23070孤島工作面沖擊機理分析及防治對策

李俊營

（1.河南理工大學，河南 焦作 454000；2.義馬煤業(yè)集團股份有限公司，河南 義馬 472300）

23070孤島工作面沖擊機理分析及防治對策

李俊營1，2

（1.河南理工大學，河南 焦作 454000；2.義馬煤業(yè)集團股份有限公司，河南 義馬 472300）

沖擊地壓是危害煤礦安全生產(chǎn)的重大災害之一。為了保證礦井的安全生產(chǎn)，要加強對沖擊地壓的研究。本文分析了孤島工作面發(fā)生沖擊地壓的主要機理，通過對23070工作面頂?shù)装鍘r性、微震事件分布等進行分析研究，得出其發(fā)生沖擊地壓主要是地板參與型沖擊，并依此采取相應的防沖措施。

孤島煤柱；沖擊地壓；沖擊機理

沖擊地壓是危害煤礦安全生產(chǎn)的重大災害之一，分析其形成原因，根據(jù)原因采取不同的解決方法，對礦井的安全生產(chǎn)和持續(xù)發(fā)展至關重要。

1 孤島煤柱沖擊機理

孤島煤柱是由于開采順序不合理造成的。孤島煤柱煤巖系統(tǒng)中，由于弱面、節(jié)理的存在，使煤巖系統(tǒng)具有非均質(zhì)性、彈脆塑性、各向異性、不連續(xù)性等特點［1］。

孤島煤柱由于周邊煤層已經(jīng)采空，除承受煤柱上覆巖層自身的重量外，還承受周邊采空區(qū)上部巖層的側(cè)向支承壓力作用，在堅硬頂?shù)装宓膴A持作用下，煤柱內(nèi)的應力非常大。如果煤柱承受的壓力達到極限，超過煤柱強度時，煤柱就會被破壞，產(chǎn)生沖擊地壓。根據(jù)成因不同，孤島煤柱沖擊地壓可分為弱面滑移型沖擊地壓、煤柱壓垮型沖擊地壓、底板破壞型沖擊地壓和底板參與煤柱型沖擊地壓四種類型［2］。

1.1 煤柱壓垮型沖擊地壓

當開采達到一定深度，且煤柱較窄時，煤柱支承壓力分布形態(tài)呈拱形狀態(tài)。這主要是由兩側(cè)采空區(qū)支承壓力的疊加造成的。在煤柱頂?shù)装搴腿趺娴膹姸染^煤體強度，且頂板壓力產(chǎn)生的推力不足以克服弱面摩擦力的條件下，煤柱發(fā)生壓垮型沖擊破壞。煤柱壓垮型沖擊呈現(xiàn)為脆性破壞，整個破壞過程持續(xù)的時間較短，常發(fā)生在窄煤柱中。

1.2 弱面滑移型沖擊地壓

當開采達到一定深度且煤柱比較寬時，煤柱支承壓力分布呈雙峰型分布狀態(tài)，主要是由煤柱兩側(cè)采空區(qū)支承壓力造成的。在該深度條件下，部分煤體可能達到。在煤柱頂?shù)装搴兔后w強度均超過弱面的強度，且頂板壓力產(chǎn)生的推力足以克服弱面摩擦力的條件下，煤柱就會沿弱面發(fā)生滑移型沖擊破壞。弱面滑移型沖擊一般發(fā)生在比較寬的煤柱中，窄煤柱中很少出現(xiàn)。

1.3 底板破壞型沖擊地壓

采深較大時，頂?shù)装搴兔褐鶅?nèi)部都聚集極高的應力，如果地板的抗壓性較差，該區(qū)域就會成為應力釋放的首選區(qū)域。當煤柱頂板、煤體、弱面的強度均高于底板強度，且頂板壓力產(chǎn)生的推力不足以克服弱面摩擦力時，煤柱就會發(fā)生底板破壞型沖擊。

1.4 底板參與煤柱型沖擊地壓

在上述情況下，如果煤柱頂板、弱面的強度高于煤體及底板強度，且底板與煤體強度接近時，就會發(fā)生底板參與煤柱破壞型沖擊。

2 23070孤島工作面概況

23070工作面傾斜長215m，上下巷均沿煤層底板布置，上巷設計長度為1 250m，布置在23 050工作面采空區(qū)下部，距離采空區(qū)下部邊緣25m，下巷設計長度為1129m，布置在23090工作面采空區(qū)下部，距離采空區(qū)上部邊緣15m；工作面平均采深750m，煤層平均厚度6.5m，含夾矸（炭質(zhì)或砂質(zhì)泥巖）1-5層。圖1為23070工作面剖面圖。

