王永瑞 魏 輝

(1.開灤(集團)有限責任公司煤業(yè)分公司，河北省唐山市，063000；2.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東省青島市，266000)

?

深部孤島工作面殘留煤柱沖擊地壓防治技術研究

王永瑞1魏 輝2

(1.開灤(集團)有限責任公司煤業(yè)分公司，河北省唐山市，063000；2.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東省青島市，266000)

以深部孤島工作面殘留煤柱的沖擊地壓防治為背景，研究了殘留煤柱對工作面回風巷道的應力分布及能量演化規(guī)律的影響，通過對比分析了卸壓前后回風巷兩側集中應力分布情況，并利用上層煤遺留巷道作為卸壓巷道對高應力區(qū)域的卸壓效果進行了數(shù)值模擬計算?；诶碚摲治龊蛿?shù)值模擬計算，采用大直徑鉆孔卸壓和爆破卸壓技術對回風巷道進行了沖擊地壓防治，卸壓效果顯著，保證了回風巷的穩(wěn)定，使工作面得以安全回采。

沖擊地壓 孤島工作面 殘留煤柱 鉆孔卸壓 爆破卸壓

目前，隨著煤炭開采力度的不斷加大，煤炭開采逐漸向深部發(fā)展。而在深部煤層開采過程中，由于地應力的作用，開采環(huán)境復雜多變，由此引發(fā)的沖擊地壓事故也日趨增加。在這些沖擊事故中，孤島工作面造成的事故遠遠大于其他形式。孤島工作面是自然地質環(huán)境和歷史開采因素互相影響而形成的特殊工作面，其受力較大，應力分布復雜，沖擊機理多變，防治困難。許多學者對此類工作面的沖擊地壓防治進行了深入分析，但是在孤島工作面中存在殘留煤柱的實例還少有研究。因此本文針對孤島工作面中殘留煤柱的沖擊危險性，對孤島工作面及殘留煤柱進行沖擊地壓防治并應用于工程實踐中。

唐山礦作為國內老礦井之一，開采深度最深超過1100 m，且多數(shù)為孤島工作面開采。在較大垂直應力和孤島工作面周圍支承應力的疊加作用下，工作面受力復雜，沖擊地壓危險程度較大。本文以T1391孤島工作面為研究對象，對回風巷附近的殘留煤柱進行受力分析，在保證工作面安全開采的基礎上，對其進行沖擊地壓防治，確保工作面的順利回采。

1 工作面概況

唐山礦T1391工作面埋深為-680～-780 m，已遠遠超過發(fā)生沖擊地壓的臨界深度。工作面東部依次為T2292、T2293、T2294工作面采空區(qū)，西部為T1392采空區(qū)，北部為一斜井。由于這些開采歷史因素，使得T1391工作面成為孤島工作面。T1391工作面布置如圖1所示。

圖1 T1391工作面布置示意圖

T1391工作面根據面積及開采位置，分為大面和小面開采，大小面之間存在一寬度約為13 m的殘留煤柱。工作面煤層厚度為9.5～14 m，煤層傾角為4°～21°，平均為13°，煤層中發(fā)育有2～3層夾石，主要為黑色炭質泥巖，厚度一般在0.1～0.5 m之間。煤層堅固性系數(shù)f為2，具有較高的沖擊傾向性。煤層頂板依次為5 m厚的砂質泥巖和4.5 m厚的粉砂巖，底板為1.5 m厚的泥巖。綜上可知，孤島工作面受到周圍采空區(qū)及內部殘留煤柱的共同作用，使T1391大面在開采時回風巷具有較高的沖擊危險，有必要進行卸壓處理。

2 工作面高應力區(qū)域卸壓原理分析

2.1 殘留煤柱卸壓前應力分布

殘留煤柱一般處于高集中應力狀態(tài)，能夠積聚大量彈性能，是誘發(fā)沖擊地壓的主要因素之一。特別是在孤島工作面的開采過程中，由于周圍已采空，使得上覆巖層壓力全部作用在殘留煤柱上，當殘留煤柱到達自身承受極限或受到開采擾動，便會發(fā)生沖擊破壞。

本文所研究的殘留煤柱位于孤島工作面內部，承載著兩個面積不等的工作面的疊加應力，將此疊加應力簡化為平均應力q作用在工作面頂板，如圖2所示。由于工作面存在殘留煤柱，大部分應力σ2向煤柱轉移，使煤柱存在高集中應力；巷道的開挖使部分應力轉移至巷道側煤壁，形成集中應力。由于是孤島工作面開采，作用在煤柱及巷道側煤體的應力集中系數(shù)k約為6～7倍的原巖應力，屬于高應力區(qū)域，因此巷道在殘留煤柱及工作面煤體的疊加作用下，發(fā)生強沖擊地壓的概率極大。

