5月10日停采。为了进一步保障下石节煤矿的正常生产运转，延长矿井有效剩余服务年限，笔者以下石节煤矿类孤岛工作面为工程背景，对其复采的可行性进行分析研究，引领类似条件煤矿进行资源回收有益探索。
1 工程概况
铜川下石节煤矿220工作面开采4-2煤层，工作面走向长度1 823 m，倾斜长度180 m，为一综采放顶煤工作面。煤层厚度7.0～14.6 m，平均厚度10.4 m，其中开采煤层厚度8.2 m，底煤厚度2.2 m，煤层密度1.40 g/cm3，地质储量376.7万t，可采储量350.3万t。220工作面浅部相邻4-2煤层218工作面采空区，采高11 m，面间煤柱50 m；深部与3-2煤层2301工作面采空区相距56 m，采高5 m左右，相对高差20～26 m。工作面相对位置如图1所示。
1—2号风井；2—轨道石门；3—暗风井；4—暗运输下山；5—二采区专用回风巷
图1 220工作面相对位置
Fig.1 Relative position of No.220 working face
220工作面从回风巷4-2煤层逐步分叉形成4-2煤和3-2煤层，在工作面回风巷道附近层间距平均为1.2 m。沿煤层倾斜方向厚度逐渐增大，到运输巷附近层间距达1.6～13.5 m(在运输巷设计终采线附近层间距约1.6 m，沿走向层间距逐渐变厚，最厚达13.5 m)，平均为10.5 m。工作面倾向位置如图2所示。220工作面因动压显现剧烈，于2017年5月10日停采，截至当前工作面推采834 m，剩余989 m。
图2 220工作面倾向相对位置
Fig.2 Relative position of No.220 working face
2 220工作面动压致灾机制
2.1 工作面回采期间动压显现特征
220工作面自2016年11月始采至2017年5月终采，共发生较大影响的动压显现24起，对运输巷、回风巷及工作面均造成不同程度的破坏，矿压显现无明显规律性，具体描述见表1。
表1 220工作面动压现象统计
Table 1 Statistics of dynamic pressure behavior in No.220 working face
序号来压进尺/m显现情况序号来压进尺/m显现情况1185 m超前50 m巷道变形,顶板下沉,最低处高1.6 m2198工作面36—60号支架煤炮声频繁,局部片帮严重3219回风巷1 450—1 500 m顶板破碎、下沉,底板、帮部均有变化,巷道最低处1.3 m4235运输巷超前50 m转载机处巷顶板整体下沉,最低处1.6 m5260工作面16—40号支架,局部出现切顶,整体煤壁片帮严重6275运输巷超前50 m整体压力显现,转载机处方顶板下沉7290回风巷1 400—1 500 m巷道变形严重,约有25 m长巷高仅1.2 m8320工作面出现大面积煤壁片帮9340回风巷道超前50 m巷道变形,底鼓、帮鼓严重10385工作面面内局部煤壁片帮,回风巷超前巷道底鼓,运输巷超前巷道顶板破碎、下沉11423工作面面内75—92号支架压力显示报警,转载机巷顶板下沉严重,帮部出现大面积网包12450工作面两巷超前50 m均出现整体形变,回风巷局部最低处1.6 m,运输巷转载机头受顶板变形影响无法正常拉移13498工作面内煤鼓局部片帮;运输巷煤鼓向外200 m,回风巷超前50 m范围内巷道顶板下沉、底鼓、帮鼓14504运输巷设备列车前段顶板下沉严重,最低高度1.6 m 15539工作面煤壁片帮严重,顶板大面积自然垮落16565超前段巷道变形严重,转载机头处顶板下沉严重,无法正常拉移17586运输巷30 m范围内顶板下沉严重,最低处至带式输送机0.5 m18611机头、机尾处煤墙片帮严重;回风巷煤墙向外80 m范围巷道变形严重;运输巷煤墙向外200 m范围内巷道底鼓0.3～0.5 m19650运输巷150 m前后顶板整体破碎下沉,原有单体支护失效20690泵站所处40 m范围内巷道变形严重,局部顶板下沉挤压泵箱与1号压力泵21708工作面内出现大面积片帮;泵站所处40 m范围巷道来压,泵箱上方顶板下沉,局部区域有网包22738运输巷整体出现变形,局部(超前50 m范围)顶板整体下沉、底板底鼓0.5 m23810运输巷煤壁向外300 m范围巷道整体出现变形,局部顶板整体下沉、底板底鼓1.5 m24834运输巷煤壁向外230 m范围巷道整体出现变形,局部顶板整体下沉、底板底鼓1.5 m
对220工作面的24次动压显现进行统计分析，按其显现位置划分，其中运输巷道显现10次，工作面显现9次，回风巷道显现3次，两巷超前50 m范围显现2次，可见主要显现发生在运输巷道和工作面内。根据动压显现时工作面位置统计：相邻2次动压显现发生时工作面位置相距15～30 m内的有14次，大于30 m的有7次，小于15 m的有2次。根据下石节煤矿220工作面矿压报告，220工作面周期来压步距为18 m左右，初步推断动压显现与周期来压、顶板活动存在一定联系。
