南山煤礦“三側(cè)采空”孤島型沖擊地壓防治實(shí)踐

連鴻全

（黑龍江龍煤鶴崗礦業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江 鶴崗 154100）

1 工程概況

1.1 工作面概況

黑龍江龍煤鶴崗礦業(yè)公司南山煤礦盆底區(qū)南翼15 層三分段，工作面采用走向長壁綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，工作面采深500m，走向163m，面長90m，采高（煤厚）10m，可采儲量19.7 萬t。本區(qū)煤層賦存穩(wěn)定，平均傾角為10°。15 層煤老頂為15.4m 粗砂巖和17.2m 灰白色細(xì)砂巖，煤層直接頂為3.0m 的中砂巖，底板為0.8～14m 的灰白色細(xì)砂巖。綜合柱狀圖如圖1 所示。

圖1 綜合柱狀圖

1.2 鄰區(qū)、鄰層對照

南翼15 層三分段溜子道下區(qū)段盆底區(qū)南翼15層二分段綜放面2008 年5 月30 日已開采完，區(qū)段煤柱8m；回風(fēng)道上區(qū)段北五外區(qū)15 層綜放面2007年9 月7 日開采完，區(qū)段煤柱最近處10m；停采線鄰區(qū)盆底區(qū)北翼15 層三分段綜放面2010 年6 月15日開采完，區(qū)段煤柱35m（距本面設(shè)計停采線）。工作面構(gòu)成“孤島”開采。

本區(qū)上覆13 層，距本煤層60m 左右，因煤層夾矸較多，而且煤層較薄，未開采；下伏15-3 層為0～30m 左右，尚未開采。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造情況

本區(qū)構(gòu)造比較簡單，切眼處鄰近f1、f2、f3、南1 正斷層，走向N27° W、N32° W、N19°W、N10°W，傾角58°、45°、51°、45°，落差3.0m、8.0m、3.5m、50～200m。巷道實(shí)踐證明，斷層面平直、光滑，斷層擦痕明顯，斷層兩盤巖石較完整，有明顯的引捩現(xiàn)象。如表1 所示。

表1 斷層情況表

1.4 事故概況

（1）2013 年1 月18 日20 時58 分，盆底區(qū)南翼15 層三分段綜放面（平均推進(jìn)112.5m，自2012年“12.7”位置推進(jìn)34m）兩巷發(fā)生沖擊地壓。震源位于工作面前方120m 盆底區(qū)北翼三分段空區(qū)底板（與煤層標(biāo)高差80m），震動能量5.78×106J，震級2.61 級。

此次沖擊造成機(jī)道設(shè)計停采線附近25m 范圍巷道碹皮開裂、震落，兩幫移近、巷道底鼓均在0.5m左右，距停采線15m 處巷道壓縮至寬1.6m，高1.3m，斷面將近2.0m2，超前支護(hù)單體折斷4 根，工作面機(jī)道第一臺溜子壓頂子壓彎，附近有1 根單體彎曲變形；工作面片幫貨堆滿溜子；風(fēng)道超前20m 范圍巷道碹皮多處開裂，巷道底鼓在0.3m 左右。受沖擊波影響，當(dāng)班瓦檢員輕傷。

（2）盆 底 區(qū) 南 翼15 層 三 分 段2013 年1 月18 日發(fā)生沖擊后，于1 月19 日下午恢復(fù)生產(chǎn)，至2013 年1 月22 日中午12 時工作面推進(jìn)3m，風(fēng)道超前10 ～30m，又發(fā)生沖擊。震源位于工作面前方62m 風(fēng)道上幫36m 底板（與巷道標(biāo)高差102m），震動能量5.04×105J，震級2.05 級。

破壞情況：此次沖擊造成工作面風(fēng)道超前10～30m 范圍兩幫移近0.5m，巷道底鼓均在0.5～1.0m（沖擊后巷道高度1.2～1.3m，寬度1.2～1.4m）。受沖擊波影響風(fēng)道2 名人員輕傷。

2 “三側(cè)采空”孤島型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

（1）下區(qū)段盆底區(qū)南翼15層二分段采空區(qū)；（2）上區(qū)段北五外區(qū)15 層采空區(qū)；（3）盆底區(qū)北翼15層三分段采空區(qū)。南翼15 層三分段面長90m，走向長度163m，老頂厚度由下至上分別為15.4m 和17.5m，覆巖分層巖板厚度h 與板面的長度b 之比為1/5.1 和1/5.8，位于1/100～1/5 之間，滿足了彈性薄板的假設(shè)條件，同時，頂板的撓度也普遍小于煤層采高，這也符合薄板小撓度理論的前提。

