深部不规则孤岛工作面开采顺序及冲击地压防治技术

艾春和

（河北煤矿安全监察局冀东监察分局，河北省唐山市，063000）

深部不规则孤岛工作面开采顺序及冲击地压防治技术

艾春和

（河北煤矿安全监察局冀东监察分局，河北省唐山市，063000）

为了解决某矿深部不规则孤岛工作面因冲击地压影响开采的问题，结合某矿T1391不规则孤岛工作面的实际情况，分析了孤岛工作面回采过程开采顺序引起的覆岩空间结构变化、应力分布、能量积聚，确定对T1391采用大小面整体间歇式开采顺序，以便有序释放能量，实现冲击能量的可控性；通过数值模拟确定了小面超前大面的开采顺序，降低了应力集中和能量积聚，减小了两面之间煤柱的冲击地压。对具有冲击危险的超前煤柱采取动态爆破技术进行卸压处理，减小了煤柱开采期间的冲击危险，使得工作面安全推采。

不规则孤岛工作面 开采顺序 冲击地压 数值模拟 动态爆破卸压

随着煤炭资源的不断开采，矿井的开采深度和强度都在逐年增加。在深部矿井开采过程中，由冲击地压引发的动力灾害事故不断增高，成为深部矿井的主要灾害来源之一。在深部开采矿井中，由于自然条件和开采技术等因素影响，导致越来越多的孤岛工作面开采。一些规则孤岛工作面应力集中，回采时受到大采深及周围采空区高应力叠加作用，开采方法及开采顺序不得当，工作面和巷道更容易发生冲击地压事故。所以开采孤岛工作面时应分析应力分布，确定合理的开采方法和开采顺序，避免孤岛工作面开采时处于应力叠加区域，减小冲击地压发生的可能性。

河北某矿因自然原因和开采技术限制，在开采过程中形成了大量不规则孤岛工作面，因大采深、高地应力、冲击地压频发等原因，一些不规则孤岛工作面难以开采。本文以某矿大采深不规则孤岛工作面为对象，分析综放回采过程中上覆岩层结构变化及应力分布，比较确定孤岛工作面的开采方法及回采顺序，并根据实际情况对该工作面冲击地压高危区域进行防治卸压，实施后大大减小了高危区域冲击地压的发生，有效保证了孤岛工作面的安全高效回采。

1　工作面概况

1.1工作面位置

河北某矿T1391工作面位于铁一区东部，开采深度-680～-780 m，为8#、9#煤层合采工作面。工作面北邻8060斜井，西邻T1392工作面采空区，南部至T1390底边眼，东部至T2292、T2293、T2294采空区；上方为已采空的工作面，致使T1391工作面成为不规则孤岛工作面。因工作面的不规则性，故分为T1391大面和T1391小面开采，工作面布置如图1所示。

图1　T1391不规则孤岛工作面平面图

1.2工作面冲击倾向性分析

T1391工作面煤层厚9.5～14 m，平均10.1 m，煤层倾角4°～21°，平均16°，煤体强度较高，普氏强度系数为1.97，破坏形式为脆性能量释放型，具有较大冲击倾向性。从周围已采情况看，煤层厚度相对稳定，北部煤层发育较薄，为10.0 m左右；南部煤层发育较厚，可达14.0 m。煤层中发育有2～3层夹石，主要为黑色炭质泥岩，厚度在0.1～0.5 m之间。工作面顶板为4.5 m厚的粉砂岩和5 m厚的泥岩，底板以5 m厚泥岩为主。T1391孤岛工作面东西两侧受到相邻采空区侧压的影响，采掘活动过程中造成应力集中，积聚能量大，失稳时容易诱发冲击地压。此外，因T1391工作面分为大面和小面开采，大小面之间留有13 m左右的煤柱，工作面开采时两侧支承应力向煤柱转移并相互叠加，煤柱所受应力增大，易发生煤柱型冲击地压。

2　孤岛工作面覆岩结构及开采顺序分析

T1391工作面采用综合放顶煤开采技术，开采区域属于不规则煤柱，且有多条巷道切割煤层，造成支承应力集中；开采造成的动应力会加剧应力集中和能量积聚，使得开采难度异常增大，因此必须就合理的开采顺序进行论证，并采取有效防治措施，保证孤岛工作面的安全开采。

2.1孤岛工作面覆岩破坏分析

孤岛工作面两侧已采完的工作面受到上覆岩层压应力作用，逐渐形成稳定的裂隙破坏带，如图2所示。此时两侧支承压力转移到孤岛工作面上覆岩层及煤体深部，积聚能量大，工作面内形成一定范围的应力叠加区，孤岛工作面煤壁前方顶煤主要运动形态表现为整体弯曲下沉变形，顶板向采空区方向弯曲偏转，这部分煤体弯曲变形较大，由于横向约束力比较大，走向变形仍然表现为整体弯曲变形。当孤岛工作面回采完毕后，多个采空区贯通，上覆岩层破坏带增大，支承压力进一步增高，极其容易发生冲击地压事故。因此合理布置工作面开采方法相当于对工作面上覆岩层破坏带范围及支承压力叠加程度进行控制，减小孤岛工作面的应力集中和能量积聚，降低冲击地压发生的可能。

