不完全孤岛工作面冲击危险性分析与防治

摘 要：剖析了不完全孤岛工作面冲击危险性因素，从动静载荷叠加原理分析了冲击诱发机理，阐述了工作面采取的各项防冲治理措施。

关键词：煤层冲击；静载荷；卸压孔

1 不完全孤岛工作面

不完全孤岛工作面是指在开采前孤岛工作面仍处于非充分采动阶段，虽然受到相邻采空区的影响，但是地表并未发生沉陷或发生的沉陷值并未达到最大，随着工作面的开采，地表还会继续发生显著的沉陷；同时，工作面上覆岩层形成稳定覆岩空间结构并未延伸至地表，随着工作面的回采，原本稳定的覆岩空间结构将会进行演化和运动，不断形成新的覆岩空间结构。在上覆岩层运动的过程中，覆岩空间结构会发生运动和演化，矿山压力分布规律会随着覆岩空间结构的运动而发生变化，在这个过程中冲击地压的危险性显著增加。

2 3305工作面概况

我公司3305工作面地表沉降0.5-1m，为典型的不完全孤岛工作面。工作面为气煤，煤层厚度平均3.2m，煤层结构简单，倾角平均7°，硬度系數f=1.8。工作面位于背斜的西翼，断层发育较少。

3 工作面冲击危险性分析

3305工作面3煤层具有强冲击倾向性，具备了发生冲击地压的基本条件；静载作用与动载作用叠加，是诱发冲击地压发生的根本原因。中间剩余9m形成高应力“弹性核”，存在冲击薄弱点。

支承压力包括巷道周围支承压力与采动支承压力，工作面采空区形成的侧向支承压力与回采前的支承压力相叠加， 在工作面前方煤体上， 形成一个强大的支承压力集中区， 该区域随工作面的推进而不断前移， 在工作面推进后，老顶在其四周都有不同深度的断裂。

动载作用包括来压和矿震，来压包括老顶及关键层来压；矿震包括煤柱的破坏、顶板的破断、上覆岩层大范围运动及断层滑移等。

3305工作面倾斜长度约为45m，随着工作面推采距离开切眼45m左右，工作面接近“单见方”，采场覆岩将形成“O”型覆岩空间结构。覆岩空间结构运动易造成工作面来大压，并诱发两侧顺槽附近区域发生冲击地压。工作面内存在的高应力“弹性核”容易在动压作用下，发生切断，形成新的“断层”，造成大的动力灾害。

工作面两侧因受多次支承压力叠加而被压酥，使得支承压力不断向工作面中部转移，面长愈短，转移速度和幅度愈大，应力集中系数也越大，从而使煤体及直接顶被压酥压碎。工作面端头位于支承压力峰值附近， 顶板事故具有突发性，易产生漏冒。

另外，随着孤岛工作面的安全推采，煤柱宽度不断减小，煤柱所承受的支承压力因相互叠加造成应力的进一步升高，煤柱逐渐进入高应力区域甚至是极限应力区。煤岩系统承受的极限应力超过脆性介质的临界强度时，系统发生脆性破坏，发生压垮型冲击地压。

4 回采前防冲方案制定

4.1 专家评估与危险区划分

工作面回采前，聘请专家对工作面进行冲击危险性评价及防治技术研究，运用岩层运动与矿山压力规律，采用宏观评价法和综合指数法，结合工作面开采条件，确定出冲击地压潜在危险区。

4.2 防冲监测设备安设

工作面超前300m范围安设KJ550型冲击地压在线及KJ551型微震监测设备，实施24小时不间断监测。出现预警及时下达预警通知并限时解危。

4.3 钻屑法检测

钻屑法检测综合利用煤粉量、距离、动力效应及煤粉粒度四个指标来进行工作面冲击危险性评价。在防冲监测工作中，煤粉检测与应力监测配合使用，目前煤粉检测值仍采用经验值，煤粉量指标以2.6kg/m判断冲击危险性的临界值，尽管本矿长期使用该指标，但仍存在一些问题，针对不同生产技术及地质条件下不同煤厚、不同硬度的煤层预警值应存在差异；同时孔深与预警值应存在相应的对应关系，目前针对该问题，公司组织开展科研探索，为确定合理、科学的煤粉预警值，指导防冲工作。

4.4 爆破断顶

在切眼内，向工作面顶板方向施工一组深钻孔，直至到达采动影响范围（一般为6～8倍的采高或工作面倾斜宽度的一半）内最上面的坚硬岩层，然后装药爆破，使坚硬顶板产生断裂，保证工作面初采期间的安全生产。

深孔爆破断顶是使工作面内的顶板产生断裂，钻孔斜向工作面内，使用直径75mm的钻头开孔直至设计深度，每组3个钻孔，组内孔间距0.8m，采用水胶炸药断顶爆破，装配起爆药卷时必须用竹签扎孔，一块药卷需要分开使用时可用利器割开。

4.5 施工大直径卸压孔

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，引起巷道周边围岩内的高应力向深部转移，从而使巷道周边附近围岩处于低应力区，当发生冲击时，一方面大直径钻孔的空间能够吸收冲出的煤粉，防止煤体冲出，另一方面卸压区内顶底板的闭合产生“楔形”阻力带，能够一定程度阻止煤体冲出。

静态危险区处理思路：在工作面采动影响之前，对危险区进行预卸压处理，通过改变煤体的物理性质，降低冲击倾向指标，从而达到消除冲击危险的目的，其特点是预卸压。

动态危险区处理思路：显现危险信息后，对危险区进行解危处理，通过改变煤体的物理性质，促进应力向深部转移，从而达到解除冲击危险的目的，其特点是解危。

按照冲击危险性程度始终超前工作面300m施工大直径卸压孔卸压，卸压孔间距按照冲击危险性确定：一般危险区不大于3m、中度危险区不大于2m、高度危险区不大于1m；卸压孔深度按照煤层厚度确定：该工作面煤层厚度3.2m，钻孔不小于18m。

4.6 支护与防护

工作面两巷超前支护距离不小于150m；两顺槽沿走向施工帮部锚索梁支护；帮部及顶板锚杆盘全部捆绑铁丝防崩；两顺槽超前300m备用设备全部固定生根。

5 结语

不完全孤岛工作面的开采必然形成高应力集中，在大采深、复杂覆岩空间结构和工作面开采因素的耦合条件下，工作面的应力升高危险区域明显多于相同条件下的其他工作面，冲击地压危险性程度很高，易引起冲击地压。从“强监测、强卸压、强支护、强防护”四个方面，阐述了工作面防冲治理方案。开创性地提出了“俯角注水卸压孔施工方案”，将大直径卸压钻孔与煤层注水相结合。

作者简介：邱运来（1966—），男，毕业于山东科技大学，从事采矿技术工作。