深部不规则大孤岛工作面冲击地压预测与防治技术

刘宝珠

（开滦 （集团）有限责任公司唐山矿业分公司，河北省唐山市，063000）

1 工作面概况

唐山矿T1391工作面分为大小工作面平行开采，T1391工作面布置见图1，开采深度-680～-780m，西邻T1392工作面采空区；南部至T1390底边眼，东部至T2292、T2293、T2294采空工作面，上方为已采空的T1351、T1352 和T1353 工作面，是典型的深部不规则大孤岛工作面开采。该工作面为8＃、9＃煤层合层，煤厚9.5～14 m，平均10.1m，煤层倾角4～21°，平均16°，煤层中发育有2～3层夹石，主要为黑色炭质泥岩，厚度一般在0.1～0.5 m 之间。煤层硬度系数为1.9，具有较强的矿压冲击性。

2 工作面冲击地压现象及原因

该工作面在掘进的过程中多次发生应力突然释放，甚至造成掘进工作面冒顶事故，导致工作面准备工作被推迟。如图1所示，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ处均发生了不同程度的冒顶事故，Ⅰ、Ⅳ处的冒顶事故导致掘进工作面停止掘进1～2个月，这些均为冲击地压的显现。经分析造成事故的主要原因为该工作面三面为采空区，以至成为孤岛工作面；临近巷道较多，受巷道叠加应力的影响，掘进工作面为高应力区域；该区域为南北倾向的大褶皱构造，存在较大的构造应力场；煤层硬度较小，不具有柔韧性，不能较好地释放应力，容易造成应力集中。多方面原因最终导致该区域具有较强的冲击倾向。

图1 T1391工作面布置

3 冲击地压机理

根据以往冲击地压发生的规律研究，对T1391工作面进行冲击地压的危险分析及发生机理研究，做出最有效地预测及防治。

3.1 工作面孤岛煤柱破坏试验

根据对孤岛煤柱固有力学特性试验研究和对冲击地压模型分析，在弹塑脆性模型基础上，建立孤岛煤柱冲击地压模型，见图2。模型中，假设脆性单元能够代表煤岩体的冲击倾向性；弹簧和粘缸代表煤岩体能承受高应力集中和积聚大量弹性能、变形能；滑块代表煤岩系统在一定高应力下从弱面（层理）间产生滑动。

图2 孤岛煤柱冲击地压模型

孤岛煤柱承受上方不同类型压应力，在坚硬顶底板夹持作用下，煤岩系统承受较高应力和积聚大量能量，使得煤柱处于高应力状态。当煤岩系统之间因受到极限压应力而在弱面、层理间产生的推力仍然小于其阻力时，系统就会呈现出 “压坏”的状态而不是滑移而产生的失稳破坏，即所说的脆性破坏。随着孤岛工作面的安全推采，煤柱宽度不断减小，煤柱所承受的支承压力因相互叠加而造成应力的进一步升高，煤柱逐步进入高应力区域甚至是极限应力区。如果煤岩系统相互衔接比较充分，煤岩体系统承受的极限应力超过脆性介质的临界强度时，系统发生脆性破坏，即压跨型冲击地压。

3.2 工作面冲击地压危险区域

为保证工作面的顺利推采，根据冲击地压的研究将T1391工作面在回采期间，发生冲击地压的危险区域进行了划分，并且将工作面的小面通风巷进行了调整，如图3所示。

Ⅰ、Ⅳ区域为切眼巷道拐角和巷道群叠加影响的复合型危险区域；Ⅱ区域为上部5＃煤层煤柱和本工作面见方叠加影响的复合型危险区域，范围为上部煤柱边缘前后各40 m；Ⅲ区域为巷道和工作面见方叠加影响的复合型危险区域；Ⅴ区域 （包括Ⅴ1和Ⅴ2区域）为工作面支承压力和煤柱应力相互影响的复合型危险区域；Ⅵ区域为单一断层影响的构造型危险区域，范围为断层前后各30m；Ⅶ区域为45°巷道拐角和采空区应力叠加影响的复合型危险区域；Ⅷ区域为巷道拐角和工作面停采线应力叠加影响的复合型危险区域，范围为停采线到巷道拐弯后15m。其中，Ⅵ区域具有微小冲击地压危险，Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅶ区域具有较小冲击地压危险；Ⅱ、Ⅴ、Ⅷ区域具有较大冲击地压危险。

图3 工作面推采期间危险区域

4 冲击地压防治技术应用及监测

针对该工作面的冲击危险区域，进行实际检测数据统计，采取有效措施避免冲击地压的发生。

4.1 工作面小面通风巷道位置选取

T1391工作面小面放行通风巷道原定为直线掘进，因T2采区工作面停采线未对齐，部分通风巷与采空区之间距离为12～18 m，处于侧向高应力区中。通过对现场地质条件和原始采掘的分析，结合数值模拟，修改了小面通风巷道的掘进位置，确定小面通风巷道沿T2采区工作面停采线留8～9m煤柱掘进，避免了掘进期间冲击危险，实现了安全掘进。

