艾春和

（河北煤礦安全監(jiān)察局冀東監(jiān)察分局，河北省唐山市，063000）

深部不規(guī)則孤島工作面開采順序及沖擊地壓防治技術

艾春和

（河北煤礦安全監(jiān)察局冀東監(jiān)察分局，河北省唐山市，063000）

為了解決某礦深部不規(guī)則孤島工作面因沖擊地壓影響開采的問題，結合某礦T1391不規(guī)則孤島工作面的實際情況，分析了孤島工作面回采過程開采順序引起的覆巖空間結構變化、應力分布、能量積聚，確定對T1391采用大小面整體間歇式開采順序，以便有序釋放能量，實現(xiàn)沖擊能量的可控性；通過數(shù)值模擬確定了小面超前大面的開采順序，降低了應力集中和能量積聚，減小了兩面之間煤柱的沖擊地壓。對具有沖擊危險的超前煤柱采取動態(tài)爆破技術進行卸壓處理，減小了煤柱開采期間的沖擊危險，使得工作面安全推采。

不規(guī)則孤島工作面 開采順序 沖擊地壓 數(shù)值模擬 動態(tài)爆破卸壓

隨著煤炭資源的不斷開采，礦井的開采深度和強度都在逐年增加。在深部礦井開采過程中，由沖擊地壓引發(fā)的動力災害事故不斷增高，成為深部礦井的主要災害來源之一。在深部開采礦井中，由于自然條件和開采技術等因素影響，導致越來越多的孤島工作面開采。一些規(guī)則孤島工作面應力集中，回采時受到大采深及周圍采空區(qū)高應力疊加作用，開采方法及開采順序不得當，工作面和巷道更容易發(fā)生沖擊地壓事故。所以開采孤島工作面時應分析應力分布，確定合理的開采方法和開采順序，避免孤島工作面開采時處于應力疊加區(qū)域，減小沖擊地壓發(fā)生的可能性。

河北某礦因自然原因和開采技術限制，在開采過程中形成了大量不規(guī)則孤島工作面，因大采深、高地應力、沖擊地壓頻發(fā)等原因，一些不規(guī)則孤島工作面難以開采。本文以某礦大采深不規(guī)則孤島工作面為對象，分析綜放回采過程中上覆巖層結構變化及應力分布，比較確定孤島工作面的開采方法及回采順序，并根據(jù)實際情況對該工作面沖擊地壓高危區(qū)域進行防治卸壓，實施后大大減小了高危區(qū)域沖擊地壓的發(fā)生，有效保證了孤島工作面的安全高效回采。

1　工作面概況

1.1工作面位置

河北某礦T1391工作面位于鐵一區(qū)東部，開采深度-680～-780 m，為8#、9#煤層合采工作面。工作面北鄰8060斜井，西鄰T1392工作面采空區(qū)，南部至T1390底邊眼，東部至T2292、T2293、T2294采空區(qū)；上方為已采空的工作面，致使T1391工作面成為不規(guī)則孤島工作面。因工作面的不規(guī)則性，故分為T1391大面和T1391小面開采，工作面布置如圖1所示。

圖1　T1391不規(guī)則孤島工作面平面圖

1.2工作面沖擊傾向性分析

T1391工作面煤層厚9.5～14 m，平均10.1 m，煤層傾角4°～21°，平均16°，煤體強度較高，普氏強度系數(shù)為1.97，破壞形式為脆性能量釋放型，具有較大沖擊傾向性。從周圍已采情況看，煤層厚度相對穩(wěn)定，北部煤層發(fā)育較薄，為10.0 m左右；南部煤層發(fā)育較厚，可達14.0 m。煤層中發(fā)育有2～3層夾石，主要為黑色炭質泥巖，厚度在0.1～0.5 m之間。工作面頂板為4.5 m厚的粉砂巖和5 m厚的泥巖，底板以5 m厚泥巖為主。T1391孤島工作面東西兩側受到相鄰采空區(qū)側壓的影響，采掘活動過程中造成應力集中，積聚能量大，失穩(wěn)時容易誘發(fā)沖擊地壓。此外，因T1391工作面分為大面和小面開采，大小面之間留有13 m左右的煤柱，工作面開采時兩側支承應力向煤柱轉移并相互疊加，煤柱所受應力增大，易發(fā)生煤柱型沖擊地壓。

2　孤島工作面覆巖結構及開采順序分析

T1391工作面采用綜合放頂煤開采技術，開采區(qū)域屬于不規(guī)則煤柱，且有多條巷道切割煤層，造成支承應力集中；開采造成的動應力會加劇應力集中和能量積聚，使得開采難度異常增大，因此必須就合理的開采順序進行論證，并采取有效防治措施，保證孤島工作面的安全開采。