2.2 220工作面开采应力分布特征
2.2.1 数值模型建立
根据下石节煤矿地质资料，在数值模型中，220工作面所采4-2煤层厚10.4 m，23012工作面所采3-2煤层厚5 m，倾角7°；直接顶、基本顶和底板等岩层均按实际平均厚度给定，基本顶厚20 m，直接顶厚20 m；220工作面长180 m，工作面两侧分别为区段煤柱和采空区，模型尺寸：倾向×走向×垂向=398 m×140 m×177 m。巷道埋深设定为582 m，模型上方未模拟岩层，按等效载荷代替。等效载荷按式(1)计算为
p=∑Hρg
(1)
式中:H为煤层上方未模拟煤岩的厚度，m；ρ为相应的煤岩层密度，取平均2 500 kg/m3；g为重力加速度，取9.81 m/s2。
底板泥岩共模拟40 m，工程平面及模型建立如图3a所示，整个模型4个立面均固定法向位移，底面同样固定法向位移。模拟中220运输巷道上方夹矸厚度为12 m，如图3b(基准线)所示。煤岩层物理力学参数按实验室测定数据给定，见表2。
图3 工程平面图及模型建立
Fig.3 Project plan and model building
表2 煤岩物理力学参数
Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock layers
序号岩性密度/(kg·m-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa黏聚力/MPa内摩擦角/(°)抗拉强度/MPa1粉砂岩2 8768.144.8734.0412.402砂、泥岩互层2 4314.932.1331.0352.6033-2煤1 3400.570.345.2180.424粉砂岩2 8768.163.6827.0391.9054-2煤1 3300.570.374.8170.436泥岩2 8869.436.3632.0280.81
2.2.2 应力分布特征
220工作面所处区域的应力分布如图4所示，由图4可知，2301采空区和218采空区之间的垂直应力呈马鞍形分布，距离采空区越近应力越高，中部煤体的应力最低，采空区的侧向影响范围最大可达90 m，应力峰值至采空区平距约25 m，应力集中系数最高达1.9。为进一步分析煤层应力的分布特征，对煤体应力提取分析，由于煤层巷道大多留2 m底煤，这里将数据提取的路径设定为距离煤层底板垂高4 m位置，提取的采空区侧向支承压力分布曲线如图5所示。分布曲线显示220运输巷所在位置的应力水平明显高于220回风巷和注浆巷，解释了220运输巷动力显现更为强烈的原因，也说明了数值模拟结果与实际相吻合。
图4 220工作面应力状况
Fig.4 Stress conditions of No.220 working face
图5 采空区侧向支承压力分布曲线
Fig.5 Distribution curve of lateral bearing pressure in goaf
根据数值模拟分析，现有的220运输巷受2301采空区侧向支承压力影响显著，其应力水平处于较高水平，垂直应力达到21 MPa，较高的应力水平大大增加了巷道的动压危险性，在该高应力环境下进行巷道修复所产生的扰动极易诱发动压显现，且频繁的煤炮和修复使得巷道周围煤岩体破碎，巷道支护效果大幅降低，修复后的巷道仍面临较严重的动压显现危险。
2.3 工作面动压致灾机制分析
综合分析220工作面地质开采条件，初步分析220工作面动压致灾机制如下：
1)220工作面平均开采深度为582.3 m，较大的开采深度加上其类孤岛工作面开采，导致其垂直应力相当于原岩应力的2.5～3.0倍，据此推断其当量采深可达1 500 m以上，整体上属于超高应力区。
2)220工作面上方存在多层单层厚度超过10 m的砂岩顶板，厚层顶板破断或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动。
3)4-2煤层上方高位覆岩为巨厚砾岩层[16]，厚度近300 m，距煤层约180 m，该岩层完整性好，强度高，难以垮落，加上工作面留设50 m宽煤柱护巷，地表基本无沉陷或裂缝，存在大面积悬顶，顶板岩层的垂直应力通过煤柱传递到工作面和回采巷道，巷道围岩应力明显增大。
4)220运输巷与2301采空区高差2～20 m，平距56 m，220运输巷除受2301采空区垂直支承压力的作用外，还受水平压力的挤压作用，巷道受力状况进一步恶化。
5)巷道掘进及回采期间煤炮频繁，煤炮震动加剧了煤岩体的破碎，从巷道维修实际情况来看，巷道围岩破碎区已经达到4 m左右，且离层明显。破碎区已经远超出锚杆的锚固范围，锚杆支护基本失效。
