孤島采煤工作面沖擊地壓防治技術(shù)研究

陳旭 張振南 劉冬強(qiáng)

摘 要：近年來(lái)，中國(guó)煤炭開(kāi)采行業(yè)多次發(fā)生煤礦孤島工作面沖擊地壓事故，造成了一定人身傷害與經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了我國(guó)煤炭業(yè)的安全生產(chǎn)。因此，孤島工作面沖擊地壓防治技術(shù)已經(jīng)成為了煤炭安全開(kāi)采的重要研究課題，需要在原理上闡明孤島采煤工作面產(chǎn)生沖擊的原因和機(jī)制，為評(píng)估孤島采煤工作面的可采性和安全性提供科學(xué)依據(jù)。本文總結(jié)了孤島工作面產(chǎn)生的原因和機(jī)理，并積極探索研究了孤島采煤工作面地壓防治的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：孤島采煤;工作面;沖擊地壓;防治技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.083

1 引言

自工業(yè)革命以來(lái)，煤炭作為地球上儲(chǔ)量最大的化石能源一直作為人類(lèi)最重要的能源支撐，而大量的煤炭開(kāi)采，使得易采煤炭資源逐漸枯竭，煤礦正在進(jìn)入孤島工作面開(kāi)采階段。但對(duì)于孤島采煤工作面的可采性和安全性在科學(xué)和工程學(xué)上還沒(méi)有明確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和判斷方法，因此導(dǎo)致頻繁發(fā)生孤島采煤工作面沖擊地壓事故的頻繁發(fā)生，比如近幾年在黑龍江、江蘇、河南、山東、新疆和遼寧等煤礦都發(fā)生了此類(lèi)事故，對(duì)煤炭的安全開(kāi)采工作帶來(lái)了較為嚴(yán)重的損害，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了較大的損失。因此，國(guó)內(nèi)外諸多煤炭開(kāi)采專(zhuān)家均展開(kāi)了對(duì)孤島工作面沖擊地壓的產(chǎn)生原理、破壞形式、預(yù)測(cè)預(yù)防和處理方式等多方面的研究，并取得了一定的科研成果，但仍然無(wú)法完全對(duì)孤島工作面沖擊地壓形成有效防治，主要原因是未能提出可靠有效的工作面沖擊危險(xiǎn)性識(shí)別方法，并建立行之有效的防治體系。本文對(duì)防沖的孤島工作面沖擊地壓的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)和闡述，對(duì)孤島工作面沖擊地壓防治技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)、探索與研究。

2 孤島工作面沖擊地壓的產(chǎn)生原因和機(jī)理

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)孤島工作面沖擊地壓的產(chǎn)生原因和機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，主要取得以下理論成果：

（1）沖擊地壓主要有煤體壓縮型、頂板斷裂型和斷層錯(cuò)動(dòng)型三類(lèi)。煤體壓縮型沖擊的發(fā)生原因是：當(dāng)煤炭結(jié)構(gòu)由平衡態(tài)過(guò)渡到非平衡態(tài)時(shí)，如果發(fā)生了外界擾動(dòng)，導(dǎo)致煤巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn);頂板斷層型沖擊發(fā)生的原因是：強(qiáng)大的壓力導(dǎo)致頂板產(chǎn)生微破裂，采動(dòng)擾動(dòng)使這種微破裂以雪崩擴(kuò)展形態(tài)發(fā)生拉伸失穩(wěn);斷層錯(cuò)動(dòng)型發(fā)生的原因是：在煤巖斷層區(qū)域，煤炭開(kāi)采活動(dòng)引發(fā)了斷層活化錯(cuò)動(dòng)，引發(fā)錯(cuò)動(dòng)型沖擊地壓。

（2）沖擊地壓粘滑失穩(wěn)沖擊機(jī)制。在巖石滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)中表明，巖石摩擦滑動(dòng)存在兩種方式，分別為穩(wěn)定性滑動(dòng)和粘性滑動(dòng)。穩(wěn)定性滑動(dòng)過(guò)程中能量的釋放較為平緩，不會(huì)造成沖擊。而粘性滑動(dòng)通常伴隨著突然的高能量釋放，導(dǎo)致地壓沖擊形成。

（3）孤島煤柱拉裂沖擊機(jī)制。大量研究數(shù)據(jù)顯示，在煤炭開(kāi)采中，對(duì)孤島煤柱的兩側(cè)產(chǎn)生水平方向的拉裂破壞，當(dāng)煤柱破裂時(shí)，形成了新的增壓區(qū)和減壓區(qū)，頂?shù)装遄饔檬姑褐l(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)沖擊，引發(fā)災(zāi)害。

（4）沖擊地壓能量平衡機(jī)制。這種理論認(rèn)為沖擊地壓煤層有彈性區(qū)和能量平衡區(qū)兩部分區(qū)域。在這兩個(gè)區(qū)域的交界處是煤層頂?shù)装灏l(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)區(qū)，在該區(qū)域受到采動(dòng)影響后，極容易造成沖擊地壓災(zāi)害。