2.1孤島工作面覆巖破壞分析

孤島工作面兩側已采完的工作面受到上覆巖層壓應力作用，逐漸形成穩(wěn)定的裂隙破壞帶，如圖2所示。此時兩側支承壓力轉移到孤島工作面上覆巖層及煤體深部，積聚能量大，工作面內形成一定范圍的應力疊加區(qū)，孤島工作面煤壁前方頂煤主要運動形態(tài)表現(xiàn)為整體彎曲下沉變形，頂板向采空區(qū)方向彎曲偏轉，這部分煤體彎曲變形較大，由于橫向約束力比較大，走向變形仍然表現(xiàn)為整體彎曲變形。當孤島工作面回采完畢后，多個采空區(qū)貫通，上覆巖層破壞帶增大，支承壓力進一步增高，極其容易發(fā)生沖擊地壓事故。因此合理布置工作面開采方法相當于對工作面上覆巖層破壞帶范圍及支承壓力疊加程度進行控制，減小孤島工作面的應力集中和能量積聚，降低沖擊地壓發(fā)生的可能。

圖2　孤島工作面覆巖破壞示意圖

2.2開采順序對孤島工作面的影響

同一煤層各個工作面的接替順序決定了圍巖應力的分布特征及能量的釋放范圍。當工作面一側為采空區(qū)時，相應的工作面形成采空側側向與超前支承壓力的疊加，圍巖應力集中到工作面一側。當工作面因地質條件或開采方法限制，會出現(xiàn)兩側采空的孤島工作面，在煤壁前方和兩端都會形成工作面中部支承壓力疊加的現(xiàn)象，如圖3所示，高應力向工作面深部轉移并集中，在巷道和工作面前方形成高應力并積聚高級別能量，大大增加了工作面的危險性。故合理的開采順序對孤島工作面的安全回采有很大作用。

圖3　孤島工作面兩側支承壓力疊加情況

2.3工作面合理開采順序分析

由于T1391孤島工作面的不規(guī)則性，故在綜放開采下分為大面開采和小面開采，大面和小面的開采順序是影響沖擊地壓的重要因素。根據(jù)T1391區(qū)域孤島煤柱的展布形態(tài)、煤巖層的沖擊傾向性、巷道掘進與回采期間沖擊地壓顯現(xiàn)特征的綜合分析，對T1391孤島工作面的開采順序提出3個方案:先開采小面、先開采大面或大小面間歇式整體同時開采。

（1）先開采小面。先開采T1391不規(guī)則工作面的小面，當小面回采完畢后，大面成為孤島工作面。大面的回風巷道處于支承壓力的高峰位置，由于支承壓力疊加作用，該巷道所受支承應力增大，沖擊危險性高，巷道很難保留下來。同時大面未垮落頂板部分也積聚部分彈性能量，失穩(wěn)斷裂時能量的釋放會造成工作面端頭區(qū)域沖擊地壓危險。因此先開采小面，會形成拐角型沖擊危險區(qū)域，能夠導致嚴重的沖擊地壓事故發(fā)生。

（2）先開采大面。先開采T1391工作面的大面，當大面回采完畢后，小面成為新的孤島工作面。由于小面工作面寬度較小，類似于窄煤柱開采，所承載的支承壓力異常增高、能量積聚嚴重，通過分析對比類似沖擊地壓案例，在小面開采期間會誘發(fā)礦震，小面積聚的能量釋放將影響到整個礦井的其他工作面，對地面建筑物也會造成不同程度的破壞。

（3）大小面間歇式整體同時開采。根據(jù)T1391不規(guī)則孤島工作面的位置形狀、周圍工作面開采與巷道掘進期間沖擊地壓的顯現(xiàn)特征，大小面整體同時開采時，隨著開采的進行，工作面周圍不會造成應力高度集中，平緩的應力分布范圍和綜放開采技術能使積聚的沖擊能量較緩慢地充分釋放，全區(qū)域沖擊危險性會大幅度降低，能夠避免煤柱內巷道受采動壓力的影響，防止工作面兩側巷道發(fā)生整體聯(lián)通型能量釋放，保持能量分步逐漸釋放，能夠有序地釋放能量，并實現(xiàn)沖擊能量可控性，降低沖擊地壓的發(fā)生條件。大小面采取間歇式開采，有利于能量的分散釋放，在沖擊危險區(qū)域降低推進速度，能夠使能量得到釋放充分。

根據(jù)對以上3個方案進行對比可知，采用大小面間歇式整體開采方案對防治沖擊地壓最為合理，故采用大小面整體開采順序對孤島工作面進行回采。

3　大小面回采順序數(shù)值模擬研究

3.1模型建立

采用RFPA模擬軟件對T1391大小面整體開采的回采順序進行模擬，分析不同順序下煤柱的受力變形情況。模型網(wǎng)格劃分為320×400，代表320000 mm×400000 mm，即每一個單元格代表1000 mm。所建模型上方加載方式采用均布載荷，根據(jù)采深得出加載18.5 MPa，兩側施加水平方向位移約束；底邊則限制垂直及水平兩個方向位移，建立平面應變力學模型。在計算模型中，巖石力學參數(shù)假定符合Weibull分布，巖石破裂采用摩爾—庫侖強度準則判斷。

