三面采空小煤柱超長孤島工作面防沖技術研究

劉俊旭

(國能蒙西煤化工股份有限公司 棋盤井煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 016064)

隨著我國煤炭資源開發向西部轉移，西部礦井的煤層開采深度正逐年增加，開采條件也變得愈加復雜，在中東部深埋礦井出現的煤層沖擊地壓現象也開始在西部礦井開采過程中顯現[1-2]，嚴重威脅煤炭安全生產，制約了煤炭資源的高效開發。孤島工作面由于應力集中程度較高、頂板運動強烈、能量釋放程度較大，極易引發沖擊地壓動力災害[3-4]，整個回采期間一直都是煤炭生產企業的安防重點。國內外專家學者針對孤島工作面安全回采已經展開大量研究并取得了一定的顯著成果，然而對于我國西部孤島工作面的研究成果較少[5-6]。因此，有必要對西部礦區孤島工作面安全回采展開進一步深入研究，提出有效的孤島工作面防沖措施，對于相同地質條件下孤島工作面沖擊地壓防治具有重要的實踐指導意義。

1 工程地質條件

棋盤井煤礦隸屬國家能源集團煤焦化公司，位于內蒙古自治區鄂爾多斯市。主采的9號煤層平均厚度為3.17 m，含2～3層夾矸，煤層結構相對復雜。9號煤層經專家和機構鑒定無沖擊傾向性，但在高應力集中影響下，仍存在一定的沖擊危險。I020908工作面標高為+833～+909 m，地面標高為+1 374～+1 391 m。工作面傾向長度300 m，走向推進長度1 050 m。該工作面南鄰I020901工作面采空區，北鄰I020905工作面采空區，東臨I010906工作面采空區，是該礦井第一個三面采空孤島工作面，工作面布置如圖1所示。工作面運輸巷在掘進過程中,多處揭露落差均小于3.0 m斷層，煤層頂底板特征如表1所示。

圖1 工作面布置

表1 煤層頂底板特征

2 工作面沖擊危險性分析

針對工程地質條件和現場調研結果進行系統分析可知，I020908孤島工作面沖擊危險性影響因素主要有以下方面：

1) 煤層埋藏深度。I020908工作面平均埋藏深度為450 m，根據國內外專家學者研究結果和大量的工程試驗數據可知：當工孤島作面開采深度大于400 m時，發生沖擊地壓的危險性可能性就會大大提高[7-8]。

2) 頂底板巖性。9號煤層頂底板巖性普遍較軟，在兩側工作面回采的側向支承壓力的疊加影響下，煤巖體靜載加大，圍巖極易發生失穩。

3) 地質構造。兩巷掘進期間揭露多處斷層，在斷層構造區域，應力重新調整，構造應力分布相對復雜，對斷層周圍的擾動作用較大。

4) 應力集中。I020908工作面三面皆是采空區，存在高應力集中區，致使孤島工作面回采過程中沖擊地壓發生的危險性增大[9-11]。

5) 采空區“見方”。隨著I020908工作面的回采，該工作面采空區見方，以及與鄰近工作面采空區形成“雙工作面”開采面積見方，甚至“三工作面”開采面積見方時，此時較高位巖層活動量會進一步增大[12-13]，造成工作面前方頂板彎曲彈性能增大，煤壁前方支承壓力范圍更大，應力峰值更高，從而導致工作面附近沖擊危險性增大。

因此，對于I020908工作面而言，集中靜載荷發生作用的因素較多包括：開采深度、兩側采空、地質構造和停采期間影響等因素，其危險程度相對較高。動載荷的影響因素主要為回采期間頂板斷裂帶來的沖擊動載影響。

總體來看，I020908孤島工作面沖擊地壓的發生以煤巖層產生積聚的靜載荷為主要力源，而回采擾動產生的動載荷，存在誘發沖擊地壓的可能性。

由于回采工作面面臨三面采空區且開采強度較大，造成I020908工作面礦壓顯現嚴重。采用綜合指數法進行沖擊危險評價[14]可知：工作面開采期間具有弱沖擊危險性，需要采取相應的防治措施。

3 孤島工作面應力特征

根據I020908孤島工作面賦存地質條件，利用FLAC3D軟件，建立長×寬×高=980 m×420 m×340 m的數值模型，相鄰工作面間留設6 m保護煤柱，模型四周及底部采用位移法固定，計算模型如圖2所示。數值模擬采用的煤巖體力學參數如表2所示。