（5）復(fù)合厚煤層沖震機(jī)理。該理論認(rèn)為煤礦中厚巖層的水平應(yīng)力突變?cè)斐闪说V震，而礦震導(dǎo)致巖層垂直應(yīng)力突變，最終引發(fā)了沖擊地壓。

（6）巖層能態(tài)轉(zhuǎn)化理論。該理論認(rèn)為沖擊地壓是煤巖體系統(tǒng)由穩(wěn)定積蓄能量態(tài)向非穩(wěn)定態(tài)釋放能量的非線性動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

3 工作面沖擊地壓防治技術(shù)的研究

在孤島采煤工作面沖擊地壓防治技術(shù)方面，根據(jù)煤炭開(kāi)采的不同階段，主要分為兩個(gè)方面：分別為孤島工作面未形成階段和孤島工作面開(kāi)采階段兩部分。

3.1 孤島工作面未形成階段沖擊地壓防治技術(shù)

在采煤工作面設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)開(kāi)采條件較好的煤礦，應(yīng)盡量利用科學(xué)的開(kāi)采設(shè)計(jì)來(lái)避免孤島工作面的形成。首先應(yīng)盡量采取順序開(kāi)采，避免孤島工作面的形成;在工作面之間盡量不留煤柱，或留取窄煤柱，特別要避免高應(yīng)力孤島煤柱的形成;工作面盡量不要向采空區(qū)推進(jìn)，避免兩個(gè)工作面相向推進(jìn);大群煤層開(kāi)采時(shí)，要首先開(kāi)采保護(hù)煤層，使相鄰煤柱不受影響;構(gòu)造區(qū)影響區(qū)域，應(yīng)利用背向構(gòu)造開(kāi)采方式，以避免孤島工作面的形成。

3.2 孤島工作面開(kāi)采階段沖擊地壓防治技術(shù)

在煤礦開(kāi)采的后期，受地質(zhì)條件影響和開(kāi)采技術(shù)的制約，無(wú)法避免的要形成孤島工作面開(kāi)采。開(kāi)采過(guò)程中主要的沖擊地壓防治技術(shù)有以下幾種：

（1）鉆孔泄壓技術(shù)。利用大直徑鉆孔泄壓能有效緩解和消除地壓沖擊。大直徑鉆孔能破壞開(kāi)采巷道圍巖結(jié)構(gòu)，形成弱化帶，使高應(yīng)力向巷道深處轉(zhuǎn)移，降低了巷道周邊的圍巖應(yīng)力。在沖擊地壓發(fā)生時(shí)，沖出的煤粉能被鉆孔空間充分吸收，防止煤體大量涌出。同時(shí)，泄壓區(qū)會(huì)形成楔形阻力帶，能有效防止煤體的大量沖出。利用鉆孔泄壓技術(shù)對(duì)煤層擾動(dòng)小，不會(huì)引發(fā)沖擊地壓，是防治孤島工作面地壓沖擊的有效技術(shù)手段。

（2）注水泄壓技術(shù)。在開(kāi)采煤層中注水既能起到防塵功能，還能改變煤層的力學(xué)特性，使煤層的應(yīng)力狀態(tài)和沖擊傾向性降低。此外，充足的水分能使煤體軟化，起到降低煤層壓力的作用。

（3）爆破泄壓技術(shù)。利用炸藥爆破能量使煤體產(chǎn)生大量裂縫，從而改變煤層整體的力學(xué)特性，降低局部區(qū)域的高應(yīng)力。但爆破泄壓技術(shù)也具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。由于爆破能量較大，對(duì)煤層的擾動(dòng)力大，有可能誘發(fā)沖擊地壓。此外，爆破會(huì)破巷道，所以一般情況下并不輕易使用爆破泄壓技術(shù)。

（4）斷低/頂技術(shù)。沖擊地壓的產(chǎn)生和煤巖結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系，特別是煤巖底部或頂部巖層有很好的儲(chǔ)能條件時(shí)，更容易發(fā)生沖擊地壓。在這種地址條件下，應(yīng)截?cái)鄮r層頂板或底板，降低其儲(chǔ)能性能，會(huì)有效降低沖擊地壓發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)。預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)孤島工作面沖擊地壓防治也起到了積極有效的作用，主要的技術(shù)包括鉆屑監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、地因監(jiān)測(cè)、輻射監(jiān)測(cè)、震動(dòng)監(jiān)測(cè)等手段。預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)對(duì)孤島工作面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋各種風(fēng)險(xiǎn)因素，能有效防止沖擊地壓的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

由于易采煤炭的大量開(kāi)采，煤炭的開(kāi)采難度也在日益增加，不可避免的將要形成孤島采煤工作面，近年來(lái)發(fā)生的煤炭安全事故與孤島采煤工作面沖擊地壓息息相關(guān)，本文針對(duì)孤島采煤工作面沖擊地壓產(chǎn)生的原因和機(jī)理進(jìn)行總結(jié)和分析，提出了幾種防治沖擊地壓形成的方法和技術(shù)手段，以期為我國(guó)煤礦安全開(kāi)采要求提供較為科學(xué)的理論支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜福興，王平，馮增強(qiáng).復(fù)合型厚煤層“震-沖”型動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理、預(yù)測(cè)與控制[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009，34（12）：1605-1609.