孤島采煤工作面沖擊地壓防治技術(shù)研究

陳旭 張振南 劉冬強

摘 要：近年來，中國煤炭開采行業(yè)多次發(fā)生煤礦孤島工作面沖擊地壓事故，造成了一定人身傷害與經(jīng)濟損失，嚴(yán)重影響了我國煤炭業(yè)的安全生產(chǎn)。因此，孤島工作面沖擊地壓防治技術(shù)已經(jīng)成為了煤炭安全開采的重要研究課題，需要在原理上闡明孤島采煤工作面產(chǎn)生沖擊的原因和機制，為評估孤島采煤工作面的可采性和安全性提供科學(xué)依據(jù)。本文總結(jié)了孤島工作面產(chǎn)生的原因和機理，并積極探索研究了孤島采煤工作面地壓防治的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：孤島采煤;工作面;沖擊地壓;防治技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.083

1 引言

自工業(yè)革命以來，煤炭作為地球上儲量最大的化石能源一直作為人類最重要的能源支撐，而大量的煤炭開采，使得易采煤炭資源逐漸枯竭，煤礦正在進入孤島工作面開采階段。但對于孤島采煤工作面的可采性和安全性在科學(xué)和工程學(xué)上還沒有明確的評價標(biāo)準(zhǔn)和判斷方法，因此導(dǎo)致頻繁發(fā)生孤島采煤工作面沖擊地壓事故的頻繁發(fā)生，比如近幾年在黑龍江、江蘇、河南、山東、新疆和遼寧等煤礦都發(fā)生了此類事故，對煤炭的安全開采工作帶來了較為嚴(yán)重的損害，給人民的生命財產(chǎn)安全造成了較大的損失。因此，國內(nèi)外諸多煤炭開采專家均展開了對孤島工作面沖擊地壓的產(chǎn)生原理、破壞形式、預(yù)測預(yù)防和處理方式等多方面的研究，并取得了一定的科研成果，但仍然無法完全對孤島工作面沖擊地壓形成有效防治，主要原因是未能提出可靠有效的工作面沖擊危險性識別方法，并建立行之有效的防治體系。本文對防沖的孤島工作面沖擊地壓的產(chǎn)生機理進行了總結(jié)和闡述，對孤島工作面沖擊地壓防治技術(shù)進行了總結(jié)、探索與研究。

2 孤島工作面沖擊地壓的產(chǎn)生原因和機理

近年來，國內(nèi)外很多專家學(xué)者對孤島工作面沖擊地壓的產(chǎn)生原因和機理進行了大量的研究，主要取得以下理論成果：

（1）沖擊地壓主要有煤體壓縮型、頂板斷裂型和斷層錯動型三類。煤體壓縮型沖擊的發(fā)生原因是：當(dāng)煤炭結(jié)構(gòu)由平衡態(tài)過渡到非平衡態(tài)時，如果發(fā)生了外界擾動，導(dǎo)致煤巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn);頂板斷層型沖擊發(fā)生的原因是：強大的壓力導(dǎo)致頂板產(chǎn)生微破裂，采動擾動使這種微破裂以雪崩擴展形態(tài)發(fā)生拉伸失穩(wěn);斷層錯動型發(fā)生的原因是：在煤巖斷層區(qū)域，煤炭開采活動引發(fā)了斷層活化錯動，引發(fā)錯動型沖擊地壓。

（2）沖擊地壓粘滑失穩(wěn)沖擊機制。在巖石滑動實驗中表明，巖石摩擦滑動存在兩種方式，分別為穩(wěn)定性滑動和粘性滑動。穩(wěn)定性滑動過程中能量的釋放較為平緩，不會造成沖擊。而粘性滑動通常伴隨著突然的高能量釋放，導(dǎo)致地壓沖擊形成。

（3）孤島煤柱拉裂沖擊機制。大量研究數(shù)據(jù)顯示，在煤炭開采中，對孤島煤柱的兩側(cè)產(chǎn)生水平方向的拉裂破壞，當(dāng)煤柱破裂時，形成了新的增壓區(qū)和減壓區(qū)，頂?shù)装遄饔檬姑褐l(fā)生滑動失穩(wěn)沖擊，引發(fā)災(zāi)害。

（4）沖擊地壓能量平衡機制。這種理論認(rèn)為沖擊地壓煤層有彈性區(qū)和能量平衡區(qū)兩部分區(qū)域。在這兩個區(qū)域的交界處是煤層頂?shù)装灏l(fā)生沖擊地壓的危險區(qū)，在該區(qū)域受到采動影響后，極容易造成沖擊地壓災(zāi)害。

（5）復(fù)合厚煤層沖震機理。該理論認(rèn)為煤礦中厚巖層的水平應(yīng)力突變造成了礦震，而礦震導(dǎo)致巖層垂直應(yīng)力突變，最終引發(fā)了沖擊地壓。