3.2大面超前小面回采數(shù)值模擬

在大小面間歇式整體同時開采的條件下，進行大面超前小面回采的數(shù)值模擬，分析大小面之間煤柱的變形破壞情況。模擬結果表明，煤柱和小面靠近煤柱側煤壁出現(xiàn)變形破壞，并且聲發(fā)射積聚，特別是煤柱聲發(fā)射積聚尤為嚴重。由圖4所示的垂直壓力可知，煤柱上部應力和小面兩側煤壁附近頂板應力出現(xiàn)高度集中。因此當大面超前小面開采時，部分小面成為孤島工作面，兩面之間的煤柱和小面應力集中度高，積聚的能量大，具有嚴重沖擊地壓危險。

圖4　大面超前小面開采垂直應力模擬結果

3.3小面超前大面回采數(shù)值模擬

進行小面超前大面回采數(shù)值模擬研究，結果表明，煤柱同樣出現(xiàn)變形破壞，煤柱兩側聲發(fā)射積聚，小面?zhèn)让褐暟l(fā)射積聚較大但與大面超前小面的結果圖相比，能量、范圍有所減小。由圖5所示的垂直壓力可知，煤柱上部應力出現(xiàn)高度集中，但與大面超前小面的結果圖相比，垂直應力都有所減小?？芍斝∶娉按竺骈_采時，大面相對小面來說形成了半孤島工作面，不僅降低了應力集中和能量積聚，且小面?zhèn)认驊p小，兩面之間的煤柱具有較小沖擊地壓危險。

圖5　小面超前大面開采垂直應力模擬結果

通過對大小面的開采順序模擬比較得出，當小面超前大面開采時，大面相當于半孤島工作面開采，煤柱受力比孤島工作面要小得多，且積聚的能量小，大大降低了沖擊地壓的危險性，故采用小面超前大面的回采順序進行開采。

4　孤島工作面超前煤柱卸壓防治措施

根據(jù)對T1391不規(guī)則孤島工作面的沖擊傾向性分析，在工作面掘進和開采期間有沖擊地壓危險性。由于大小面開采時之間留有13 m左右的煤柱，受到兩側的應力疊加，并積聚大量彈性能，小面超前大面開采時，受開采擾動極易發(fā)生沖擊地壓事故，故針對大小面之間超前煤柱進行了卸壓措施，降低沖擊事故的發(fā)生。

根據(jù)實測得到工作面超前支承壓力范圍為20～30 m之間，故大小面整體回采時小面超前大面20～25 m較為合理，一方面能協(xié)調高應力區(qū)域能量釋放程度，在回采期間能夠減小應力影響范圍；另一方面能保障大面合理、均衡推進速度。超前煤柱中積聚能量較大，具有沖擊危險性，故對于小面超前的20～25 m煤柱，采取動態(tài)爆破技術卸壓，具體如圖6所示。

圖6　小面超前煤柱爆破卸壓示意圖

卸壓爆破屬于內部爆破，主要作用是使煤層產(chǎn)生大量裂隙，導致彈性模量減小，強度降低，積聚的彈性能減少，破壞動力現(xiàn)象發(fā)生的強度條件和能量條件。鉆孔卸壓爆破參數(shù)為孔深8 m，孔間距5 m，孔徑42 mm，鉆孔斜向上3°～5°，鉆孔距離地板1.2 m，如圖7所示。單孔藥卷量為50 mm藥卷3個，5孔一起起爆。初次卸壓效果不理想時，可在原爆破孔之間布置二次爆破鉆孔，參數(shù)同一次爆破鉆孔，與一次爆破鉆孔間距2.5 m左右。經(jīng)爆破卸壓后，降低了工作面之間的煤柱沖擊危險性，確保了工作面的安全回采。

圖7　爆破卸壓鉆孔布置圖

5　結論

（1）分析了孤島工作面采空后上覆巖層破壞范圍，開采順序對覆巖破壞范圍、應力集中區(qū)域的影響，孤島工作面開采產(chǎn)生應力疊加和能量積聚，加大了沖擊危險性。

（2）確定孤島工作面進行大小面間歇式整體開采順序，能夠使沖擊能量較充分釋放，危險區(qū)域危險性大幅降低，避免了煤柱內巷道發(fā)生聯(lián)通型能量釋放，保持能量分步、有序釋放，實現(xiàn)了沖擊能量可控性，降低沖擊地壓的發(fā)生條件。并應用數(shù)值模擬對大小面不同回采順序下的巷道變形破壞進行分析，得出小面超前大面的回采順序能夠使得煤柱的支承壓力減小，降低了煤柱的應力集中和能量積聚，能夠降低了沖擊危險性。

（3）對大小面開采超前的20～25 m煤柱進行動態(tài)爆破卸壓技術，降低了煤柱沖擊地壓的危險性，工作面得以安全生產(chǎn)。

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（責任編輯 張毅玲）

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，采煤高級工程師，現(xiàn)任河北煤礦安全監(jiān)察局冀東監(jiān)察分局副調研員。