圖2 卸壓前巷道應力分布圖

2.2 高應力區(qū)域卸壓后受力分析

針對殘留煤體所產生應力的分布狀態(tài)，可知殘留煤柱及工作面?zhèn)让罕诰鶠楦邞ξｋU區(qū)，需要對這些區(qū)域進行卸壓處理，使集中應力降低，積聚的彈性能有所下降。分別對巷道側殘留煤柱和工作面進行不同的方式卸壓，形成對孤島工作面殘留煤柱高應力區(qū)域的沖擊地壓防治技術。卸壓后巷道應力分布如圖3所示。

圖3 卸壓后巷道應力分布圖

由圖3可知，由于巷道之間殘留煤柱寬度較大，積聚能量較多，使得集中應力異常增大，可以采用爆破卸壓和鉆孔卸壓等方式對巷道靠煤柱側進行卸壓處理，縮小煤柱寬度，降低煤柱承受應力，使殘留煤柱集中應力降低；在巷道靠煤壁側的高應力區(qū)進行立體卸壓，利用上層煤T2290工作面遺留巷道作為卸壓巷道，同時向高應力區(qū)域進行爆破卸壓，使巷道和上層煤卸壓巷道之間煤體的強度降低，將巷道側應力減小至k3γH(k3>1)，并將應力峰值轉移至卸壓巷道側，使巷道周圍處于低應力區(qū)域，緩解了巷道圍巖應力狀態(tài)，工作面得以安全回采。

3 巷道高應力區(qū)卸壓效果模擬分析

利用數(shù)值模擬軟件RFPA對巷道高應力區(qū)域卸壓效果進行模擬。巷道受到殘留煤柱的影響，驅使集中應力向工作面?zhèn)让罕谵D移，工作面回采時回風巷具有變形破壞的沖擊危險。利用上層工作面遺留巷道作為卸壓巷，在卸壓巷底板向回風巷進行爆破卸壓，同時在回風巷頂板向卸壓巷進行深孔爆破，共同形成對高應力區(qū)域的卸壓。

在回風巷和卸壓巷同時進行卸壓處理，得到的模擬結果如圖4所示。由圖4可以看出，回風巷與卸壓巷道之間的變形比較嚴重，整體性大大降低，集中應力峰值轉移至卸壓巷道里側，降低了回風巷附近的應力；回風巷與卸壓巷道之間的聲發(fā)射程度較密集，說明此處釋放的彈性能較多，卸壓使積聚的彈性能達到大量釋放，減小了高應力區(qū)域的能量積聚。綜合以上模擬分析結果，利用卸壓巷道可以大幅度減弱回風巷附近高應力區(qū)域的應力和能量，使其保持穩(wěn)定。

圖4 高應力區(qū)域卸壓效果模擬圖

4 孤島工作面殘留煤柱沖擊地壓防治技術

4.1 殘留煤柱區(qū)域沖擊地壓防治

由于殘留煤柱區(qū)域影響到T1391大小面的掘進與回采工作，故在大面回風巷對殘留煤柱采用影響范圍較小的大直徑鉆孔卸壓技術，減小殘留煤柱對回風巷的影響程度。大直徑鉆孔直徑為105 mm，鉆孔距底板1.2 m，孔深為9～10 m，鉆孔間距為1.5 m，具體參數(shù)如圖5所示。

圖5 殘留煤柱大直徑鉆孔卸壓示意圖

4.2 巷道高應力區(qū)域沖擊地壓防治

殘留煤柱的存在導致一部分集中應力向回風巷側煤體轉移，使回風巷周圍成為高應力區(qū)域，發(fā)生沖擊的危險性較大，可以利用上煤層遺留巷道對此區(qū)域進行卸壓解危。在上煤層遺留巷道底板向高應力區(qū)域進行爆破卸壓處理，爆破參數(shù)具體為：孔深為7 m，孔徑為42 mm，爆破鉆孔間距為5 m。而在回風巷道向高應力區(qū)域進行大直徑鉆孔卸壓，卸壓參數(shù)與殘留煤柱一致，如圖6所示。

