李紅朝

(大同市同煤集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司)

三側臨空孤島工作面沖擊危險分析及防治

李紅朝

(大同市同煤集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司)

孤島工作面是煤礦沖擊動力災害多發(fā)區(qū)。針對某礦7439工作面三側臨空的開采環(huán)境建立沖擊礦壓弱化控制技術體系，并進行了沖擊危險分析。結果表明：孤島工作面覆巖運動劇烈、應力高度集中，靜載主導-動載誘發(fā)動靜載疊加誘沖機理,7439工作面沖擊危險指數(shù)為0.76，具有強沖擊危險性,整個輔運順槽及盤區(qū)大巷保護煤柱區(qū)巷道群為重點防沖區(qū)。工作面回采前進行大直徑鉆孔預卸壓，回采期間采取大直徑鉆孔、煤體爆破及頂板預裂爆破等解危措施，現(xiàn)場效果良好。該研究成果為類似條件下煤巖動力災害防治提供借鑒和指導。

三側臨空 孤島工作面 沖擊礦壓 弱化控制

近年來，礦井開采不斷向深部延伸，加之不合理的開拓、開采布置及斷層等，形成許多兩側甚至三側或四側處于采空狀態(tài)的孤島煤柱工作面，沖擊動力災害嚴重威脅礦井的安全生產(chǎn)[1-4]。某礦7439工作面為三側臨空孤島工作面，對其進行沖擊危險性分析，劃定重點防沖區(qū)域，建立相應的沖擊礦壓弱化控制體系，對類似條件下的沖擊動力災害防治提供指導。

1 工程條件概況

某礦7439孤島工作面位于東四采區(qū)，北臨7419采空區(qū)，南為F7斷層、7403及7401采空區(qū)，西臨東運輸大巷、7425及7429采空區(qū)，工作面基本處于三側臨空狀態(tài)。工作面主要開采石炭系C5#煤層，厚8.7 m，傾角4°，采深500 m左右；工作面長209 m，推進1300 m，面積271 700 m2，可采儲量3 356 582 t。工作面煤層頂?shù)装逄匦砸姳?。

表1 工作面頂?shù)装鍘r層特性

2 孤島工作面沖擊礦壓機理探討

2.1 孤島工作面覆巖運動及應力分布特征

孤島工作面不但受上方頂板運動作用，同時受兩側或多側采空區(qū)覆巖破斷影響，在工作面采掘動力作用下，孤島工作面覆巖斷裂破壞范圍與周圍采空區(qū)覆巖斷裂范圍成為整體，礦壓顯現(xiàn)明顯，其覆巖結構形態(tài)稱為“T”型空間結構[5-6]，如圖1所示。

圖1 孤島工作面“T”覆巖結構示意

根據(jù)礦井實際條件，模擬工作面開采時垂直應力分布情況，如圖2所示。工作面垂直應力分布基本呈“馬鞍形”，應力集中系數(shù)約為4，應力峰值距煤壁15 m左右，隨著遠離煤壁邊緣，應力逐漸降低。

圖2 工作面垂直應力分布

2.2 孤島工作面沖擊礦壓發(fā)生原因分析

孤島工作面覆巖運動劇烈、應力高度集中，在靜載條件下煤巖體已處于或接近極限平衡狀態(tài)。孤島工作面形成過程中，上覆巖層已經(jīng)發(fā)生多次運動和破壞，在工作面采動作用下，本工作面與周圍采空區(qū)覆巖運動相互影響、協(xié)同運動，擾動范圍大，甚至遠距離微小的擾動亦能引起工作面周圍巖體破裂、滑移和突然卸壓，處于相對平衡狀態(tài)的工作面上方與兩側或多側覆巖結構發(fā)生二次失穩(wěn)活化，誘發(fā)形成大能量強礦震。破斷產(chǎn)生的強礦震應力波對工作面施加動載荷，原本較高的靜載荷與動載荷應力疊加，同時聚集在煤巖體中的彈性能與礦震釋放傳播的震動能疊加，導致處于極限狀態(tài)的煤巖體系統(tǒng)失穩(wěn)破壞，引起大規(guī)模的沖擊動力災害，加之強沖擊傾向性、厚硬頂板等，沖擊危險性更高，即靜載主導-動載誘發(fā)的動靜載疊加誘沖機理。

3 工作面沖擊危險區(qū)域劃分

7439工作面為三側臨空孤島工作面開采，綜合指數(shù)法確定工作面沖擊危險指數(shù)為0.76，具有強沖擊危險性[7]。工作面沖擊危險區(qū)域劃分如圖3所示。

圖3 工作面沖擊危險區(qū)域劃分

(1)嚴重沖擊危險區(qū)域。① 工作面自切眼至回采結束，軌道順槽一側在工作面初次垮落、初次見方、雙工作面見方、F7斷層、7403采空區(qū)側向支承壓力及本工作面與7403采空區(qū)之間的三角煤柱等綜合作用下，應力疊加嚴重，整個軌道順槽劃分為嚴重沖擊危險區(qū)；② 工作面回采至停采線附近，工作面超前支承壓力、附近巷道群自身應力集中及大巷保護煤柱高應力區(qū)及7425、7429采空區(qū)側向支承壓力等相互疊加，應力高度集中，整個大巷保護煤柱區(qū)劃分為嚴重沖擊危險區(qū)。

