不完全孤島工作面沖擊危險性分析與防治

摘 要：剖析了不完全孤島工作面沖擊危險性因素，從動靜載荷疊加原理分析了沖擊誘發(fā)機理，闡述了工作面采取的各項防沖治理措施。

關鍵詞：煤層沖擊；靜載荷；卸壓孔

1 不完全孤島工作面

不完全孤島工作面是指在開采前孤島工作面仍處于非充分采動階段，雖然受到相鄰采空區(qū)的影響，但是地表并未發(fā)生沉陷或發(fā)生的沉陷值并未達到最大，隨著工作面的開采，地表還會繼續(xù)發(fā)生顯著的沉陷；同時，工作面上覆巖層形成穩(wěn)定覆巖空間結構并未延伸至地表，隨著工作面的回采，原本穩(wěn)定的覆巖空間結構將會進行演化和運動，不斷形成新的覆巖空間結構。在上覆巖層運動的過程中，覆巖空間結構會發(fā)生運動和演化，礦山壓力分布規(guī)律會隨著覆巖空間結構的運動而發(fā)生變化，在這個過程中沖擊地壓的危險性顯著增加。

2 3305工作面概況

我公司3305工作面地表沉降0.5-1m，為典型的不完全孤島工作面。工作面為氣煤，煤層厚度平均3.2m，煤層結構簡單，傾角平均7°，硬度系數(shù)f=1.8。工作面位于背斜的西翼，斷層發(fā)育較少。

3 工作面沖擊危險性分析

3305工作面3煤層具有強沖擊傾向性，具備了發(fā)生沖擊地壓的基本條件；靜載作用與動載作用疊加，是誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生的根本原因。中間剩余9m形成高應力“彈性核”，存在沖擊薄弱點。

支承壓力包括巷道周圍支承壓力與采動支承壓力，工作面采空區(qū)形成的側向支承壓力與回采前的支承壓力相疊加， 在工作面前方煤體上， 形成一個強大的支承壓力集中區(qū)， 該區(qū)域隨工作面的推進而不斷前移， 在工作面推進后，老頂在其四周都有不同深度的斷裂。

動載作用包括來壓和礦震，來壓包括老頂及關鍵層來壓；礦震包括煤柱的破壞、頂板的破斷、上覆巖層大范圍運動及斷層滑移等。

3305工作面傾斜長度約為45m，隨著工作面推采距離開切眼45m左右，工作面接近“單見方”，采場覆巖將形成“O”型覆巖空間結構。覆巖空間結構運動易造成工作面來大壓，并誘發(fā)兩側順槽附近區(qū)域發(fā)生沖擊地壓。工作面內存在的高應力“彈性核”容易在動壓作用下，發(fā)生切斷，形成新的“斷層”，造成大的動力災害。

工作面兩側因受多次支承壓力疊加而被壓酥，使得支承壓力不斷向工作面中部轉移，面長愈短，轉移速度和幅度愈大，應力集中系數(shù)也越大，從而使煤體及直接頂被壓酥壓碎。工作面端頭位于支承壓力峰值附近， 頂板事故具有突發(fā)性，易產生漏冒。

另外，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造成應力的進一步升高，煤柱逐漸進入高應力區(qū)域甚至是極限應力區(qū)。煤巖系統(tǒng)承受的極限應力超過脆性介質的臨界強度時，系統(tǒng)發(fā)生脆性破壞，發(fā)生壓垮型沖擊地壓。

4 回采前防沖方案制定

4.1 專家評估與危險區(qū)劃分

工作面回采前，聘請專家對工作面進行沖擊危險性評價及防治技術研究，運用巖層運動與礦山壓力規(guī)律，采用宏觀評價法和綜合指數(shù)法，結合工作面開采條件，確定出沖擊地壓潛在危險區(qū)。