圖6 高應力區(qū)域卸壓解危示意圖

經大直徑鉆孔卸壓和爆破卸壓，回風巷與卸壓巷道之間的高應力區(qū)域穩(wěn)定性降低，增大了煤體的松散度，釋放了殘留煤柱施加的高能量，將此區(qū)域轉化為低應力、低能量的安全區(qū)域，保證了回風巷道的穩(wěn)定。

5 結論

(1)針對深部孤島工作面的殘留煤柱引發(fā)的沖擊地壓問題，分析了殘留煤柱對回風巷道的應力分布及能量積聚情況，得出殘留煤柱是造成回風巷道應力顯現(xiàn)異常的主要原因。并通過對比分析的方法研究了卸壓前后回風巷的應力變化形態(tài)，利用卸壓技術可以使回風巷兩側的集中應力降低并遠離巷道。

(2)利用數(shù)值模擬分析了上煤層遺留巷道作為卸壓巷道對高應力區(qū)的卸壓效果。經卸壓巷道轉移應力、釋放能量后，應力峰值向煤體深部轉移，耗散了高應力區(qū)積聚的彈性能，維護了回風巷道的穩(wěn)定。

(3)通過大直徑鉆孔卸壓和爆破卸壓，分別對殘留煤柱和回風巷高應力區(qū)域進行了沖擊地壓防治。經檢驗，卸壓技術減弱了回風巷的高應力和高能量，保證了巷道的穩(wěn)定，使工作面得以順利回采。

[1] 姜耀東,潘一山,姜福興等. 我國煤炭開采中的沖擊地壓機理和防治[J]. 煤炭學報,2014(2)

[2] 潘俊鋒,毛德兵,藍航等. 我國煤礦沖擊地壓防治技術研究現(xiàn)狀及展望[J]. 煤炭科學技術,2013(6)

[3] 張煒,張東升,陳建本等. 孤島工作面窄煤柱沿空掘巷圍巖變形控制[J]. 中國礦業(yè)大學學報,2014(1)

[4] 楊光宇,姜福興,王存文. 大采深厚表土復雜空間結構孤島工作面沖擊地壓防治技術研究[J]. 巖土工程學報,2014(1)

[5] 楊偉利. 煤礦孤島工作面沖擊危險性識別與防沖研究[D].北京科技大學,2016

[6] 劉寶珠. 深部不規(guī)則大孤島工作面沖擊地壓預測與防治技術[J]. 中國煤炭,2013(6)

[7] 李剛鋒. 躍進煤礦孤島工作面沖擊地壓綜合防治技術[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保,2014(3)

[8] 馮占文, 高勤瓊. 孤島工作面頂板礦壓規(guī)律及控制技術研究[J]. 中國煤炭, 2015(11)

[9] 曹建軍,易恩兵. 孤島工作面圍巖運移及沖擊破壞數(shù)值模擬研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保,2015(2)

[10] 顧合龍,南華,王文等. 爆破卸壓技術防治沖擊地壓的應用與檢驗[J]. 煤炭科學技術,2016(4)

(責任編輯 陶 賽)

Study on prevention technology of residual coal pillar rock burst in deep isolated work face

Wang Yongrui1, Wei Hui2

(1. Mining Branch Company, Kailuan (Group) Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063000, China;2. College of Mining & Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology,Qingdao, Shandong 266000, China)

Taking prevention of residual coal pillar rock burst in deep isolated work face as background, studied the effect of residual coal pillar on the stress distribution and energy evolution laws of air return roadway of work face, analyzed the concentrated stress distribution condition of two sides of air return roadway before and after pressure release, and numerically simulated pressure release effect of residual roadway in upper coal layer, as pressure release roadway, on high stress area. Based on theoretical analysis and numerical simulation, large diameter borehole pressure release and blast pressure release technique were conducted to prevent rock burst at air return roadway. The relief effect was favorable, the stability of air return roadway was enhanced and mining production of work face could be guaranteed.

rock burst, isolated work face, residual coal pillar, borehole pressure release, blast pressure release

王永瑞，魏輝. 深部孤島工作面殘留煤柱沖擊地壓防治技術研究 [J]. 中國煤炭，2017，43(5)：57-59，78. Wang Yongrui, Wei Hui. Study on prevention technology of residual coal pillar rock burst in deep isolated work face [J]. China Coal，2017,43(5)：57-59，78.

TD324.2

A

王永瑞(1966-)，男，河北青龍人，高級工程師，現(xiàn)任開灤(集團)煤業(yè)分公司副總經理。