劉寶珠

（開灤 （集團）有限責任公司唐山礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063000）

1 工作面概況

唐山礦T1391工作面分為大小工作面平行開采，T1391工作面布置見圖1，開采深度-680～-780m，西鄰T1392工作面采空區(qū)；南部至T1390底邊眼，東部至T2292、T2293、T2294采空工作面，上方為已采空的T1351、T1352 和T1353 工作面，是典型的深部不規(guī)則大孤島工作面開采。該工作面為8＃、9＃煤層合層，煤厚9.5～14 m，平均10.1m，煤層傾角4～21°，平均16°，煤層中發(fā)育有2～3層夾石，主要為黑色炭質(zhì)泥巖，厚度一般在0.1～0.5 m 之間。煤層硬度系數(shù)為1.9，具有較強的礦壓沖擊性。

2 工作面沖擊地壓現(xiàn)象及原因

該工作面在掘進的過程中多次發(fā)生應(yīng)力突然釋放，甚至造成掘進工作面冒頂事故，導(dǎo)致工作面準備工作被推遲。如圖1所示，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ處均發(fā)生了不同程度的冒頂事故，Ⅰ、Ⅳ處的冒頂事故導(dǎo)致掘進工作面停止掘進1～2個月，這些均為沖擊地壓的顯現(xiàn)。經(jīng)分析造成事故的主要原因為該工作面三面為采空區(qū)，以至成為孤島工作面；臨近巷道較多，受巷道疊加應(yīng)力的影響，掘進工作面為高應(yīng)力區(qū)域；該區(qū)域為南北傾向的大褶皺構(gòu)造，存在較大的構(gòu)造應(yīng)力場；煤層硬度較小，不具有柔韌性，不能較好地釋放應(yīng)力，容易造成應(yīng)力集中。多方面原因最終導(dǎo)致該區(qū)域具有較強的沖擊傾向。

圖1 T1391工作面布置

3 沖擊地壓機理

根據(jù)以往沖擊地壓發(fā)生的規(guī)律研究，對T1391工作面進行沖擊地壓的危險分析及發(fā)生機理研究，做出最有效地預(yù)測及防治。

3.1 工作面孤島煤柱破壞試驗

根據(jù)對孤島煤柱固有力學特性試驗研究和對沖擊地壓模型分析，在彈塑脆性模型基礎(chǔ)上，建立孤島煤柱沖擊地壓模型，見圖2。模型中，假設(shè)脆性單元能夠代表煤巖體的沖擊傾向性；彈簧和粘缸代表煤巖體能承受高應(yīng)力集中和積聚大量彈性能、變形能；滑塊代表煤巖系統(tǒng)在一定高應(yīng)力下從弱面（層理）間產(chǎn)生滑動。

圖2 孤島煤柱沖擊地壓模型

孤島煤柱承受上方不同類型壓應(yīng)力，在堅硬頂?shù)装鍔A持作用下，煤巖系統(tǒng)承受較高應(yīng)力和積聚大量能量，使得煤柱處于高應(yīng)力狀態(tài)。當煤巖系統(tǒng)之間因受到極限壓應(yīng)力而在弱面、層理間產(chǎn)生的推力仍然小于其阻力時，系統(tǒng)就會呈現(xiàn)出 “壓壞”的狀態(tài)而不是滑移而產(chǎn)生的失穩(wěn)破壞，即所說的脆性破壞。隨著孤島工作面的安全推采，煤柱寬度不斷減小，煤柱所承受的支承壓力因相互疊加而造成應(yīng)力的進一步升高，煤柱逐步進入高應(yīng)力區(qū)域甚至是極限應(yīng)力區(qū)。如果煤巖系統(tǒng)相互銜接比較充分，煤巖體系統(tǒng)承受的極限應(yīng)力超過脆性介質(zhì)的臨界強度時，系統(tǒng)發(fā)生脆性破壞，即壓跨型沖擊地壓。

3.2 工作面沖擊地壓危險區(qū)域

為保證工作面的順利推采，根據(jù)沖擊地壓的研究將T1391工作面在回采期間，發(fā)生沖擊地壓的危險區(qū)域進行了劃分，并且將工作面的小面通風巷進行了調(diào)整，如圖3所示。