“三側(cè)采空”孤島面為三側(cè)采空狀態(tài)，隨著工作面從開切眼開始不斷推進(jìn)，逐步演變?yōu)樗膫?cè)采空狀態(tài)，采場覆巖頂板也逐漸形成一個短邊不變、長邊不斷增大的矩形巖板。在四面采空的孤島工作面堅硬頂板初次垮落前，由于頂板懸露長度較大，初次垮落步距大于工作面長度的一半。在工作面見方來壓時，頂板的中心彎矩達(dá)到最大值，從而使孤島工作面的支承壓力和影響范圍也會達(dá)到最大。當(dāng)厚層堅硬頂板下部的拉應(yīng)力超過極限強(qiáng)度后將發(fā)生突變，隨著堅硬頂板的突然破斷而造成工作面圍巖大范圍的強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)，從而發(fā)生工作面煤巖失穩(wěn)，導(dǎo)致沖擊地壓事故。

“三側(cè)采空”孤島開采構(gòu)成了沖擊地壓發(fā)生的主控因素，盆底區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場、盆底區(qū)北翼15 層二分段綜放面采動影響構(gòu)成了沖擊地壓發(fā)生的輔助因素。三者疊加形成的應(yīng)力場構(gòu)成了沖擊地壓發(fā)生的主要“力源”。

南山煤礦南翼15 層三分段綜放面在盆底區(qū)，盆底區(qū)內(nèi)煤層發(fā)育為一短軸向斜，向斜軸向NE，煤層傾角10 ～15°。向斜構(gòu)造軸部的煤（巖）體處于高應(yīng)力環(huán)境下，積聚了大量彈性能，接近極限平衡狀態(tài)。從向斜的兩翼至其軸部，煤（巖）體逐步從低應(yīng)力區(qū)向高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)化，應(yīng)力和變形模量以同數(shù)量級或更高的比例增長。開采擾動時，破壞了平衡狀態(tài)，易于發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。

3 “三側(cè)采空”孤島型沖擊地壓局部解危技術(shù)

3.1 “三側(cè)采空”孤島型沖擊地壓局部解危思路

“三側(cè)采空”孤島型沖擊地壓本質(zhì)上也是堅硬頂板導(dǎo)致的沖擊地壓，因此其局部解危的思路與堅硬頂板型沖擊地壓較為相似。但由于其四周采空區(qū)面積的增大，導(dǎo)致了堅硬頂板的影響程度更大，因此對于堅硬頂板處理的力度要更大。

3.2 “三側(cè)采空”孤島型沖擊地壓局部解危原理

通過“三側(cè)采空”孤島型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的分析，“三側(cè)采空”孤島開采構(gòu)成了沖擊地壓發(fā)生的主控因素，盆底區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場、盆底區(qū)北翼15 層二分段綜放面采動影響構(gòu)成了沖擊地壓發(fā)生的輔助因素。其中，“三側(cè)采空”孤島開采作為主控因素，導(dǎo)致應(yīng)力的升高本質(zhì)上是由于堅硬頂板，工作面面長越大，隨著采動懸露頂板面積越大，應(yīng)力越集中。由此可知“三側(cè)采空”孤島型沖擊地壓局部解危原理是通過采取措施弱化頂板，將懸露的頂板面積減小。

3.3 “三側(cè)采空”孤島型沖擊地壓局部治理措施

3.3.1 頂板深孔爆破及注水軟化卸壓

（1）回風(fēng)道傾向低位斷頂

沿走向方向每隔15m 施工注水軟化鉆孔和頂板爆破鉆孔各1 個，孔徑75mm。注水軟化鉆孔方位為垂直下幫，傾角為14°，孔深35m；預(yù)裂爆破鉆孔方位為沿煤層走向，傾角為30°，孔深33m。如圖2 所示。

圖2 回風(fēng)道低位斷頂剖面圖

（2）溜子道走向低位斷頂

沿走向方向每15m 施工1 組頂板預(yù)裂爆破孔，每組包括2 個炮孔，孔徑75mm。方位分別為垂直巷道下幫和沿巷道走向，開孔位置在巷道中心線上，孔深分別33m 和20m，傾角30°和32°。如圖3所示。

