三侧临空孤岛工作面冲击危险分析及防治

李红朝

(大同市同煤集团同发东周窑煤业有限公司)

三侧临空孤岛工作面冲击危险分析及防治

李红朝

(大同市同煤集团同发东周窑煤业有限公司)

孤岛工作面是煤矿冲击动力灾害多发区。针对某矿7439工作面三侧临空的开采环境建立冲击矿压弱化控制技术体系，并进行了冲击危险分析。结果表明：孤岛工作面覆岩运动剧烈、应力高度集中，静载主导-动载诱发动静载叠加诱冲机理,7439工作面冲击危险指数为0.76，具有强冲击危险性,整个辅运顺槽及盘区大巷保护煤柱区巷道群为重点防冲区。工作面回采前进行大直径钻孔预卸压，回采期间采取大直径钻孔、煤体爆破及顶板预裂爆破等解危措施，现场效果良好。该研究成果为类似条件下煤岩动力灾害防治提供借鉴和指导。

三侧临空 孤岛工作面 冲击矿压 弱化控制

近年来，矿井开采不断向深部延伸，加之不合理的开拓、开采布置及断层等，形成许多两侧甚至三侧或四侧处于采空状态的孤岛煤柱工作面，冲击动力灾害严重威胁矿井的安全生产[1-4]。某矿7439工作面为三侧临空孤岛工作面，对其进行冲击危险性分析，划定重点防冲区域，建立相应的冲击矿压弱化控制体系，对类似条件下的冲击动力灾害防治提供指导。

1 工程条件概况

某矿7439孤岛工作面位于东四采区，北临7419采空区，南为F7断层、7403及7401采空区，西临东运输大巷、7425及7429采空区，工作面基本处于三侧临空状态。工作面主要开采石炭系C5#煤层，厚8.7 m，倾角4°，采深500 m左右；工作面长209 m，推进1300 m，面积271 700 m2，可采储量3 356 582 t。工作面煤层顶底板特性见表1。

表1 工作面顶底板岩层特性

2 孤岛工作面冲击矿压机理探讨

2.1 孤岛工作面覆岩运动及应力分布特征

孤岛工作面不但受上方顶板运动作用，同时受两侧或多侧采空区覆岩破断影响，在工作面采掘动力作用下，孤岛工作面覆岩断裂破坏范围与周围采空区覆岩断裂范围成为整体，矿压显现明显，其覆岩结构形态称为“T”型空间结构[5-6]，如图1所示。

图1 孤岛工作面“T”覆岩结构示意

根据矿井实际条件，模拟工作面开采时垂直应力分布情况，如图2所示。工作面垂直应力分布基本呈“马鞍形”，应力集中系数约为4，应力峰值距煤壁15 m左右，随着远离煤壁边缘，应力逐渐降低。

图2 工作面垂直应力分布

2.2 孤岛工作面冲击矿压发生原因分析

孤岛工作面覆岩运动剧烈、应力高度集中，在静载条件下煤岩体已处于或接近极限平衡状态。孤岛工作面形成过程中，上覆岩层已经发生多次运动和破坏，在工作面采动作用下，本工作面与周围采空区覆岩运动相互影响、协同运动，扰动范围大，甚至远距离微小的扰动亦能引起工作面周围岩体破裂、滑移和突然卸压，处于相对平衡状态的工作面上方与两侧或多侧覆岩结构发生二次失稳活化，诱发形成大能量强矿震。破断产生的强矿震应力波对工作面施加动载荷，原本较高的静载荷与动载荷应力叠加，同时聚集在煤岩体中的弹性能与矿震释放传播的震动能叠加，导致处于极限状态的煤岩体系统失稳破坏，引起大规模的冲击动力灾害，加之强冲击倾向性、厚硬顶板等，冲击危险性更高，即静载主导-动载诱发的动静载叠加诱冲机理。

3 工作面冲击危险区域划分

7439工作面为三侧临空孤岛工作面开采，综合指数法确定工作面冲击危险指数为0.76，具有强冲击危险性[7]。工作面冲击危险区域划分如图3所示。

图3 工作面冲击危险区域划分

(1)严重冲击危险区域。① 工作面自切眼至回采结束，轨道顺槽一侧在工作面初次垮落、初次见方、双工作面见方、F7断层、7403采空区侧向支承压力及本工作面与7403采空区之间的三角煤柱等综合作用下，应力叠加严重，整个轨道顺槽划分为严重冲击危险区；② 工作面回采至停采线附近，工作面超前支承压力、附近巷道群自身应力集中及大巷保护煤柱高应力区及7425、7429采空区侧向支承压力等相互叠加，应力高度集中，整个大巷保护煤柱区划分为严重冲击危险区。

