唐山礦深部孤島工作面沖擊地壓危險區域劃分及實測研究

鄭友剛

（開灤（集團）有限責任公司唐山礦業分公司，河北省唐山市，063000）

唐山礦1878年建井，至今已有135年開采歷史，開采過程中形成了大量的孤島工作面，因礦壓大、沖擊地壓威脅等原因，一些孤島煤柱難以開采。T1391工作面為唐山礦業公司鐵一區及鐵二區之間保留的系統巷道煤柱，為大孤島工作面，其開采深度－680～－780 m，西鄰T1392工作面采空區，南部至T1390底邊眼，東部至T2292、T2293、T2294工作面采空區，上方為T1351、T1352和T 1 353工作面采空區。深部孤島工作面開采受大采深及高應力場等的影響，是沖擊地壓容易發生的區段。

1 危險區域劃分

在煤礦沖擊地壓防治中，危險區域的劃分是前提，只有全面系統而準確地確定危險區域，才能成功地預防沖擊地壓的發生。通過類似條件下沖擊地壓案例分析，結合T1391工作面構造條件，研究孤島工作面沖擊地壓危險區域劃分。

1.1 危險區域類型分析

通過沖擊地壓案例分析，結合唐山礦8＃、9＃合層煤層構造條件、工作面巷道掘進和工作面開采順序及方式，根據不同條件下沖擊地壓發生的情況，主要分為以下3類：

（1）邊界型。主要指人為采動影響造成的沖擊地壓。影響指受巷道掘進和已采工作面形成的采空區對生產工作面的礦壓影響。

（2）構造型。主要集中在斷層、褶曲區域。在大斷層附近、斷層簡滅處和經過斷層的巷道掘進和工作面開采有可能出現的沖擊地壓。

（3）復合型。邊界型和邊界型疊加、構造型與構造型疊加、邊界型與構造型疊加等情況，此類型較之單一因素影響的動壓危險性要更為嚴重。

1.2 巷道掘進期間危險區域

本工作面巷道大部分已經開掘完畢，只有T1391小面風道為在掘巷道，T1391小面風道一側受到已采工作面影響，在掘進期間存在較大沖擊地壓危險性。T1391小面風道掘進示意圖見圖1。

圖1 T1 391小面風道掘進示意圖

T1391小面風道掘進處于T2294、T2293、T2292采空側壓中，巷道掘進過程中會出現開門、貫通等特殊區段，因此主要沖擊地壓影響因素為采空側壓、開門和巷道貫通等影響。

圖1中Ⅰ～Ⅵ區域為小面風道掘進期間沖擊危險區域劃分。Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ區域為采空側壓影響的邊界型危險區域；Ⅲ區域為采空側壓影響且需巷道開門的復合型危險區域；Ⅵ區域為采空側壓影響且需巷道貫通的復合型危險區域。

其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ區域具有微小沖擊地壓危險，Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ區域具有較大沖擊地壓危險。

1.3 工作面推采期間危險區域

T1391工作面正常推采期間，沖擊地壓影響因素主要為工作面煤層上方約40 m處的5＃煤層殘留煤柱、采空側壓、工作面水平方向密集巷道群、煤柱兩側應力疊加相互影響、工作面見方、停采線支承壓力和斷層等。工作面推采期間危險區域見圖2。

Ⅰ～Ⅷ區域為T1391工作面推采期間的沖擊地壓危險區域劃分。Ⅰ、Ⅳ區域為切眼巷道拐角和巷道群疊加影響的復合型危險區域；Ⅱ區域為上部5＃煤層煤柱和T1391工作面見方疊加影響的復合型危險區域，范圍為上部煤柱邊緣前后各40 m；Ⅲ區域為巷道和工作面見方疊加影響的復合型危險區域；Ⅴ區域（包括Ⅴ1和Ⅴ2區域）為工作面支承壓力和煤柱應力相互影響的復合型危險區域；Ⅵ區域為單一斷層影響的構造型危險區域，范圍為斷層前后各30 m；Ⅶ區域為45°巷道拐角和采空區應力疊加影響的復合型危險區域；Ⅷ區域為巷道拐角和工作面停采線應力疊加影響的復合型危險區域，范圍為停采線到巷道拐彎后15 m。

圖2 工作面推采期間危險區域

其中，Ⅵ區域具有微小沖擊地壓危險；Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅶ區域具有較小沖擊地壓危險；Ⅱ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ區域具有較大沖擊地壓危險。

2 工作面超前支承壓力觀測

2.1 超前支承壓力分布范圍觀測

采用煤層動態觀測方法，使用頂板動態儀，研究確定采場周圍煤體上支承壓力分布規律，確定工作面超前支承壓力影響范圍。

2.1.1 理論分析

根據遠點捕捉的頂板下沉速度的變化，可獲得支承壓力的分布范圍和明顯影響范圍。從頂板動態監測結果可看出工作面超前支承壓力明顯影響區和影響范圍。頂板下沉速度與超前煤壁距離關系見圖3。