图2　孤岛工作面覆岩破坏示意图

2.2开采顺序对孤岛工作面的影响

同一煤层各个工作面的接替顺序决定了围岩应力的分布特征及能量的释放范围。当工作面一侧为采空区时，相应的工作面形成采空侧侧向与超前支承压力的叠加，围岩应力集中到工作面一侧。当工作面因地质条件或开采方法限制，会出现两侧采空的孤岛工作面，在煤壁前方和两端都会形成工作面中部支承压力叠加的现象，如图3所示，高应力向工作面深部转移并集中，在巷道和工作面前方形成高应力并积聚高级别能量，大大增加了工作面的危险性。故合理的开采顺序对孤岛工作面的安全回采有很大作用。

图3　孤岛工作面两侧支承压力叠加情况

2.3工作面合理开采顺序分析

由于T1391孤岛工作面的不规则性，故在综放开采下分为大面开采和小面开采，大面和小面的开采顺序是影响冲击地压的重要因素。根据T1391区域孤岛煤柱的展布形态、煤岩层的冲击倾向性、巷道掘进与回采期间冲击地压显现特征的综合分析，对T1391孤岛工作面的开采顺序提出3个方案:先开采小面、先开采大面或大小面间歇式整体同时开采。

（1）先开采小面。先开采T1391不规则工作面的小面，当小面回采完毕后，大面成为孤岛工作面。大面的回风巷道处于支承压力的高峰位置，由于支承压力叠加作用，该巷道所受支承应力增大，冲击危险性高，巷道很难保留下来。同时大面未垮落顶板部分也积聚部分弹性能量，失稳断裂时能量的释放会造成工作面端头区域冲击地压危险。因此先开采小面，会形成拐角型冲击危险区域，能够导致严重的冲击地压事故发生。

（2）先开采大面。先开采T1391工作面的大面，当大面回采完毕后，小面成为新的孤岛工作面。由于小面工作面宽度较小，类似于窄煤柱开采，所承载的支承压力异常增高、能量积聚严重，通过分析对比类似冲击地压案例，在小面开采期间会诱发矿震，小面积聚的能量释放将影响到整个矿井的其他工作面，对地面建筑物也会造成不同程度的破坏。

（3）大小面间歇式整体同时开采。根据T1391不规则孤岛工作面的位置形状、周围工作面开采与巷道掘进期间冲击地压的显现特征，大小面整体同时开采时，随着开采的进行，工作面周围不会造成应力高度集中，平缓的应力分布范围和综放开采技术能使积聚的冲击能量较缓慢地充分释放，全区域冲击危险性会大幅度降低，能够避免煤柱内巷道受采动压力的影响，防止工作面两侧巷道发生整体联通型能量释放，保持能量分步逐渐释放，能够有序地释放能量，并实现冲击能量可控性，降低冲击地压的发生条件。大小面采取间歇式开采，有利于能量的分散释放，在冲击危险区域降低推进速度，能够使能量得到释放充分。

根据对以上3个方案进行对比可知，采用大小面间歇式整体开采方案对防治冲击地压最为合理，故采用大小面整体开采顺序对孤岛工作面进行回采。

3　大小面回采顺序数值模拟研究

3.1模型建立

采用RFPA模拟软件对T1391大小面整体开采的回采顺序进行模拟，分析不同顺序下煤柱的受力变形情况。模型网格划分为320×400，代表320000 mm×400000 mm，即每一个单元格代表1000 mm。所建模型上方加载方式采用均布载荷，根据采深得出加载18.5 MPa，两侧施加水平方向位移约束；底边则限制垂直及水平两个方向位移，建立平面应变力学模型。在计算模型中，岩石力学参数假定符合Weibull分布，岩石破裂采用摩尔—库仑强度准则判断。

3.2大面超前小面回采数值模拟

在大小面间歇式整体同时开采的条件下，进行大面超前小面回采的数值模拟，分析大小面之间煤柱的变形破坏情况。模拟结果表明，煤柱和小面靠近煤柱侧煤壁出现变形破坏，并且声发射积聚，特别是煤柱声发射积聚尤为严重。由图4所示的垂直压力可知，煤柱上部应力和小面两侧煤壁附近顶板应力出现高度集中。因此当大面超前小面开采时，部分小面成为孤岛工作面，两面之间的煤柱和小面应力集中度高，积聚的能量大，具有严重冲击地压危险。