(2)中等冲击危险区域。工作面初次垮落、初次见方、本工作面与7419采空区形成的双工作面见方阶段，辅运顺槽划分为中等冲击危险区域。

(3)一般冲击危险区域。除严重和中等冲击危险区域以外，其它区域划分为一般冲击危险区。

4 工作面冲击矿压控制措施

4.1 冲击危险预卸压措施

7439孤岛工作面冲击危险性整体较高，工作面回采前首先对切眼前方200 m范围内巷道实体煤帮进行大直径钻孔预卸压处理，随工作面推进及时补打钻孔，并保证大直径钻孔卸压区域始终超前工作面100 m。技术参数：①孔距，一般冲击危险区域为5 m，中等及严重冲击危险区域应加密；②孔深15 m，孔径108 mm；③钻孔距巷道底板1.2 m，平行煤层，垂直煤壁。钻孔布置如图4所示。

图4 大直径钻孔预卸压布置示意

4.2 冲击危险解危措施

工作面回采期间，若采用钻屑、微震等监测到冲击危险，必须及时解危。首先在危险区及附近巷道实体煤帮补打大直径钻孔，钻孔布置在原卸压孔中间(图4)。

若大直径钻孔卸压效果不佳，应实施煤体爆破。技术参数：①孔径42 mm，孔深10 m，间距5 m；②炮眼距底板1.2 m，平行底板，垂直煤帮；③反向装药，封孔5 m，装药5 m。钻孔布置如图5所示。

图5 煤体卸压爆破解危布置示意

在以上两种措施解危效果均不佳的情况下，选用顶板预裂爆破[8]。技术参数：孔距5 m，孔径42 mm，孔深20 m(以切断坚硬老顶为准)，封孔10 m，装药10 m。钻孔布置如图6所示。

图6 顶板预裂爆破解危布置示意

4.3 其他防冲措施

为有效降低冲击危险程度，进一步提高巷道支护质量，适当加大锚杆(索)长度、密度，采用高强让压支护方式。同时考虑到工作面回采对大巷煤柱区巷道群造成冲击扰动影响，尤其是工作面回采至停采线附近时采动影响更为剧烈，需根据监测及矿压显现情况对煤柱区受扰动影响剧烈的巷道群采用顶板爆破处理，同时加强巷道支护。

5 工程实践

7439工作面回采过程中面内及两顺槽超前50 m 范围内板炮、煤炮频繁，且辅运巷变形严重，尤其2012年12月23日在辅运巷18#进尺点向外7 m处实施钻屑孔时有连续的板炮、吸钻现象。为防止冲击矿压发生，实施煤体大直径钻孔卸压解危后，矿压显现有所趋减，但25日辅运巷应力在线监测系统18#深孔监测点(孔深为14 m)数据急剧增加，由最初的8.5 MPa持续上升到26 MPa，超过冲击预警值15 MPa。为更好的卸压，于26日在辅运巷18#进尺点10 m范围内巷道两帮布置6个煤层爆破卸压孔。爆破卸压后，钻屑和应力在线监测值均小于冲击预警值，冲击危险得到解除。目前该工作面已安全回采结束，回采期间没有出现冲击动力事故。

6 结 论

(1)孤岛工作面周围煤岩体静载条件下已处于或接近极限平衡状态，在工作面采动作用下，处于相对平衡状态的煤岩体在强矿震动载与高静载叠加作用下发生冲击破坏，即静载主导-动载诱发的动静载叠加诱冲机理。

(2)7439工作面为三侧临空孤岛工作面开采，工作面冲击危险指数为0.76，具有强冲击危险。整个轨道顺槽及大巷保护煤柱区巷道群划分为严重冲击危险区，运输顺槽在工作面初次垮落、见方、双工作面见方阶段划分为中等冲击危险区。

(3)为保证工作面安全生产，工作面回采前进行煤体大直径钻孔预卸压，回采期间针对现场监测情况采取大直径钻孔卸压、煤体爆破及顶板预裂爆破等解危措施，同时进一步加强支护等，以保证工作面安全回采。

[1] 窦林名，何学秋．冲击矿压防治理论与技术[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2001．

[2] 何满潮，谢和平，彭苏萍，等．深部开采岩体力学研究[J]．岩石力学与工程学报，2005，24(16)：2803-2813．

[3] 张科学，郝云新，张军亮，等．孤岛工作面回采巷道围岩稳定性机理及控制技术[J]．煤矿安全，2010(11)：61-64．

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[5] 贺 虎．煤矿覆岩“⊗-F-T”空间结构演化与诱冲机制研究[D]．徐州：中国矿业大学，2012．

[6] 曹安业，窦林名，张小涛，等．某矿孤岛工作面冲击危险分析及其监测[J]．煤炭工程，2007(2)：70-73．

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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)

李红朝(1984—)，男，助理工程师，037001 山西省大同市左云县。