3 220工作面复采可行性数值模拟分析
3.1 220工作面复采方案提出
针对220回采工作面面临的动压剧烈显现问题，结合220工作面地质开采技术条件以及动压致灾机制的初步分析结果，基于此提出以下2种复采方案。
1)方案一：另掘一条运输巷，将220的运输巷重新布置在2301采空区下方的4-2煤层中，该方案相应的将延长220回采工作面倾向长度，具体如图6所示。
图6 方案一设计示意
Fig.6 Schematic of design for Scheme 1
2)方案二：另掘一条运输巷，将运输巷向220工作面内部布置，即增加运输巷与2301采空区之间的距离，缩短220工作面的倾向长度，具体如图7所示。
图7 方案二设计示意
Fig.7 Schematic of design for Scheme 2
3.2 方案一应力分布特征
方案一采用延长220回采工作面倾向长度，重新布置运输巷在2301采空区下方。方案一的模拟分析包括5个工况，分别为工况1—工况5，即220运输巷与2301采空区内错0、5、10、15、20 m五种情况，如图8所示。通过模拟对各工况下的应力分布情况进行分析。
图8 方案一模拟工况示意
Fig.8 Schematic of simulation working conditions of scheme 1
图9为方案一各工况下220运输巷道两侧围岩的垂直应力分布曲线，其中定义运输巷靠220工作面一侧帮部为上帮，另一侧为下帮。由图9比较现在的220运输巷与方案一各工况的应力分布情况，可知巷道和采空区内错0时，采空区下方的巷道下帮煤体压力开始降低，但是上帮煤体受采空区边缘的侧向支承压力影响应力值反而有所升高，相应的动压危险性增大。内错10、15和 20 m均有较好的卸压效果，内错10 m时两帮至巷道16 m范围的围岩内支承压力已经低于现在220运输巷的应力，内错20 m时两帮至巷道26 m范围的围岩内支承压力已经低于现在220运输巷的应力。
综合上述分析及图9，将扩面改造方案的各工况卸压效果汇总见表3。从对220运输巷围岩应力的降低情况来看，扩面越长卸压效果最优，但结合工作面长度布置，确定最优的扩面改造方案为内错2301工作面采空区15 m。
图9 方案一：各工况下220运输巷两帮应力
Fig.9 Scheme 1:stress of two sides of No.220 transport lane under each working condition
表3 扩面改造各工况卸压情况统计
Table 3 Statistics on pressure relief of various working conditions in face expansion and reconstruction
工况错距/m下帮上帮卸压程度/%卸压范围/m卸压程度/%卸压范围/m工况1045>40无无工况2564>401612工况31074>402816工况41579>405120工况52085>406026
3.3 方案二应力分布特性
该方案采用缩短220工作面的倾向长度，向煤层浅部重新掘进220运输巷。方案二的模拟分析包括4个工况，分别为工况6—工况9，即220工作面的水平宽度缩短20、40、60和80 m四种情况，如图10所示。通过模拟对各工况下的应力分布情况进行分析。
图10 方案二模拟工况示意
Fig.10 Schematic of simulation working condition of Scheme 2
方案二各工况下220运输巷道两侧围岩的垂直应力分布曲线如图11所示。由图11比较现在所在位置的220运输巷与方案二各工况的应力分布情况，可知随着220运输巷距离2301采空区越远，对巷道下帮的卸压效果要大于上帮。工况6中工作面水平宽度缩短20 m时卸压效果最为显著，工况7、8相比于工况6虽然卸压效果进一步增大，但增大的幅度有所减小。并且注意到，虽然工况7中水平宽度缩短40 m后应力有所降低，但是巷道两帮依然具有一定应力集中，距巷道20 m范围内上、下帮应力集中系数最大可达1.3。因此，方案二的卸压效果有限，工作面水平宽度缩短40 m上下两帮，依然具有一定的应力集中，缩短60 m后巷道两帮的应力集中不明显。
图11 方案二：各工况下220运输巷道两帮应力曲线
Fig.11 Scheme 2：stress curves of two tunnels of No.220 transport lane under various working conditions
综合上述分析及图11，将缩面改造方案的各工况卸压效果汇总见表4。从对220运输巷围岩应力的降低情况来看，缩面距离越大卸压效果越优，但结合工作面长度布置，确定最优的缩面改造方案为工作面倾向长度缩短40～60 m，建议缩短50 m。