图4　大面超前小面开采垂直应力模拟结果

3.3小面超前大面回采数值模拟

进行小面超前大面回采数值模拟研究，结果表明，煤柱同样出现变形破坏，煤柱两侧声发射积聚，小面侧煤柱声发射积聚较大但与大面超前小面的结果图相比，能量、范围有所减小。由图5所示的垂直压力可知，煤柱上部应力出现高度集中，但与大面超前小面的结果图相比，垂直应力都有所减小。可知当小面超前大面开采时，大面相对小面来说形成了半孤岛工作面，不仅降低了应力集中和能量积聚，且小面侧向应力减小，两面之间的煤柱具有较小冲击地压危险。

图5　小面超前大面开采垂直应力模拟结果

通过对大小面的开采顺序模拟比较得出，当小面超前大面开采时，大面相当于半孤岛工作面开采，煤柱受力比孤岛工作面要小得多，且积聚的能量小，大大降低了冲击地压的危险性，故采用小面超前大面的回采顺序进行开采。

4　孤岛工作面超前煤柱卸压防治措施

根据对T1391不规则孤岛工作面的冲击倾向性分析，在工作面掘进和开采期间有冲击地压危险性。由于大小面开采时之间留有13 m左右的煤柱，受到两侧的应力叠加，并积聚大量弹性能，小面超前大面开采时，受开采扰动极易发生冲击地压事故，故针对大小面之间超前煤柱进行了卸压措施，降低冲击事故的发生。

根据实测得到工作面超前支承压力范围为20～30 m之间，故大小面整体回采时小面超前大面20～25 m较为合理，一方面能协调高应力区域能量释放程度，在回采期间能够减小应力影响范围；另一方面能保障大面合理、均衡推进速度。超前煤柱中积聚能量较大，具有冲击危险性，故对于小面超前的20～25 m煤柱，采取动态爆破技术卸压，具体如图6所示。

图6　小面超前煤柱爆破卸压示意图

卸压爆破属于内部爆破，主要作用是使煤层产生大量裂隙，导致弹性模量减小，强度降低，积聚的弹性能减少，破坏动力现象发生的强度条件和能量条件。钻孔卸压爆破参数为孔深8 m，孔间距5 m，孔径42 mm，钻孔斜向上3°～5°，钻孔距离地板1.2 m，如图7所示。单孔药卷量为50 mm药卷3个，5孔一起起爆。初次卸压效果不理想时，可在原爆破孔之间布置二次爆破钻孔，参数同一次爆破钻孔，与一次爆破钻孔间距2.5 m左右。经爆破卸压后，降低了工作面之间的煤柱冲击危险性，确保了工作面的安全回采。

图7　爆破卸压钻孔布置图

5　结论

（1）分析了孤岛工作面采空后上覆岩层破坏范围，开采顺序对覆岩破坏范围、应力集中区域的影响，孤岛工作面开采产生应力叠加和能量积聚，加大了冲击危险性。

（2）确定孤岛工作面进行大小面间歇式整体开采顺序，能够使冲击能量较充分释放，危险区域危险性大幅降低，避免了煤柱内巷道发生联通型能量释放，保持能量分步、有序释放，实现了冲击能量可控性，降低冲击地压的发生条件。并应用数值模拟对大小面不同回采顺序下的巷道变形破坏进行分析，得出小面超前大面的回采顺序能够使得煤柱的支承压力减小，降低了煤柱的应力集中和能量积聚，能够降低了冲击危险性。

（3）对大小面开采超前的20～25 m煤柱进行动态爆破卸压技术，降低了煤柱冲击地压的危险性，工作面得以安全生产。

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（责任编辑 张毅玲）

Research on mining sequence of deep and irregular island working face and control technology of rock burst

Ai Chunhe
（Jidong Supervision Branch，Hebei Administration of Coal Mine Safety，Tangshan，Hebei 063000，China）

To solve the problem that the mining process of deep and irregular island working face in a certain mine was influenced by rock burst，the space structure changes，stress distribution and energy accumulation of overlying strata caused by mining sequence in mining process of island working face were analyzed according to the actual situations of the T1391 face，it confirmed that the intermission mining method for both the big face and the small face was adopted in the T1391 face，which could release energy orderly and realize the controllability of impact energy.Through numerical simulation，it indicated that the small face mined staying ahead of the big face could reduce the stress concentration and energy accumulation，and decrease the rock burst of coal pillar between two faces.The dynamic blasting technique was adopted for advance coal pillar with burst risk to release the pressure，so that it could reduce the burst risk during coal pillar mining and ensure the safe mining.

irregular island working face，mining sequence，rock burst，numerical simulation，dynamic blasting destressing

TD823.8

A

艾春和（1959-），男，河北唐山人，采煤高级工程师，现任河北煤矿安全监察局冀东监察分局副调研员。