圖2 數值計算模型

表2 煤巖體力學參數

利用建立的計算模型將I020908工作面兩側開挖并計算平衡后，工作面及采空區垂直應力分布特征如圖3所示。

由圖3可知：隨著采空區垮落矸石被逐漸壓實，采空區上方應力分布重新調整，然而，兩側工作面回采造成的側向支承應力集中情況依然存在，應力峰值影響區域向I020908工作面延伸。因此， I020908孤島工作面鄰近采空區區域仍是高應力的集中區域，也是沖擊地壓防治工作的重點區域。

圖3 垂直應力云圖

I020908工作面回采期間主要考慮地質構造、工作面頂板來壓、相鄰采空區影響，結合數值模擬情況分析，最終確定沖擊危險區域如圖4所示。

圖4 I020908工作面沖擊危險區域

4 沖擊地壓監測及治理措施

4.1 監測預警系統

根據各監測手段的監測機理和所監測沖擊地壓啟動能量來源的分布范圍，并結合棋盤井礦井現有監測設備，確定采用以采動應力監測作為主要的實時在線監測方法，同時選用鉆屑法進行輔助檢測。

采動應力監測主要針對I020908工作面超前影響區域，自工作面開切眼前方30 m處，超前180范圍兩巷各安裝應力計6臺，孔深為9 m，間距30 m。超前工作面180 m以外安裝壓力枕，兩巷各設計28個，共計68個測點。隨工作面推進，及時拆卸前移，保證覆蓋超前工作面180 m范圍內沖擊危險區域，壓力傳感器初始值設定為5 MPa。

鉆屑法是在工作面超前100 m范圍內，通過在煤層中打直徑為42～45 mm的鉆孔，根據排出的煤粉量及其變化規律和有關動力效應，鑒別沖擊危險。

監測孔布置在膠運、回風巷道回采幫，預警及顯現區域鉆孔間距10 m，其他區域鉆孔間距30 m，鉆孔距底板1.2～1.5 m。布置示意如圖5所示。

圖5 I020908鉆屑孔布置示意

4.2 沖擊地壓防治技術

根據I020908工作面沖擊危險區域，對I020908工作面前方300 m范圍內的危險區域施工大直徑卸壓鉆孔。通過實施大直徑鉆孔，造成巷道一定深度圍巖發生結構性破壞，形成一個弱化帶，引起巷道圍巖內內部高應力向深部轉移，從而使巷道圍巖處于低應力區。

煤層大直徑深孔卸壓參數參考中華人民共和國國家標準GB/T 25217.10-2019《煤層鉆孔卸壓防治方法》，并結合I020908工作面現場條件確定。

1) 鉆孔深度：由于所采9號煤層厚度為3.17 m，確定大直徑鉆孔卸壓深度15 m。

2) 鉆孔間距：卸壓鉆孔間距確定根據下式計算：

式中：D為卸壓鉆孔間距，m；k為卸壓鉆孔間距危險性修正系數；d為卸壓鉆孔施工鉆頭直徑，m；K為變形模量指數，為安全起見，此處取10。

根據不同區域的沖擊危險程度，同時結合現場鉆孔施工工藝，確定I020908工作面中等和弱沖擊危險區域的大直徑鉆孔間距分別為1.6 m和2.4 m。孔口高度一般為1.5 m，鉆孔直徑為150 mm。鉆孔具體參數如表3所示。

表3 巷道回采幫卸壓鉆孔參數

另根據I020908工作面鄰近的鉆孔柱狀圖分析，煤層垮落帶范圍內并無明顯的厚層堅硬巖層存在，但不排除存在局部頂板厚度變化區域。因此，在工作面回采時，加強對頂板活動情況的監測，當工作面后方出現大面積懸頂等情況，及時采取頂板預裂處理。

5 沖擊地壓防治效果

將該防治預警系統和防治技術應用于I020908工作面工程實踐，回采期間鉆屑量的變化如圖6所示。

圖6 回采期間巷道鉆屑量變化情況

截至目前，I020908工作面已回采結束，通過采取卸壓措施，采動應力和鉆屑量均低于預警臨界值且未發生沖擊地壓顯現現象，安全通過了初次來壓、見方及斷層等危險區域，累計生產原煤146萬t，取得了良好的經濟效益。

6 結 語

1) 基于工作面工程地質條件和現場實際調研情況，分析了I020908工作面誘發沖擊地壓的主要影響因素。

2) 基于FLAC3D模擬軟件，分析了孤島工作面應力分布特征，確定了沖擊危險區域。

3) 提出了以“采動應力和鉆屑法監測”為基礎、“煤層大直徑鉆孔卸壓”為措施的綜合預警防治技術，有力保證了孤島工作面的安全回采。