Ⅰ、Ⅳ區(qū)域為切眼巷道拐角和巷道群疊加影響的復(fù)合型危險區(qū)域；Ⅱ區(qū)域為上部5＃煤層煤柱和本工作面見方疊加影響的復(fù)合型危險區(qū)域，范圍為上部煤柱邊緣前后各40 m；Ⅲ區(qū)域為巷道和工作面見方疊加影響的復(fù)合型危險區(qū)域；Ⅴ區(qū)域 （包括Ⅴ1和Ⅴ2區(qū)域）為工作面支承壓力和煤柱應(yīng)力相互影響的復(fù)合型危險區(qū)域；Ⅵ區(qū)域為單一斷層影響的構(gòu)造型危險區(qū)域，范圍為斷層前后各30m；Ⅶ區(qū)域為45°巷道拐角和采空區(qū)應(yīng)力疊加影響的復(fù)合型危險區(qū)域；Ⅷ區(qū)域為巷道拐角和工作面停采線應(yīng)力疊加影響的復(fù)合型危險區(qū)域，范圍為停采線到巷道拐彎后15m。其中，Ⅵ區(qū)域具有微小沖擊地壓危險，Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅶ區(qū)域具有較小沖擊地壓危險；Ⅱ、Ⅴ、Ⅷ區(qū)域具有較大沖擊地壓危險。

圖3 工作面推采期間危險區(qū)域

4 沖擊地壓防治技術(shù)應(yīng)用及監(jiān)測

針對該工作面的沖擊危險區(qū)域，進行實際檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采取有效措施避免沖擊地壓的發(fā)生。

4.1 工作面小面通風巷道位置選取

T1391工作面小面放行通風巷道原定為直線掘進，因T2采區(qū)工作面停采線未對齊，部分通風巷與采空區(qū)之間距離為12～18 m，處于側(cè)向高應(yīng)力區(qū)中。通過對現(xiàn)場地質(zhì)條件和原始采掘的分析，結(jié)合數(shù)值模擬，修改了小面通風巷道的掘進位置，確定小面通風巷道沿T2采區(qū)工作面停采線留8～9m煤柱掘進，避免了掘進期間沖擊危險，實現(xiàn)了安全掘進。

4.2 工作面超前支承壓力

通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測得到了工作面超前支承壓力分布規(guī)律，工作面超前支承壓力分布范圍為60m，峰值位置為超前工作面23～25m 處。

4.3 沖擊地壓高位區(qū)域監(jiān)測

在沖擊地壓危險的區(qū)域，分別采用了放震動炮、打泄壓孔等多種泄壓方法，以杜絕危險區(qū)域沖擊地壓的發(fā)生。并且在高危險區(qū)域采用了全方位主動承壓式鉆孔應(yīng)力計進行工作面密集巷道群區(qū)域和停采線區(qū)域等沖擊地壓高危區(qū)域的監(jiān)測。將鉆孔應(yīng)力計安裝在可能發(fā)生沖擊地壓的危險區(qū)域，觀測該區(qū)域煤體在靜態(tài)和動壓影響下的應(yīng)力變化情況，結(jié)合鉆屑法和頂板動態(tài)法等綜合監(jiān)測沖擊地壓危險性，承壓式鉆孔應(yīng)力計安裝位置如圖4所示。1＃-17＃為鉆孔應(yīng)力計，分為三組，1?！?＃為第一組，7?！?2＃為第二組，13＃～17＃為第三組，分別監(jiān)測3個區(qū)域的礦壓應(yīng)力變化。

圖4 密集巷道群、停采線位置鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測

從實際檢測數(shù)據(jù)中顯示工作面壓力在0～4 MPa之間，只有4＃鉆孔應(yīng)力計數(shù)據(jù)出現(xiàn)了較小的突變，其他1＃→6＃、7?！?2＃、13?！?7?；緸橹饾u增大的變化態(tài)式，說明通過預(yù)先的卸壓等措施，工作面密集巷道群區(qū)域和停采線區(qū)域應(yīng)力得到了有效地釋放，沒有形成應(yīng)力積聚現(xiàn)象。