4.2 工作面超前支承压力

通过数值模拟和现场实测得到了工作面超前支承压力分布规律，工作面超前支承压力分布范围为60m，峰值位置为超前工作面23～25m 处。

4.3 冲击地压高位区域监测

在冲击地压危险的区域，分别采用了放震动炮、打泄压孔等多种泄压方法，以杜绝危险区域冲击地压的发生。并且在高危险区域采用了全方位主动承压式钻孔应力计进行工作面密集巷道群区域和停采线区域等冲击地压高危区域的监测。将钻孔应力计安装在可能发生冲击地压的危险区域，观测该区域煤体在静态和动压影响下的应力变化情况，结合钻屑法和顶板动态法等综合监测冲击地压危险性，承压式钻孔应力计安装位置如图4所示。1＃-17＃为钻孔应力计，分为三组，1＃～6＃为第一组，7＃～12＃为第二组，13＃～17＃为第三组，分别监测3个区域的矿压应力变化。

图4 密集巷道群、停采线位置钻孔应力计监测

从实际检测数据中显示工作面压力在0～4 MPa之间，只有4＃钻孔应力计数据出现了较小的突变，其他1＃→6＃、7＃→12＃、13＃→17＃基本为逐渐增大的变化态式，说明通过预先的卸压等措施，工作面密集巷道群区域和停采线区域应力得到了有效地释放，没有形成应力积聚现象。

4.4 工作面采用 “小面在前，大面在后、同时开采”的回采顺序

数值模拟分析可知，采用 “大面在前、小面在后”开采顺序时，小面两侧采空，成为 “孤岛”工作面，两面之间煤柱和小面应力集中度高，能量积聚严重，具有严重冲击地压危险；而采用 “小面在前、大面在后”开采顺序时，大面仅形成 “半孤岛”工作面，且小面侧向应力较小，两面之间的煤柱具有较小冲击地压危险，大大降低了冲击地压危险性。

采用 “小面在前，大面在后、同时开采”的回采方式时，巷道布置在低应力区与煤柱原始应力区内，对防治冲击地压具有以下优点：

（1）大小面整体开采，不会造成应力高度集中，“宽缓”的应力分布和综放开采技术的应用能使冲击能量得到较充分释放，全区域冲击危险性得到大幅度降低。

（2）大小面整体开采，煤柱内的原始巷道避免采动动压的异常影响，可避免原始巷道发生 “贯通”型能量释放，保持 “局部”能量释放模式，能实现冲击能量的 “有序”释放与 “可控”释放，不发生破坏性冲击地压。

（3）大小面整体开采，两面采取间歇式开采，有利于能量的释放，同时推进速度相对降低，能量释放充分。

4.5 大面高应力区域缺陷法预卸压措施

对于高应力具有冲击地压的危险区域，采用缺陷法进行卸压处理，即放震动炮的方法将高应力区域重新分布，减少对巷道的冲击趋势。

T1391大面通风巷道与T2290 轨道巷之间有宽24m 的煤柱，导致这两条巷道为高压力巷道。因此T1391工作面回采前，必须对巷道进行卸压处理，即分别在T2290 轨道巷靠近煤柱的一侧，沿巷道斜向下的方向预爆破卸压处理；在T1391大面通风巷煤柱一侧沿底板巷道斜向上方向进行预爆破卸压处理。煤柱位置见图5，爆破卸压炮眼布置见图6，炮眼孔深8m，孔距5m，孔径42mm；采用三级乳化油炸药，每孔使用900g；每次爆破3～5个孔。

图5 煤柱位置示意图

4.6 在密集巷道群区域采用间歇式协调推进开采工艺

根据实际推采时试验研究发现，当工作面过密集巷道群区域 （老巷区域，为T2292、T2293、T2294工作面服务巷道）时，小面超前大面20～25m 较为合理，一方面能协调高应力区域能量释放程度，另一方面能保障大面合理、均衡推进速度。同时对于小面超前的20～25m 煤柱，采取动态爆破技术进行卸压。

图6 爆破卸压炮眼布置示意图

4.7 冲击地压监测技术

在坚持矿压观测的基础上，采用 “钻屑法和电磁辐射法进行工作面整体全面监测、全方位主动式应力监测法进行高位区域监测”的综合冲击地压监测系统，实现了工作面冲击地压的即时、高效监测。

5 总结

在采取合理巷道布置和工作面回采顺序的基础上，确定了合理的回采掘进位置和工作面回采顺序；通过工作面掘进期间采取在巷道贯通区域采用一炮贯通法、在巷道拐弯区域采用钻孔爆破预卸压措施，工作面回采期间在大小面之间煤柱进行大直径钻孔卸压、大面高应力区域 （煤柱）顶沿板巷道钻孔爆破和沿底板巷道大直径钻孔卸压、密集巷道群区域间歇式协调推采和钻孔爆破等预卸压措施。冲击危险区域采取钻孔爆破等卸压措施后，工作面采掘期间未发生冲击地压现象，实现了工作面安全回采。