圖3 頂板下沉速度與超前煤壁距離關系示意圖

頂板下沉速度較大的區域是超前支承壓力作用明顯影響區，在該區域受到超前支承壓力的影響較大，屬于應力和能量集中的區域；頂板還在下沉，但速度相對已經較小的區域和超前支承壓力作用明顯影響區統稱超前支承壓力影響范圍；超過影響范圍的區域基本就不受超前支承壓力的影響。

2.1.2 監測方法

在T1391大面刮板輸送機巷道布置頂板動態儀，距工作面切眼150 m處布置第1臺頂板動態儀，然后隔5 m、5 m、5 m、60 m各布置1臺，共5臺，進行支承壓力分布的觀測，觀測頂底板下沉量，每次觀測均記錄頂板動態儀至煤壁的距離。離煤壁最近的頂板動態儀距離煤壁尺寸為0時，將該動態儀回撤，支設到巷道前方，與最前方動態儀的距離為10.0 m，循環支設。

2.1.3 結果分析

表1為T1391大面刮板輸送機巷道頂板動態儀監測結果，通過對數據的分析可得出超前工作面的距離（S）與頂底板移近速度（Δh）的關系曲線，見圖4。從頂板動態監測結果及根據監測數據繪制的圖5可看出，工作超前壓力隨工作面的距離增大，地板下沉速率逐漸減小，60 m之后頂板下沉速率小于0.2，充分證明礦壓影響區主要在工作面至前方60 m左右范圍內。

表1 T1 391大面刮板輸送機巷道頂板動態儀監測數據

2.2 超前支承壓力峰值位置觀測

在超前煤柱內布置多個鉆孔應力計，對工作面的超前支承壓力進行監測，鉆孔應力計采用主動式在線數據采集鉆孔應力計。

2.2.1 理論分析

根據頂板動態儀監測數據及圖5，已經證明了超前支承壓力的分布規律，根據不同的條件，超前支承壓力的影響范圍、峰值位置和峰值大小會有所不同，但基本曲線形式都是一致的。

圖4 超前工作面距離與頂底板移近速度的關系曲線

鉆孔應力計的讀數只是支承壓力變化的相對值，而不是絕對值，不能完全反映出煤體中實際支承壓力的大小（通常情況是所測壓力比實際壓力要小），但可以反映出其變化趨勢和應力集中程度。通過工作面前方相對支承壓力的變化分析支承壓力的范圍，根據支承壓力與工作面的距離關系曲線，可判斷支承壓力的影響范圍和峰值區域，具體如圖5所示。

圖5 工作面超前支承壓力分布示意圖

2.2.2 監測方法

在T1391大面刮板輸送機巷道離切眼250 m處開始安裝鉆孔應力計，共安裝4個。鉆孔距離底板1.2 m，孔深6.0 m，孔徑42.0 mm，孔距10 m，鉆孔斜向上0～3°，打孔時盡量保持鉆孔垂直煤幫，而且使孔壁光滑，打完后，吹出孔內的煤灰，然后進行安裝，鉆孔直徑不能太大，否則儀器的應變頭不能與煤體充分接觸，影響觀測效果。

應力計安裝好后，需對其施加初始壓力并記錄壓力表讀數，在隨后的開采過程中，每2 h觀測一次。

2.2.3 監測結果分析

表2為鉆孔應力計測量的數值，將測量結果繪制曲線可得圖6。測得的結果與理論分析結果（圖5）相吻合。

圖6 超前支承壓力鉆孔支承壓力隨工作面距離變化關系曲線

表2 T1 391大面刮板輸送機巷道鉆孔應力計測量的數值

由表2及圖6可知，工作面超前支承壓力影響范圍為超前60 m以內，峰值位置出現在23～26 m處。

3 圍巖變形破壞實測

根據圍巖變形的數據可知，巷道圍巖隨著工作面推進變形逐漸增大，符合巷道變形規律。在T1391工作面推采的過程中，4條巷道的工作面前方30 m范圍內的巷道變形較為嚴重，超前60 m范圍內支護采用密集單體柱加強支護，仍出現了較大程度的變形。其中兩工作面之間的12 m煤柱兩側巷道變形比其他巷道大，生產的過程中進行了多次翻修工作，說明煤柱的泄壓效果較好。實際工作面巷道的變形測量數據與礦壓數據相吻合，充分證明了理論結果符合實際礦壓情況，對危險區域的劃分比較準確，有力地保證了工作面的安全生產。

4 小結

（1）通過對T1391工作面進行沖擊地壓危險區域研究，最終劃分了工作面巷道掘進期間和回采期間的沖擊地壓危險區域和危險等級。

（2）通過對T1391工作面的超前支承壓力進行觀測，采用頂板動態與鉆孔應力變化方法得到超前支承壓力明顯范圍在超前60 m左右，峰值在煤壁前方23～25 m。

（3）通過對T1391工作面的圍巖變形進行測量，基本符合常規巷道變形破壞規律，卸壓處理的12 m煤柱兩側巷道變形比其他巷道大。

［1］劉寶珠，馬亞杰，章之燕.特厚煤層放頂煤開采礦壓顯現規律研究 ［J］.中國煤炭，2011（4）

［2］劉寶珠，苑龍峰.高應力厚煤層沿底掘進冒頂事故成因及預防與處理技術研究 ［J］.中國煤炭，2012（10）