孤島采煤工作面沖擊地壓防治技術研究

陳旭 張振南 劉冬強

摘 要：近年來，中國煤炭開采行業多次發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濟損失，嚴重影響了我國煤炭業的安全生產。因此，孤島工作面沖擊地壓防治技術已經成為了煤炭安全開采的重要研究課題，需要在原理上闡明孤島采煤工作面產生沖擊的原因和機制，為評估孤島采煤工作面的可采性和安全性提供科學依據。本文總結了孤島工作面產生的原因和機理，并積極探索研究了孤島采煤工作面地壓防治的技術。

關鍵詞：孤島采煤;工作面;沖擊地壓;防治技術

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

1 引言

自工業革命以來，煤炭作為地球上儲量最大的化石能源一直作為人類最重要的能源支撐，而大量的煤炭開采，使得易采煤炭資源逐漸枯竭，煤礦正在進入孤島工作面開采階段。但對于孤島采煤工作面的可采性和安全性在科學和工程學上還沒有明確的評價標準和判斷方法，因此導致頻繁發生孤島采煤工作面沖擊地壓事故的頻繁發生，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生了此類事故，對煤炭的安全開采工作帶來了較為嚴重的損害，給人民的生命財產安全造成了較大的損失。因此，國內外諸多煤炭開采專家均展開了對孤島工作面沖擊地壓的產生原理、破壞形式、預測預防和處理方式等多方面的研究，并取得了一定的科研成果，但仍然無法完全對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性識別方法，并建立行之有效的防治體系。本文對防沖的孤島工作面沖擊地壓的產生機理進行了總結和闡述，對孤島工作面沖擊地壓防治技術進行了總結、探索與研究。

2 孤島工作面沖擊地壓的產生原因和機理

近年來，國內外很多專家學者對孤島工作面沖擊地壓的產生原因和機理進行了大量的研究，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動型三類。煤體壓縮型沖擊的發生原因是：當煤炭結構由平衡態過渡到非平衡態時，如果發生了外界擾動，導致煤巖結構失穩;頂板斷層型沖擊發生的原因是：強大的壓力導致頂板產生微破裂，采動擾動使這種微破裂以雪崩擴展形態發生拉伸失穩;斷層錯動型發生的原因是：在煤巖斷層區域，煤炭開采活動引發了斷層活化錯動，引發錯動型沖擊地壓。

（2）沖擊地壓粘滑失穩沖擊機制。在巖石滑動實驗中表明，巖石摩擦滑動存在兩種方式，分別為穩定性滑動和粘性滑動。穩定性滑動過程中能量的釋放較為平緩，不會造成沖擊。而粘性滑動通常伴隨著突然的高能量釋放，導致地壓沖擊形成。

（3）孤島煤柱拉裂沖擊機制。大量研究數據顯示，在煤炭開采中，對孤島煤柱的兩側產生水平方向的拉裂破壞，當煤柱破裂時，形成了新的增壓區和減壓區，頂底板作用使煤柱發生滑動失穩沖擊，引發災害。

（4）沖擊地壓能量平衡機制。這種理論認為沖擊地壓煤層有彈性區和能量平衡區兩部分區域。在這兩個區域的交界處是煤層頂底板發生沖擊地壓的危險區，在該區域受到采動影響后，極容易造成沖擊地壓災害。

（5）復合厚煤層沖震機理。該理論認為煤礦中厚巖層的水平應力突變造成了礦震，而礦震導致巖層垂直應力突變，最終引發了沖擊地壓。

（6）巖層能態轉化理論。該理論認為沖擊地壓是煤巖體系統由穩定積蓄能量態向非穩定態釋放能量的非線性動力學過程。

3 工作面沖擊地壓防治技術的研究

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

3.1 孤島工作面未形成階段沖擊地壓防治技術

在采煤工作面設計時，針對開采條件較好的煤礦，應盡量利用科學的開采設計來避免孤島工作面的形成。首先應盡量采取順序開采，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，特別要避免高應力孤島煤柱的形成;工作面盡量不要向采空區推進，避免兩個工作面相向推進;大群煤層開采時，要首先開采保護煤層，使相鄰煤柱不受影響;構造區影響區域，應利用背向構造開采方式，以避免孤島工作面的形成。

3.2 孤島工作面開采階段沖擊地壓防治技術

在煤礦開采的后期，受地質條件影響和開采技術的制約，無法避免的要形成孤島工作面開采。開采過程中主要的沖擊地壓防治技術有以下幾種：

（1）鉆孔泄壓技術。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采巷道圍巖結構，形成弱化帶，使高應力向巷道深處轉移，降低了巷道周邊的圍巖應力。在沖擊地壓發生時，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，泄壓區會形成楔形阻力帶，能有效防止煤體的大量沖出。利用鉆孔泄壓技術對煤層擾動小，不會引發沖擊地壓，是防治孤島工作面地壓沖擊的有效技術手段。

（2）注水泄壓技術。在開采煤層中注水既能起到防塵功能，還能改變煤層的力學特性，使煤層的應力狀態和沖擊傾向性降低。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。利用炸藥爆破能量使煤體產生大量裂縫，從而改變煤層整體的力學特性，降低局部區域的高應力。但爆破泄壓技術也具有一定的風險性。由于爆破能量較大，對煤層的擾動力大，有可能誘發沖擊地壓。此外，爆破會破巷道，所以一般情況下并不輕易使用爆破泄壓技術。

（4）斷低/頂技術。沖擊地壓的產生和煤巖結構有著密切關系，特別是煤巖底部或頂部巖層有很好的儲能條件時，更容易發生沖擊地壓。在這種地址條件下，應截斷巖層頂板或底板，降低其儲能性能，會有效降低沖擊地壓發生的風險。

（5）預警監測技術。預警監測技術對孤島工作面沖擊地壓防治也起到了積極有效的作用，主要的技術包括鉆屑監測、應力監測、地因監測、輻射監測、震動監測等手段。預警系統通過對孤島工作面的實時監測，及時反饋各種風險因素，能有效防止沖擊地壓的產生。

4 結論

由于易采煤炭的大量開采，煤炭的開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，近年來發生的煤炭安全事故與孤島采煤工作面沖擊地壓息息相關，本文針對孤島采煤工作面沖擊地壓產生的原因和機理進行總結和分析，提出了幾種防治沖擊地壓形成的方法和技術手段，以期為我國煤礦安全開采要求提供較為科學的理論支撐。

參考文獻：

[1]姜福興，王平，馮增強.復合型厚煤層“震-沖”型動力災害機理、預測與控制[J].煤炭學報，2009，34（12）：1605-1609.