某矿孤岛工作面冲击地压防治技术

董元涛

（山西长治郊区三元南耀吉安煤业有限公司）

由于地质条件及开采技术等因素的影响，矿井在生产过程中形成了一些孤岛煤柱，孤岛工作面开采受超前支承压力、采空区侧向支承压力等高集中应力场的影响，发生冲击灾害的危险性极高［1-3］。孤岛工作面开采是当前矿井冲击地压防治的技术难题，国内外众多学者进行了大量研究，通过分析煤柱宽度判定煤柱应力场分布，确定冲击危险区域及程度，并进行超前卸压将煤柱集中应力降至安全范围［4-6］。采用力学分析和数值模拟分析了某矿3206不规则孤岛工作面冲击发生机理，并提出煤层注水和钻孔爆破措施对危险区域进行超前卸压，来防治冲击地压，为类似条件下工作面冲击地压防治提供借鉴。

1 工作面概况

3206 工作面位于该矿三采区东侧，工作面标高-627.9～-679.4 m，北侧为已回采3204 工作面，南侧为已回采3208 工作面，西侧为已回采3016 工作面，致使3206 工作面为孤岛不规则开采工作面。工作面主采3上煤层，平均厚度3.0 m，平均倾角7°，煤层顶板主要由粉砂岩、中砂岩构成，底板主要由泥岩、粉砂岩构成。3206 工作面开采前受周边采空区影响处于高应力状态，开采期间受动压等因素影响，极易发生冲击地压事故。为了保证工作面回采安全，需要对孤岛煤柱进行卸压，减小煤柱集中应力的范围和峰值。

2 孤岛工作面冲击地压发生机理

3206工作面西、南、北侧三面为采空区，受采空区侧向支承压力影响，工作面两侧形成高应力集中区，应力的范围和峰值远大于一般条件回采的工作面。同时，孤岛煤柱具有不规则的特性，更加剧了应力集中程度。工作面回采期间受动压等因素影响，造成应力集中区内积聚的弹性变形能瞬间释放，发生冲击地压事故。3206工作面应力分布情况如图1所示。

备注：k1、k2、k3均为应力集中系数；γ为容重，N/m3；H为理深，m。

由图1 中，曲线1 为一般条件回采工作面应力集中曲线，曲线2 为孤岛工作面应力集中曲线，曲线3为不规则孤岛工作面应力集中曲线。由于孤岛工作面受采空区侧向支承压力等因素影响，应力峰值较一般条件回采工作面大，k2γH远大于k1γH，应力集中系数k2一般为2～3 倍k1。不规则孤岛工作面在长度突然变化或受力不均匀的区域应力会异常增大，应力峰值k3γH大于k2γH。因此，孤岛工作面不规则区域应力集中程度高，发生冲击地压的危险性高，需要加强该区域的防治。

3 孤岛煤柱采动应力分布特征

3.1 模拟方案

采用FLAC3D模拟3206工作面回采期间围岩应力分布规律，建立270 m×260 m×74 m 的力学模型，顶板施加7.2 MPa应力，具体力学参数如表1所示。

?

3.2 模拟结果分析

3206 工作面西、南、北侧三面为采空区，工作面回采期间由规则区域向不规则区域推进，随着工作面的推进，围岩的应力重新分布，推进至不同位置时围岩应力分布情况如图2所示。

由图2（a）可知，由于3206工作面三面采空，受采空区侧向支承压力影响，工作面围岩出现应力集中，其中边界A为规则区域与不规则区域分界线。由图2（b）（c）（d）图可知，工作面由规则区域向不规则区域逐渐推进，虽然工作面的应力峰值逐渐增加，由29.8 MPa 增加到38.9 MPa，但是高应力的范围却逐渐缩小，主要原因是由规则区域向不规则区域推进时形状发生变化，应力向前传递受阻，工作面应力向深部转移，此时深部应力在10 MPa以上。

由图2（e）（f）（g）图可知，随着工作面继续向不规则区域推进，孤岛煤柱宽度逐渐减小，应力集中系数由6.2 增加至7.6，应力峰值由43.4 MPa 增加到53.7 MPa，工作面前方至停采线前区域均处于高应力状态。此时深部应力也有一定程度增加，达到12 MPa以上。当工作面推进至距停采线10 m 位置时，应力峰值逐渐减小至36.2 MPa，主要原因是超前支承压力向实体煤壁深部转移，此时深部应力在30 MPa以上。

根据模拟结果可知，3206 工作面由规则区域向不规则区域推进时，应力峰值逐渐增加。同时，由规则区域向边界A推进时应力增加速率，远小于由边界A向不规则区域推进时应力增加速率。因此，对于不规则孤岛煤柱回采时，不规则区域相对易发生冲击地压事故，是冲击地压防治的重点。

4 孤岛工作面冲击地压防治技术

4.1 煤层注水

煤层注水的目的是通过高压水使煤层产生裂隙和节理，扩大煤体塑性区的范围，减小应力集中程度［7］。由于3206 工作面的不规则形状，采用双向长钻孔注水。在工作面回采前，沿着煤层走向方面分别在两巷布置注水钻孔，钻孔深、直径、间距及封孔长度分别为20 m、φ56 mm、7 m、8 m，注水初压、终压分别不小于4 MPa、6 MPa。

4.2 钻孔爆破

煤层钻孔爆破的目的是让钻孔周围煤体破碎，将煤体内积聚的弹性变形能通过裂隙提前释放，避免应力集中；尤其是当相邻钻孔爆破使煤体裂隙相互贯通后，更能大幅度减少煤体应力集中程度［8］。3206 工作面在采用煤层注水的前提下，通过钻孔爆破卸压将高危险区域冲击危险消除。

在工作面两巷布置爆破钻孔，与注水钻孔间隔布置，钻孔孔深、直径、间距及封孔长度分别为10 m、φ42 mm、7 m、4 m。3206工作面卸压如图3所示。

5 卸压效果检验

3206 不规则孤岛工作面采用煤层注水和钻孔爆破卸压后，通过钻屑法对卸压效果进行检验。在切眼前5～10 m 位置开始布置监测点，每隔60 m 布置1组监测点，每组4 个钻孔，规则区域监测点间距为15 m，不规则区域监测点间距为5 m。钻孔孔深、直径分别为7 m、φ42 mm，具体布置示意图如图4所示。

3206 工作面采用钻屑法对卸压效果进行检验，选取1组钻孔进行观察，监测结果如表2所示。

?

由表2可知，工作面卸压后钻孔最大煤粉量均未超过3.0 kg/m，在安全范围内，表明煤层注释及钻孔爆破卸压措施效果明显，将集中应力提前释放，实现了防治冲击地压的目的。

6 结 论

（1）3206 不规则孤岛工作面受周围采空区侧向支承压力影响，应力峰值较一般条件回采工作面大，发生冲击地压危险性高。采用FLAC3D模拟工作面回采期间应力分布规律可知，由规则区域向边界推进时应力增加速率，远小于由边界向不规则区域推进时应力增加速率，不规则区域是冲击地压防治的重点。

（2）工作面采用煤层注水和钻孔爆破进行超前卸压，并设计了施工具体参数。通过钻屑法对卸压效果进行检验，根据监测结果可知，卸压后最大煤粉量均未超过3.0 kg/m，卸压措施提前释放了集中应力，实现了防治冲击地压的目的。