(2)中等沖擊危險區(qū)域。工作面初次垮落、初次見方、本工作面與7419采空區(qū)形成的雙工作面見方階段，輔運順槽劃分為中等沖擊危險區(qū)域。

(3)一般沖擊危險區(qū)域。除嚴重和中等沖擊危險區(qū)域以外，其它區(qū)域劃分為一般沖擊危險區(qū)。

4 工作面沖擊礦壓控制措施

4.1 沖擊危險預卸壓措施

7439孤島工作面沖擊危險性整體較高，工作面回采前首先對切眼前方200 m范圍內(nèi)巷道實體煤幫進行大直徑鉆孔預卸壓處理，隨工作面推進及時補打鉆孔，并保證大直徑鉆孔卸壓區(qū)域始終超前工作面100 m。技術參數(shù)：①孔距，一般沖擊危險區(qū)域為5 m，中等及嚴重沖擊危險區(qū)域應加密；②孔深15 m，孔徑108 mm；③鉆孔距巷道底板1.2 m，平行煤層，垂直煤壁。鉆孔布置如圖4所示。

圖4 大直徑鉆孔預卸壓布置示意

4.2 沖擊危險解危措施

工作面回采期間，若采用鉆屑、微震等監(jiān)測到?jīng)_擊危險，必須及時解危。首先在危險區(qū)及附近巷道實體煤幫補打大直徑鉆孔，鉆孔布置在原卸壓孔中間(圖4)。

若大直徑鉆孔卸壓效果不佳，應實施煤體爆破。技術參數(shù)：①孔徑42 mm，孔深10 m，間距5 m；②炮眼距底板1.2 m，平行底板，垂直煤幫；③反向裝藥，封孔5 m，裝藥5 m。鉆孔布置如圖5所示。

圖5 煤體卸壓爆破解危布置示意

在以上兩種措施解危效果均不佳的情況下，選用頂板預裂爆破[8]。技術參數(shù)：孔距5 m，孔徑42 mm，孔深20 m(以切斷堅硬老頂為準)，封孔10 m，裝藥10 m。鉆孔布置如圖6所示。

圖6 頂板預裂爆破解危布置示意

4.3 其他防沖措施

為有效降低沖擊危險程度，進一步提高巷道支護質(zhì)量，適當加大錨桿(索)長度、密度，采用高強讓壓支護方式。同時考慮到工作面回采對大巷煤柱區(qū)巷道群造成沖擊擾動影響，尤其是工作面回采至停采線附近時采動影響更為劇烈，需根據(jù)監(jiān)測及礦壓顯現(xiàn)情況對煤柱區(qū)受擾動影響劇烈的巷道群采用頂板爆破處理，同時加強巷道支護。

5 工程實踐

7439工作面回采過程中面內(nèi)及兩順槽超前50 m 范圍內(nèi)板炮、煤炮頻繁，且輔運巷變形嚴重，尤其2012年12月23日在輔運巷18#進尺點向外7 m處實施鉆屑孔時有連續(xù)的板炮、吸鉆現(xiàn)象。為防止沖擊礦壓發(fā)生，實施煤體大直徑鉆孔卸壓解危后，礦壓顯現(xiàn)有所趨減，但25日輔運巷應力在線監(jiān)測系統(tǒng)18#深孔監(jiān)測點(孔深為14 m)數(shù)據(jù)急劇增加，由最初的8.5 MPa持續(xù)上升到26 MPa，超過沖擊預警值15 MPa。為更好的卸壓，于26日在輔運巷18#進尺點10 m范圍內(nèi)巷道兩幫布置6個煤層爆破卸壓孔。爆破卸壓后，鉆屑和應力在線監(jiān)測值均小于沖擊預警值，沖擊危險得到解除。目前該工作面已安全回采結束，回采期間沒有出現(xiàn)沖擊動力事故。

6 結 論

(1)孤島工作面周圍煤巖體靜載條件下已處于或接近極限平衡狀態(tài)，在工作面采動作用下，處于相對平衡狀態(tài)的煤巖體在強礦震動載與高靜載疊加作用下發(fā)生沖擊破壞，即靜載主導-動載誘發(fā)的動靜載疊加誘沖機理。

(2)7439工作面為三側臨空孤島工作面開采，工作面沖擊危險指數(shù)為0.76，具有強沖擊危險。整個軌道順槽及大巷保護煤柱區(qū)巷道群劃分為嚴重沖擊危險區(qū)，運輸順槽在工作面初次垮落、見方、雙工作面見方階段劃分為中等沖擊危險區(qū)。

(3)為保證工作面安全生產(chǎn)，工作面回采前進行煤體大直徑鉆孔預卸壓，回采期間針對現(xiàn)場監(jiān)測情況采取大直徑鉆孔卸壓、煤體爆破及頂板預裂爆破等解危措施，同時進一步加強支護等，以保證工作面安全回采。

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Analysis and Prevention of Rock-burst of Isolated Island Working Face with Three Sides Faing Goafs

Li Hongchao

(Tongfa Dongzhouyao Coal Group Co., Ltd., Datong Coal Mine Group)

The isolated island working face is the multiple zone of coal mine dynamic disasters. Based on the mining environment of 7439 working face with three sides facing goafs in a mine, the shock hazard analysis of it is conducted and the weakening and controlling system of rock-burst is established. The results show that the overlying strata moves violently and stress concentrates highly in the isolated island working face, the superposition of dynamic and static loading induces rock-burst with Static load dominant-dynamic load induced; the shock hazard index of 7439 face is 0.76 with higher shock hazard; the auxiliary transport gateway and panel alleys groups of main entry protection coal pillar area are the key region of prevention rock-burst; the large diameter borehole pressure should be implemented before mining and some danger-breaking measures including large diameter borehole pressure, coal blasting and roof pre-splitting blasting should be taken to release dangers during mining, the in-sit application results is good. The research results can provide reference for the preventing of coal or rock dynamical disasters under similar conditions.

Three sides facing goafs, Isolated island working face, Rock-burst, Weakening and controlling

2015-04-28)

李紅朝(1984—)，男，助理工程師，037001 山西省大同市左云縣。