深部不規則大孤島工作面沖擊地壓預測與防治技術

劉寶珠

（開灤 （集團）有限責任公司唐山礦業分公司，河北省唐山市，063000）

1 工作面概況

唐山礦T1391工作面分為大小工作面平行開采，T1391工作面布置見圖1，開采深度-680～-780m，西鄰T1392工作面采空區；南部至T1390底邊眼，東部至T2292、T2293、T2294采空工作面，上方為已采空的T1351、T1352 和T1353 工作面，是典型的深部不規則大孤島工作面開采。該工作面為8＃、9＃煤層合層，煤厚9.5～14 m，平均10.1m，煤層傾角4～21°，平均16°，煤層中發育有2～3層夾石，主要為黑色炭質泥巖，厚度一般在0.1～0.5 m 之間。煤層硬度系數為1.9，具有較強的礦壓沖擊性。

2 工作面沖擊地壓現象及原因

該工作面在掘進的過程中多次發生應力突然釋放，甚至造成掘進工作面冒頂事故，導致工作面準備工作被推遲。如圖1所示，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ處均發生了不同程度的冒頂事故，Ⅰ、Ⅳ處的冒頂事故導致掘進工作面停止掘進1～2個月，這些均為沖擊地壓的顯現。經分析造成事故的主要原因為該工作面三面為采空區，以至成為孤島工作面；臨近巷道較多，受巷道疊加應力的影響，掘進工作面為高應力區域；該區域為南北傾向的大褶皺構造，存在較大的構造應力場；煤層硬度較小，不具有柔韌性，不能較好地釋放應力，容易造成應力集中。多方面原因最終導致該區域具有較強的沖擊傾向。

圖1 T1391工作面布置

3 沖擊地壓機理

根據以往沖擊地壓發生的規律研究，對T1391工作面進行沖擊地壓的危險分析及發生機理研究，做出最有效地預測及防治。

3.1 工作面孤島煤柱破壞試驗

根據對孤島煤柱固有力學特性試驗研究和對沖擊地壓模型分析，在彈塑脆性模型基礎上，建立孤島煤柱沖擊地壓模型，見圖2。模型中，假設脆性單元能夠代表煤巖體的沖擊傾向性；彈簧和粘缸代表煤巖體能承受高應力集中和積聚大量彈性能、變形能；滑塊代表煤巖系統在一定高應力下從弱面（層理）間產生滑動。

圖2 孤島煤柱沖擊地壓模型

孤島煤柱承受上方不同類型壓應力，在堅硬頂底板夾持作用下，煤巖系統承受較高應力和積聚大量能量，使得煤柱處于高應力狀態。當煤巖系統之間因受到極限壓應力而在弱面、層理間產生的推力仍然小于其阻力時，系統就會呈現出 “壓壞”的狀態而不是滑移而產生的失穩破壞，即所說的脆性破壞。隨著孤島工作面的安全推采，煤柱寬度不斷減小，煤柱所承受的支承壓力因相互疊加而造成應力的進一步升高，煤柱逐步進入高應力區域甚至是極限應力區。如果煤巖系統相互銜接比較充分，煤巖體系統承受的極限應力超過脆性介質的臨界強度時，系統發生脆性破壞，即壓跨型沖擊地壓。

3.2 工作面沖擊地壓危險區域

為保證工作面的順利推采，根據沖擊地壓的研究將T1391工作面在回采期間，發生沖擊地壓的危險區域進行了劃分，并且將工作面的小面通風巷進行了調整，如圖3所示。

Ⅰ、Ⅳ區域為切眼巷道拐角和巷道群疊加影響的復合型危險區域；Ⅱ區域為上部5＃煤層煤柱和本工作面見方疊加影響的復合型危險區域，范圍為上部煤柱邊緣前后各40 m；Ⅲ區域為巷道和工作面見方疊加影響的復合型危險區域；Ⅴ區域 （包括Ⅴ1和Ⅴ2區域）為工作面支承壓力和煤柱應力相互影響的復合型危險區域；Ⅵ區域為單一斷層影響的構造型危險區域，范圍為斷層前后各30m；Ⅶ區域為45°巷道拐角和采空區應力疊加影響的復合型危險區域；Ⅷ區域為巷道拐角和工作面停采線應力疊加影響的復合型危險區域，范圍為停采線到巷道拐彎后15m。其中，Ⅵ區域具有微小沖擊地壓危險，Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅶ區域具有較小沖擊地壓危險；Ⅱ、Ⅴ、Ⅷ區域具有較大沖擊地壓危險。

圖3 工作面推采期間危險區域

4 沖擊地壓防治技術應用及監測

針對該工作面的沖擊危險區域，進行實際檢測數據統計，采取有效措施避免沖擊地壓的發生。

4.1 工作面小面通風巷道位置選取

T1391工作面小面放行通風巷道原定為直線掘進，因T2采區工作面停采線未對齊，部分通風巷與采空區之間距離為12～18 m，處于側向高應力區中。通過對現場地質條件和原始采掘的分析，結合數值模擬，修改了小面通風巷道的掘進位置，確定小面通風巷道沿T2采區工作面停采線留8～9m煤柱掘進，避免了掘進期間沖擊危險，實現了安全掘進。

