三面采空小煤柱超长孤岛工作面防冲技术研究

刘俊旭

(国能蒙西煤化工股份有限公司 棋盘井煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 016064)

随着我国煤炭资源开发向西部转移，西部矿井的煤层开采深度正逐年增加，开采条件也变得愈加复杂，在中东部深埋矿井出现的煤层冲击地压现象也开始在西部矿井开采过程中显现[1-2]，严重威胁煤炭安全生产，制约了煤炭资源的高效开发。孤岛工作面由于应力集中程度较高、顶板运动强烈、能量释放程度较大，极易引发冲击地压动力灾害[3-4]，整个回采期间一直都是煤炭生产企业的安防重点。国内外专家学者针对孤岛工作面安全回采已经展开大量研究并取得了一定的显著成果，然而对于我国西部孤岛工作面的研究成果较少[5-6]。因此，有必要对西部矿区孤岛工作面安全回采展开进一步深入研究，提出有效的孤岛工作面防冲措施，对于相同地质条件下孤岛工作面冲击地压防治具有重要的实践指导意义。

1 工程地质条件

棋盘井煤矿隶属国家能源集团煤焦化公司，位于内蒙古自治区鄂尔多斯市。主采的9号煤层平均厚度为3.17 m，含2～3层夹矸，煤层结构相对复杂。9号煤层经专家和机构鉴定无冲击倾向性，但在高应力集中影响下，仍存在一定的冲击危险。I020908工作面标高为+833～+909 m，地面标高为+1 374～+1 391 m。工作面倾向长度300 m，走向推进长度1 050 m。该工作面南邻I020901工作面采空区，北邻I020905工作面采空区，东临I010906工作面采空区，是该矿井第一个三面采空孤岛工作面，工作面布置如图1所示。工作面运输巷在掘进过程中,多处揭露落差均小于3.0 m断层，煤层顶底板特征如表1所示。

图1 工作面布置

表1 煤层顶底板特征

2 工作面冲击危险性分析

针对工程地质条件和现场调研结果进行系统分析可知，I020908孤岛工作面冲击危险性影响因素主要有以下方面：

1) 煤层埋藏深度。I020908工作面平均埋藏深度为450 m，根据国内外专家学者研究结果和大量的工程试验数据可知：当工孤岛作面开采深度大于400 m时，发生冲击地压的危险性可能性就会大大提高[7-8]。

2) 顶底板岩性。9号煤层顶底板岩性普遍较软，在两侧工作面回采的侧向支承压力的叠加影响下，煤岩体静载加大，围岩极易发生失稳。

3) 地质构造。两巷掘进期间揭露多处断层，在断层构造区域，应力重新调整，构造应力分布相对复杂，对断层周围的扰动作用较大。

4) 应力集中。I020908工作面三面皆是采空区，存在高应力集中区，致使孤岛工作面回采过程中冲击地压发生的危险性增大[9-11]。

5) 采空区“见方”。随着I020908工作面的回采，该工作面采空区见方，以及与邻近工作面采空区形成“双工作面”开采面积见方，甚至“三工作面”开采面积见方时，此时较高位岩层活动量会进一步增大[12-13]，造成工作面前方顶板弯曲弹性能增大，煤壁前方支承压力范围更大，应力峰值更高，从而导致工作面附近冲击危险性增大。

因此，对于I020908工作面而言，集中静载荷发生作用的因素较多包括：开采深度、两侧采空、地质构造和停采期间影响等因素，其危险程度相对较高。动载荷的影响因素主要为回采期间顶板断裂带来的冲击动载影响。

总体来看，I020908孤岛工作面冲击地压的发生以煤岩层产生积聚的静载荷为主要力源，而回采扰动产生的动载荷，存在诱发冲击地压的可能性。

由于回采工作面面临三面采空区且开采强度较大，造成I020908工作面矿压显现严重。采用综合指数法进行冲击危险评价[14]可知：工作面开采期间具有弱冲击危险性，需要采取相应的防治措施。

3 孤岛工作面应力特征

根据I020908孤岛工作面赋存地质条件，利用FLAC3D软件，建立长×宽×高=980 m×420 m×340 m的数值模型，相邻工作面间留设6 m保护煤柱，模型四周及底部采用位移法固定，计算模型如图2所示。数值模拟采用的煤岩体力学参数如表2所示。