4.2 防沖監(jiān)測設備安設

工作面超前300m范圍安設KJ550型沖擊地壓在線及KJ551型微震監(jiān)測設備，實施24小時不間斷監(jiān)測。出現(xiàn)預警及時下達預警通知并限時解危。

4.3 鉆屑法檢測

鉆屑法檢測綜合利用煤粉量、距離、動力效應及煤粉粒度四個指標來進行工作面沖擊危險性評價。在防沖監(jiān)測工作中，煤粉檢測與應力監(jiān)測配合使用，目前煤粉檢測值仍采用經驗值，煤粉量指標以2.6kg/m判斷沖擊危險性的臨界值，盡管本礦長期使用該指標，但仍存在一些問題，針對不同生產技術及地質條件下不同煤厚、不同硬度的煤層預警值應存在差異；同時孔深與預警值應存在相應的對應關系，目前針對該問題，公司組織開展科研探索，為確定合理、科學的煤粉預警值，指導防沖工作。

4.4 爆破斷頂

在切眼內，向工作面頂板方向施工一組深鉆孔，直至到達采動影響范圍（一般為6～8倍的采高或工作面傾斜寬度的一半）內最上面的堅硬巖層，然后裝藥爆破，使堅硬頂板產生斷裂，保證工作面初采期間的安全生產。

深孔爆破斷頂是使工作面內的頂板產生斷裂，鉆孔斜向工作面內，使用直徑75mm的鉆頭開孔直至設計深度，每組3個鉆孔，組內孔間距0.8m，采用水膠炸藥斷頂爆破，裝配起爆藥卷時必須用竹簽扎孔，一塊藥卷需要分開使用時可用利器割開。

4.5 施工大直徑卸壓孔

通過實施大直徑鉆孔，造成巷道一定深度圍巖發(fā)生結構性破壞，形成一個弱化帶，引起巷道周邊圍巖內的高應力向深部轉移，從而使巷道周邊附近圍巖處于低應力區(qū)，當發(fā)生沖擊時，一方面大直徑鉆孔的空間能夠吸收沖出的煤粉，防止煤體沖出，另一方面卸壓區(qū)內頂?shù)装宓拈]合產生“楔形”阻力帶，能夠一定程度阻止煤體沖出。

靜態(tài)危險區(qū)處理思路：在工作面采動影響之前，對危險區(qū)進行預卸壓處理，通過改變煤體的物理性質，降低沖擊傾向指標，從而達到消除沖擊危險的目的，其特點是預卸壓。

動態(tài)危險區(qū)處理思路：顯現(xiàn)危險信息后，對危險區(qū)進行解危處理，通過改變煤體的物理性質，促進應力向深部轉移，從而達到解除沖擊危險的目的，其特點是解危。

按照沖擊危險性程度始終超前工作面300m施工大直徑卸壓孔卸壓，卸壓孔間距按照沖擊危險性確定：一般危險區(qū)不大于3m、中度危險區(qū)不大于2m、高度危險區(qū)不大于1m；卸壓孔深度按照煤層厚度確定：該工作面煤層厚度3.2m，鉆孔不小于18m。

4.6 支護與防護

工作面兩巷超前支護距離不小于150m；兩順槽沿走向施工幫部錨索梁支護；幫部及頂板錨桿盤全部捆綁鐵絲防崩；兩順槽超前300m備用設備全部固定生根。

5 結語

不完全孤島工作面的開采必然形成高應力集中，在大采深、復雜覆巖空間結構和工作面開采因素的耦合條件下，工作面的應力升高危險區(qū)域明顯多于相同條件下的其他工作面，沖擊地壓危險性程度很高，易引起沖擊地壓。從“強監(jiān)測、強卸壓、強支護、強防護”四個方面，闡述了工作面防沖治理方案。開創(chuàng)性地提出了“俯角注水卸壓孔施工方案”，將大直徑卸壓鉆孔與煤層注水相結合。

作者簡介：邱運來（1966—），男，畢業(yè)于山東科技大學，從事采礦技術工作。