4.4 工作面采用 “小面在前，大面在后、同時開采”的回采順序

數(shù)值模擬分析可知，采用 “大面在前、小面在后”開采順序時，小面兩側(cè)采空，成為 “孤島”工作面，兩面之間煤柱和小面應(yīng)力集中度高，能量積聚嚴重，具有嚴重沖擊地壓危險；而采用 “小面在前、大面在后”開采順序時，大面僅形成 “半孤島”工作面，且小面?zhèn)认驊?yīng)力較小，兩面之間的煤柱具有較小沖擊地壓危險，大大降低了沖擊地壓危險性。

采用 “小面在前，大面在后、同時開采”的回采方式時，巷道布置在低應(yīng)力區(qū)與煤柱原始應(yīng)力區(qū)內(nèi)，對防治沖擊地壓具有以下優(yōu)點：

（1）大小面整體開采，不會造成應(yīng)力高度集中，“寬緩”的應(yīng)力分布和綜放開采技術(shù)的應(yīng)用能使沖擊能量得到較充分釋放，全區(qū)域沖擊危險性得到大幅度降低。

（2）大小面整體開采，煤柱內(nèi)的原始巷道避免采動動壓的異常影響，可避免原始巷道發(fā)生 “貫通”型能量釋放，保持 “局部”能量釋放模式，能實現(xiàn)沖擊能量的 “有序”釋放與 “可控”釋放，不發(fā)生破壞性沖擊地壓。

（3）大小面整體開采，兩面采取間歇式開采，有利于能量的釋放，同時推進速度相對降低，能量釋放充分。

4.5 大面高應(yīng)力區(qū)域缺陷法預(yù)卸壓措施

對于高應(yīng)力具有沖擊地壓的危險區(qū)域，采用缺陷法進行卸壓處理，即放震動炮的方法將高應(yīng)力區(qū)域重新分布，減少對巷道的沖擊趨勢。

T1391大面通風巷道與T2290 軌道巷之間有寬24m 的煤柱，導(dǎo)致這兩條巷道為高壓力巷道。因此T1391工作面回采前，必須對巷道進行卸壓處理，即分別在T2290 軌道巷靠近煤柱的一側(cè)，沿巷道斜向下的方向預(yù)爆破卸壓處理；在T1391大面通風巷煤柱一側(cè)沿底板巷道斜向上方向進行預(yù)爆破卸壓處理。煤柱位置見圖5，爆破卸壓炮眼布置見圖6，炮眼孔深8m，孔距5m，孔徑42mm；采用三級乳化油炸藥，每孔使用900g；每次爆破3～5個孔。

圖5 煤柱位置示意圖

4.6 在密集巷道群區(qū)域采用間歇式協(xié)調(diào)推進開采工藝

根據(jù)實際推采時試驗研究發(fā)現(xiàn)，當工作面過密集巷道群區(qū)域 （老巷區(qū)域，為T2292、T2293、T2294工作面服務(wù)巷道）時，小面超前大面20～25m 較為合理，一方面能協(xié)調(diào)高應(yīng)力區(qū)域能量釋放程度，另一方面能保障大面合理、均衡推進速度。同時對于小面超前的20～25m 煤柱，采取動態(tài)爆破技術(shù)進行卸壓。

圖6 爆破卸壓炮眼布置示意圖

4.7 沖擊地壓監(jiān)測技術(shù)

在堅持礦壓觀測的基礎(chǔ)上，采用 “鉆屑法和電磁輻射法進行工作面整體全面監(jiān)測、全方位主動式應(yīng)力監(jiān)測法進行高位區(qū)域監(jiān)測”的綜合沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了工作面沖擊地壓的即時、高效監(jiān)測。

5 總結(jié)

在采取合理巷道布置和工作面回采順序的基礎(chǔ)上，確定了合理的回采掘進位置和工作面回采順序；通過工作面掘進期間采取在巷道貫通區(qū)域采用一炮貫通法、在巷道拐彎區(qū)域采用鉆孔爆破預(yù)卸壓措施，工作面回采期間在大小面之間煤柱進行大直徑鉆孔卸壓、大面高應(yīng)力區(qū)域 （煤柱）頂沿板巷道鉆孔爆破和沿底板巷道大直徑鉆孔卸壓、密集巷道群區(qū)域間歇式協(xié)調(diào)推采和鉆孔爆破等預(yù)卸壓措施。沖擊危險區(qū)域采取鉆孔爆破等卸壓措施后，工作面采掘期間未發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象，實現(xiàn)了工作面安全回采。