表4 缩面改造各工况卸压情况统计
Table 4 Statistics on pressure relief of various working conditions of face reducing and reconstruction
工况错距/m下帮上帮卸压程度/%卸压范围/m卸压程度/%卸压范围/m工况62018>4017>40工况74023>4026>40工况86034>4031>40工况98041>4039>40
4 220工作面复采方案整体综合对比分析
4.1 复采方案整体风险性分析
4.1.1 方案一的整体风险性分析
220工作面扩面改造后，新运输巷掘进危险小，成巷速度快；且后期回采时运输巷矿压显现程度也将有所降低，维修工程量少。但存在以下6个问题：①改造后的工作面开采需过220工作面原运输巷，存在通风、防灭火及顶板控制问题，技术难度较大；②需要对原有运输巷进行修复，以满足加架期间运输、通风的要求，修复期间安全隐患较大；③工作面内部支架等设备的回撤与安装难度大；④需要优化通风系统，扩面后通风系统复杂、不稳定；⑤水害危险性大，且需要边掘边探，效率低，防治水难度大；⑥220工作面下部与上层2301采空区导通，增加了防火、防瓦斯难度。
4.1.2 方案二的整体风险性分析
220工作面缩面改造后，新运输巷远离侧向支承压力峰值区域，巷道和采场动压显现会有所降低。但仍存在以下4个问题：①工作面拆撤设备技术难度大、时间长，顶板维护及防灭火问题突出；②改造后工作面下端头区域需要装置电机，如果不采用过渡支架，需要采用垂直布置，此时应保证端头处巷道宽度在4.5 m以上，由于下平巷压力大，变形严重，巷道宽度难以保证，如果采用平行布置，则必须将下部4个基本架替换为过渡支架，支架替换难度极高；③新运输巷掘进和工作面回采期间，仍受孤岛煤柱影响，且新老运输巷之间又增加一个煤柱，巷道应力仍然较高，相对方案一的动压危险性高；④资源浪费严重。
4.2 经济效益对比分析
整体来看，根据2种方案的经济效益分析，2种方案的复产工期均不影响工作面接续，从资源回收来看方案一较优，从新增投入来看，方案二较优。综合分析2种方案的经济效益见表5。
表5 2种方案的综合经济效益
Table 5 Comprehensive economic benefits of two schemes
类别方案一方案二资源回收/万元213.30119.20新增投入/万元2 357.63782.40复产工期/d140140满足工作面接续否满足满足
4.3 220工作面复采方案
通过上述2种方案的对比分析表明：方案一工作面撤架及加架难度大，回采工艺复杂，管理难度高；方案二动压危险问题有所降低，回采期间的防治水、火、瓦斯等问题也有所减轻。综合安全、经济等角度考虑，建议220工作面采用方案二，即安装简易机头、机尾单电机的综放推移方式，视情况再决定是否替换过渡支架以及安装正规机头和电机。
4.4 220工作面复采安全技术措施
1)启封密闭时，应先将220工作面回风巷外侧密闭墙破开一通风孔，检查密闭墙内外气体浓度，检测无危险后，方可继续启封。
2)当新掘巷道距启封工作面10～30 m时，应及时施工高位瓦斯抽采钻孔，对即将启封的工作面内瓦斯进行抽采，并实时监测抽采瓦斯浓度。
3)应加强动压显现防治工作管理，最大限度地降低采动压力的显现强度和频率，保证矿井安全顺利生产。
4)工作面回采过程中需实时监测220复采工作面和老空区水情变化，出现工作面来压不规律、非来压周期长时间压架、淋水，架前、架间或架后溃砂等现象时，应及时停产撤人观察，稳定之后采取相应的防治措施。
5)建议复采工作面日推进度控制在4.8 m左右，开采过程中应根据微震监测及动压显现情况适当进行调整，避免停采滞采。
5 结 论
1)深部的高原岩应力状态、类孤岛邻近工作面开挖后顶板多层厚硬岩层破断后的强烈震动、类孤岛邻近工作面开挖后稳定期水平应力采动应力加持，上方高位巨厚砾岩层的应力传递以及类孤岛 工作面掘进开挖过程中的频繁煤炮震动松弛围岩的共同作用下，类孤岛工作面采动压力显现剧烈，被迫停采。
2)提出了扩面改造和缩面改造2种复采方案。从降低围岩应力角度，扩面越长卸压效果越优，缩面越短卸压效果越优，结合工作面长度布置，确定扩面改造(内错2301采空区15 m)、缩面改造(缩短50 m)为最优复采方案。
3)根据2种方案的经济效益分析，从新增投入角度看，缩面改造方案较优。综合安全等因素，建议220工作面采用缩面减架50 m，安装简易机头、机尾单电机的综放推移方式，视情况再决定是否替换过渡支架以及安装正规机头和电机。该方案有待220工作面复采后进一步进行工程验证。
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