图2 数值计算模型

表2 煤岩体力学参数

利用建立的计算模型将I020908工作面两侧开挖并计算平衡后，工作面及采空区垂直应力分布特征如图3所示。

由图3可知：随着采空区垮落矸石被逐渐压实，采空区上方应力分布重新调整，然而，两侧工作面回采造成的侧向支承应力集中情况依然存在，应力峰值影响区域向I020908工作面延伸。因此， I020908孤岛工作面邻近采空区区域仍是高应力的集中区域，也是冲击地压防治工作的重点区域。

图3 垂直应力云图

I020908工作面回采期间主要考虑地质构造、工作面顶板来压、相邻采空区影响，结合数值模拟情况分析，最终确定冲击危险区域如图4所示。

图4 I020908工作面冲击危险区域

4 冲击地压监测及治理措施

4.1 监测预警系统

根据各监测手段的监测机理和所监测冲击地压启动能量来源的分布范围，并结合棋盘井矿井现有监测设备，确定采用以采动应力监测作为主要的实时在线监测方法，同时选用钻屑法进行辅助检测。

采动应力监测主要针对I020908工作面超前影响区域，自工作面开切眼前方30 m处，超前180范围两巷各安装应力计6台，孔深为9 m，间距30 m。超前工作面180 m以外安装压力枕，两巷各设计28个，共计68个测点。随工作面推进，及时拆卸前移，保证覆盖超前工作面180 m范围内冲击危险区域，压力传感器初始值设定为5 MPa。

钻屑法是在工作面超前100 m范围内，通过在煤层中打直径为42～45 mm的钻孔，根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应，鉴别冲击危险。

监测孔布置在胶运、回风巷道回采帮，预警及显现区域钻孔间距10 m，其他区域钻孔间距30 m，钻孔距底板1.2～1.5 m。布置示意如图5所示。

图5 I020908钻屑孔布置示意

4.2 冲击地压防治技术

根据I020908工作面冲击危险区域，对I020908工作面前方300 m范围内的危险区域施工大直径卸压钻孔。通过实施大直径钻孔，造成巷道一定深度围岩发生结构性破坏，形成一个弱化带，引起巷道围岩内内部高应力向深部转移，从而使巷道围岩处于低应力区。

煤层大直径深孔卸压参数参考中华人民共和国国家标准GB/T 25217.10-2019《煤层钻孔卸压防治方法》，并结合I020908工作面现场条件确定。

1) 钻孔深度：由于所采9号煤层厚度为3.17 m，确定大直径钻孔卸压深度15 m。

2) 钻孔间距：卸压钻孔间距确定根据下式计算：

式中：D为卸压钻孔间距，m；k为卸压钻孔间距危险性修正系数；d为卸压钻孔施工钻头直径，m；K为变形模量指数，为安全起见，此处取10。

根据不同区域的冲击危险程度，同时结合现场钻孔施工工艺，确定I020908工作面中等和弱冲击危险区域的大直径钻孔间距分别为1.6 m和2.4 m。孔口高度一般为1.5 m，钻孔直径为150 mm。钻孔具体参数如表3所示。

表3 巷道回采帮卸压钻孔参数

另根据I020908工作面邻近的钻孔柱状图分析，煤层垮落带范围内并无明显的厚层坚硬岩层存在，但不排除存在局部顶板厚度变化区域。因此，在工作面回采时，加强对顶板活动情况的监测，当工作面后方出现大面积悬顶等情况，及时采取顶板预裂处理。

5 冲击地压防治效果

将该防治预警系统和防治技术应用于I020908工作面工程实践，回采期间钻屑量的变化如图6所示。

图6 回采期间巷道钻屑量变化情况

截至目前，I020908工作面已回采结束，通过采取卸压措施，采动应力和钻屑量均低于预警临界值且未发生冲击地压显现现象，安全通过了初次来压、见方及断层等危险区域，累计生产原煤146万t，取得了良好的经济效益。

6 结 语

1) 基于工作面工程地质条件和现场实际调研情况，分析了I020908工作面诱发冲击地压的主要影响因素。

2) 基于FLAC3D模拟软件，分析了孤岛工作面应力分布特征，确定了冲击危险区域。

3) 提出了以“采动应力和钻屑法监测”为基础、“煤层大直径钻孔卸压”为措施的综合预警防治技术，有力保证了孤岛工作面的安全回采。