圖1 23070工作面剖面圖

3 23070孤島工作面沖擊危險性分析

3.1 煤柱寬度

23070工作面凈煤柱寬度為175m。

3.2 煤層及頂?shù)装鍘r性

23070工作面直接頂裂隙具隱水平層理，老頂夾薄層砂巖，直接底具緩波狀層理，夾含粉砂巖條帶，遇水膨脹。

23070工作面煤層及頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 23070工作面煤層及頂?shù)装鍘r性

從表1可以看出，頂板強度均大于煤層強度，而底板強度遠小于煤層強度，這在地質(zhì)條件上為煤柱底板沖擊破壞提供了可能。

3.3 微震事件分析

圖2為23070工作面2016年12月、2017年1月兩個月微震事件平面分布圖。從圖2可以看出，事件發(fā)生范圍主要集中在工作面前100m、上半部范圍，說明該區(qū)域煤巖體應力集中程度高。

圖3為23070工作面2016年12月、2017年1月兩個月微震事件層位分布圖，事件主要分布在老頂以下，說明回采活動引起的老頂離層破壞高度較低；事件主要分布在煤層和底板中，煤層和底板應力集中程度較高。

圖2 23070微震事件平面分布圖

圖3 23070微震事件層位分布圖

綜上所述，23070工作面上巷下幫、下巷上幫經(jīng)過上分層開采卸壓、煤柱邊緣煤體受頂板壓力作用破壞形成塑性區(qū)以及實施爆破卸壓等在巷道煤壁以里形成了20m以上的塑性區(qū)。作用在煤體上的高壓力，先是逐漸把煤體壓實，造成煤體內(nèi)部應力集中，然后高壓力通過壓實后的煤體傳至底板，造成工作面煤壁附近底板應力積聚升高，這就是煤層及底板高能量微震事件較多的原因。由于23070工作面底板強度低于煤體，煤壁前方15m卸壓深度不能保證塑性區(qū)寬度超過支承壓力峰值位置，因此，23070工作面及有可能發(fā)生底板參與型沖擊破壞。

4 防治措施

①工作面前上下巷按照相關防沖措施規(guī)定，繼續(xù)實施高壓預注水、深孔爆破、大直徑鉆孔卸壓，保證煤柱邊緣塑性區(qū)寬度超過側(cè)向支撐壓力峰值位置，增加煤體變形，使煤層能量以穩(wěn)定、緩慢形式釋放。

②超前工作面，由上巷下幫、下巷上幫向煤層頂板鉆孔爆破，預先破壞頂板的完整性，改變頂板的力學特性，提前釋放頂板所積聚的能量，減小頂板來壓時頂板下沉沖向煤柱的動能。

③工作面推進至來壓步距的2/3時，在工作面內(nèi)超前實施底板爆破，破壞煤層底板完整性，使煤層和頂板巖層的變形加大，增加其彈性變形能的消耗，避免能量聚集后突然釋放。

④工作面煤壁超前爆破孔深度增大至20m，使工作面煤壁前方形成足夠?qū)挾鹊男秹罕Ｗo帶。

［1］齊慶新，歐陽振華，趙善坤，等.我國沖擊地壓礦井類型及防治方法研究［J］.煤炭科學技術，2014（10）：1-5.

［2］張俊飛，姜福興，楊建博，等.沖擊煤層孤島煤柱可開采性研究［J］.采礦與安全工程學報，2016（5）：867-872，879.

Analysis on the Rock Burst Mechanism of 23070 Island Coal Face and Prevention Countermeasures

Li Junying1，2
（1.Henan Polytechnic University，JiaoZuo Henan 454000；2.YiMa Coal Group Co.,Ltd.，YiMa Henan 472300）

Rock burst is one of the major disasters that endanger the safety of coal mine production.In order to ensure the safe production of the mine,we should strengthen the study of the rock burst.This paper analyzed the main mechanism of rock burst in the isolated working face,and based on coal seam and its roof and floor lithologic,microseism distribution,the main types of rock burst are obtained.And then taken corresponding measures to prevent it.

isolated coal pillar；impact pressure；impact mechanism

TD823.86

A

1003-5168（2017）07-0088-02

2017-06-01

李俊營（1981-），男，本科，工程師，研究方向：沖擊地壓防治。