圖3 溜子道低位斷頂沿走向剖面圖

（3）爆破材料設(shè)計及制作

① 炸藥

采用三級煤礦許用乳化炸藥，藥卷規(guī)格為Φ60×650mm，（長度及重量均以實(shí)際為準(zhǔn)）；炸藥均采用防靜電堅硬塑料外殼包裝，各藥卷間可通過螺紋段連接。

② 雷管

煤礦許用8#普通瞬發(fā)電雷管（或同段位）。

③ 導(dǎo)爆索

煤 礦 許 用 導(dǎo) 爆 索，100m/ 卷， 規(guī) 格 為Φ6.5±0.3mm，爆速≥6000m/s。根據(jù)爆破設(shè)計深度，每卷導(dǎo)爆索供2 孔使用。

（4）施工注意事項(xiàng)

① 鉆孔至設(shè)計深度后，停鉆不停水2min，將鉆孔沖洗干凈，以便于裝藥和封孔。

② 為防止發(fā)生拒爆現(xiàn)象，將導(dǎo)爆索穿過所有藥卷，封孔時一次推炮泥不能大于50cm。黃泥要充填密實(shí)，但封堵炮泥時不得損傷導(dǎo)爆索。

③ 為避免爆破誘發(fā)沖擊傷人，在滿足“躲炮距離不得小于300m，躲炮時間不得少于30min”的前提下，爆破期間人員全部撤出工作面。

④ 為防止意外沖孔破壞瓦斯管路，在放炮前，應(yīng)將孔口附近瓦斯抽放管臨時拆除或特殊保護(hù)，并加強(qiáng)巷道臨時支護(hù)。

⑤ 炮眼采用不耦合方式裝藥，采用雙雷管、雙導(dǎo)爆索引爆，水泡泥消焰，每一根導(dǎo)爆索均采用煤礦許用8#雷管起爆，2 個雷管在孔外采用并聯(lián)連接。

3.3.2 煤層大直徑鉆孔常規(guī)卸壓

對工作面機(jī)道和風(fēng)道的回采幫一側(cè)煤體卸壓，另外根據(jù)鉆屑法監(jiān)測，當(dāng)工作面出現(xiàn)沖擊危險時，對工作面進(jìn)行卸壓處理。如圖4 所示。具體參數(shù)為：

圖4 工作面回采巷道幫部大直徑鉆孔卸壓方案

（1）卸壓鉆孔孔深：不小于20m。

（2）卸壓鉆孔間距：1.0m。

（3）卸壓鉆孔直徑：Φ133mm。

（4）卸壓孔方位及傾角：卸壓孔均垂直于巷道幫煤壁。

（5）卸壓鉆孔封孔要求：封孔長度不小于2m。

（6）卸壓孔實(shí)施范圍及順序：施工范圍為工作面兩條順槽，并根據(jù)實(shí)際情況采取多輪卸壓方式。

3.3.3 煤層爆破強(qiáng)化卸壓

在監(jiān)測到?jīng)_擊危險時，如采用大直徑卸壓效果不明顯時，可結(jié)合煤層實(shí)施爆破卸壓措施進(jìn)行解危。

巷道幫部進(jìn)行爆破卸壓時，炮孔距離巷道底 板1.0～1.5m，平行煤層傾向，孔深20m，直徑45mm，孔間距3m，也可利用鉆屑監(jiān)測孔進(jìn)行爆破。采用正向裝藥，封孔長度不低于5m，一孔一放。爆破順序從里向外進(jìn)行。

炮眼布置方式：單排布置，間距3m，距底板1.2m，爆破孔深度20m，如圖5 所示。

圖5 工作面煤層卸壓爆破炮孔位置圖

卸壓爆破參數(shù)：采用正向連續(xù)裝藥，每孔最低裝藥量5kg 起，根據(jù)情況逐步增加藥量，裝藥長度增加至15m。特制瞬發(fā)長引線電雷管2 發(fā)，封孔長度不少于5.0m。孔內(nèi)并聯(lián)方式起爆，一次爆破一個卸壓孔。

4 防治效果

通過對盆底區(qū)南翼15 層三分段進(jìn)行有效的卸壓解危，回采過程中自發(fā)微震事件頻次大幅降低，釋放能量減少，且微震事件分散，不存在集中破裂區(qū)與能量集中釋放區(qū)，大能量震動發(fā)生概率降低，且遠(yuǎn)離回采工作面，大幅降低了回采期間的沖擊危險，順利地完成了回采，保證了人員及設(shè)備的安全，為孤島工作面沖擊地壓防治積累了經(jīng)驗(yàn)。