4.2 工作面超前支承壓力

通過數值模擬和現場實測得到了工作面超前支承壓力分布規律，工作面超前支承壓力分布范圍為60m，峰值位置為超前工作面23～25m 處。

4.3 沖擊地壓高位區域監測

在沖擊地壓危險的區域，分別采用了放震動炮、打泄壓孔等多種泄壓方法，以杜絕危險區域沖擊地壓的發生。并且在高危險區域采用了全方位主動承壓式鉆孔應力計進行工作面密集巷道群區域和停采線區域等沖擊地壓高危區域的監測。將鉆孔應力計安裝在可能發生沖擊地壓的危險區域，觀測該區域煤體在靜態和動壓影響下的應力變化情況，結合鉆屑法和頂板動態法等綜合監測沖擊地壓危險性，承壓式鉆孔應力計安裝位置如圖4所示。1＃-17＃為鉆孔應力計，分為三組，1＃～6＃為第一組，7＃～12＃為第二組，13＃～17＃為第三組，分別監測3個區域的礦壓應力變化。

圖4 密集巷道群、停采線位置鉆孔應力計監測

從實際檢測數據中顯示工作面壓力在0～4 MPa之間，只有4＃鉆孔應力計數據出現了較小的突變，其他1＃→6＃、7＃→12＃、13＃→17＃基本為逐漸增大的變化態式，說明通過預先的卸壓等措施，工作面密集巷道群區域和停采線區域應力得到了有效地釋放，沒有形成應力積聚現象。

4.4 工作面采用 “小面在前，大面在后、同時開采”的回采順序

數值模擬分析可知，采用 “大面在前、小面在后”開采順序時，小面兩側采空，成為 “孤島”工作面，兩面之間煤柱和小面應力集中度高，能量積聚嚴重，具有嚴重沖擊地壓危險；而采用 “小面在前、大面在后”開采順序時，大面僅形成 “半孤島”工作面，且小面側向應力較小，兩面之間的煤柱具有較小沖擊地壓危險，大大降低了沖擊地壓危險性。

采用 “小面在前，大面在后、同時開采”的回采方式時，巷道布置在低應力區與煤柱原始應力區內，對防治沖擊地壓具有以下優點：

（1）大小面整體開采，不會造成應力高度集中，“寬緩”的應力分布和綜放開采技術的應用能使沖擊能量得到較充分釋放，全區域沖擊危險性得到大幅度降低。

（2）大小面整體開采，煤柱內的原始巷道避免采動動壓的異常影響，可避免原始巷道發生 “貫通”型能量釋放，保持 “局部”能量釋放模式，能實現沖擊能量的 “有序”釋放與 “可控”釋放，不發生破壞性沖擊地壓。

（3）大小面整體開采，兩面采取間歇式開采，有利于能量的釋放，同時推進速度相對降低，能量釋放充分。

4.5 大面高應力區域缺陷法預卸壓措施

對于高應力具有沖擊地壓的危險區域，采用缺陷法進行卸壓處理，即放震動炮的方法將高應力區域重新分布，減少對巷道的沖擊趨勢。

T1391大面通風巷道與T2290 軌道巷之間有寬24m 的煤柱，導致這兩條巷道為高壓力巷道。因此T1391工作面回采前，必須對巷道進行卸壓處理，即分別在T2290 軌道巷靠近煤柱的一側，沿巷道斜向下的方向預爆破卸壓處理；在T1391大面通風巷煤柱一側沿底板巷道斜向上方向進行預爆破卸壓處理。煤柱位置見圖5，爆破卸壓炮眼布置見圖6，炮眼孔深8m，孔距5m，孔徑42mm；采用三級乳化油炸藥，每孔使用900g；每次爆破3～5個孔。

圖5 煤柱位置示意圖

4.6 在密集巷道群區域采用間歇式協調推進開采工藝

根據實際推采時試驗研究發現，當工作面過密集巷道群區域 （老巷區域，為T2292、T2293、T2294工作面服務巷道）時，小面超前大面20～25m 較為合理，一方面能協調高應力區域能量釋放程度，另一方面能保障大面合理、均衡推進速度。同時對于小面超前的20～25m 煤柱，采取動態爆破技術進行卸壓。

圖6 爆破卸壓炮眼布置示意圖

4.7 沖擊地壓監測技術

在堅持礦壓觀測的基礎上，采用 “鉆屑法和電磁輻射法進行工作面整體全面監測、全方位主動式應力監測法進行高位區域監測”的綜合沖擊地壓監測系統，實現了工作面沖擊地壓的即時、高效監測。

5 總結

在采取合理巷道布置和工作面回采順序的基礎上，確定了合理的回采掘進位置和工作面回采順序；通過工作面掘進期間采取在巷道貫通區域采用一炮貫通法、在巷道拐彎區域采用鉆孔爆破預卸壓措施，工作面回采期間在大小面之間煤柱進行大直徑鉆孔卸壓、大面高應力區域 （煤柱）頂沿板巷道鉆孔爆破和沿底板巷道大直徑鉆孔卸壓、密集巷道群區域間歇式協調推采和鉆孔爆破等預卸壓措施。沖擊危險區域采取鉆孔爆破等卸壓措施后，工作面采掘期間未發生沖擊地壓現象，實現了工作面安全回采。