（6）巖層能態(tài)轉(zhuǎn)化理論。該理論認(rèn)為沖擊地壓是煤巖體系統(tǒng)由穩(wěn)定積蓄能量態(tài)向非穩(wěn)定態(tài)釋放能量的非線性動力學(xué)過程。

3 工作面沖擊地壓防治技術(shù)的研究

在孤島采煤工作面沖擊地壓防治技術(shù)方面，根據(jù)煤炭開采的不同階段，主要分為兩個方面：分別為孤島工作面未形成階段和孤島工作面開采階段兩部分。

3.1 孤島工作面未形成階段沖擊地壓防治技術(shù)

在采煤工作面設(shè)計時，針對開采條件較好的煤礦，應(yīng)盡量利用科學(xué)的開采設(shè)計來避免孤島工作面的形成。首先應(yīng)盡量采取順序開采，避免孤島工作面的形成;在工作面之間盡量不留煤柱，或留取窄煤柱，特別要避免高應(yīng)力孤島煤柱的形成;工作面盡量不要向采空區(qū)推進，避免兩個工作面相向推進;大群煤層開采時，要首先開采保護煤層，使相鄰煤柱不受影響;構(gòu)造區(qū)影響區(qū)域，應(yīng)利用背向構(gòu)造開采方式，以避免孤島工作面的形成。

3.2 孤島工作面開采階段沖擊地壓防治技術(shù)

在煤礦開采的后期，受地質(zhì)條件影響和開采技術(shù)的制約，無法避免的要形成孤島工作面開采。開采過程中主要的沖擊地壓防治技術(shù)有以下幾種：

（1）鉆孔泄壓技術(shù)。利用大直徑鉆孔泄壓能有效緩解和消除地壓沖擊。大直徑鉆孔能破壞開采巷道圍巖結(jié)構(gòu)，形成弱化帶，使高應(yīng)力向巷道深處轉(zhuǎn)移，降低了巷道周邊的圍巖應(yīng)力。在沖擊地壓發(fā)生時，沖出的煤粉能被鉆孔空間充分吸收，防止煤體大量涌出。同時，泄壓區(qū)會形成楔形阻力帶，能有效防止煤體的大量沖出。利用鉆孔泄壓技術(shù)對煤層擾動小，不會引發(fā)沖擊地壓，是防治孤島工作面地壓沖擊的有效技術(shù)手段。

（2）注水泄壓技術(shù)。在開采煤層中注水既能起到防塵功能，還能改變煤層的力學(xué)特性，使煤層的應(yīng)力狀態(tài)和沖擊傾向性降低。此外，充足的水分能使煤體軟化，起到降低煤層壓力的作用。

（3）爆破泄壓技術(shù)。利用炸藥爆破能量使煤體產(chǎn)生大量裂縫，從而改變煤層整體的力學(xué)特性，降低局部區(qū)域的高應(yīng)力。但爆破泄壓技術(shù)也具有一定的風(fēng)險性。由于爆破能量較大，對煤層的擾動力大，有可能誘發(fā)沖擊地壓。此外，爆破會破巷道，所以一般情況下并不輕易使用爆破泄壓技術(shù)。

（4）斷低/頂技術(shù)。沖擊地壓的產(chǎn)生和煤巖結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系，特別是煤巖底部或頂部巖層有很好的儲能條件時，更容易發(fā)生沖擊地壓。在這種地址條件下，應(yīng)截斷巖層頂板或底板，降低其儲能性能，會有效降低沖擊地壓發(fā)生的風(fēng)險。

（5）預(yù)警監(jiān)測技術(shù)。預(yù)警監(jiān)測技術(shù)對孤島工作面沖擊地壓防治也起到了積極有效的作用，主要的技術(shù)包括鉆屑監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、地因監(jiān)測、輻射監(jiān)測、震動監(jiān)測等手段。預(yù)警系統(tǒng)通過對孤島工作面的實時監(jiān)測，及時反饋各種風(fēng)險因素，能有效防止沖擊地壓的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

由于易采煤炭的大量開采，煤炭的開采難度也在日益增加，不可避免的將要形成孤島采煤工作面，近年來發(fā)生的煤炭安全事故與孤島采煤工作面沖擊地壓息息相關(guān)，本文針對孤島采煤工作面沖擊地壓產(chǎn)生的原因和機理進行總結(jié)和分析，提出了幾種防治沖擊地壓形成的方法和技術(shù)手段，以期為我國煤礦安全開采要求提供較為科學(xué)的理論支撐。

參考文獻：

[1]姜福興，王平，馮增強.復(fù)合型厚煤層“震-沖”型動力災(zāi)害機理、預(yù)測與控制[J].煤炭學(xué)報，2009，34（12）：1605-1609.