孤島工作面防沖安全開采論證方法研究與應(yīng)用

劉金海，黃 濤，王悅平，朱斯陶，李乃祿，劉 虎，董續(xù)凱

(1.華北科技學(xué)院 應(yīng)急技術(shù)與管理學(xué)院，北京 101601；2.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；3.彬縣水簾洞煤炭有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 274900；4.山東能源集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引 言

為規(guī)范煤礦沖擊地壓防治，原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局組織專家對2004年11月3日公布的《煤礦安全規(guī)程》進(jìn)行了修訂，于2016年發(fā)布了修訂后的《煤礦安全規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)[1]，在其中增加了“沖擊地壓防治”專篇；原國家煤礦安全監(jiān)察局組織專家制定了《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》(以下簡稱《細(xì)則》)[2]，于2018年8月1日施行。《規(guī)程》和《細(xì)則》對沖擊地壓礦井開采孤島煤柱進(jìn)行了明確規(guī)定，如《規(guī)程》第二百三十一條規(guī)定“開采孤島煤柱的，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行防沖安全開采論證；嚴(yán)重沖擊地壓礦井不得開采孤島煤柱”，《細(xì)則》第三十二條規(guī)定“沖擊地壓煤層開采孤島煤柱前，煤礦企業(yè)應(yīng)當(dāng)組織專家進(jìn)行防沖安全開采論證，論證結(jié)果為不能保障安全開采的，不得進(jìn)行采掘作業(yè)；嚴(yán)重沖擊地壓礦井不得開采孤島煤柱”。

部分礦井在《規(guī)程》和《細(xì)則》施行之前，由于防治沖擊地壓意識不強(qiáng)，為快速完成采掘接續(xù)，留下條帶煤柱；衰老礦井剩余資源多為孤島煤柱。因此，我國有很多礦井現(xiàn)在或今后需要開采孤島煤柱。與非沿空工作面和一側(cè)沿空工作面相比，孤島工作面應(yīng)力集中程度高，沖擊危險性大[3-7]，2015年有2個煤礦在開采孤島工作面時發(fā)生沖擊地壓事故[8-9]，導(dǎo)致工作面封閉。開展孤島工作面防沖安全開采論證有助于礦井提前決策，如論證結(jié)果為“不能保障安全開采”，礦井就可以不規(guī)劃和不準(zhǔn)備該工作面，從而避免因準(zhǔn)備該工作面造成的經(jīng)濟(jì)損失。

盡管《規(guī)程》和《細(xì)則》都要求“開采孤島煤柱的，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行防沖安全開采論證”，但缺少“孤島煤柱防沖安全開采論證方法”的研究，造成“孤島工作面防沖安全開采論證報告”被寫成了“沖擊危險性評價報告”，失去針對性，論證結(jié)果也缺乏可靠的依據(jù)，無法切實指導(dǎo)礦井決策。為此，筆者結(jié)合近10年來從事現(xiàn)場沖擊地壓防治的經(jīng)驗，系統(tǒng)研究孤島工作面防沖安全開采論證方法，并期望通過與業(yè)內(nèi)同行交流，進(jìn)一步完善孤島工作面防沖安全開采論證方法，從而更便于《規(guī)程》和《細(xì)則》施行。

1 孤島工作面防沖安全開采論證方法

依據(jù)《規(guī)程》和《細(xì)則》相關(guān)規(guī)定，有2種情況不得開采孤島煤柱或孤島工作面：①嚴(yán)重沖擊地壓礦井，②防沖安全開采論證結(jié)果為“不能保障安全開采”。另外，根據(jù)近幾年從事現(xiàn)場沖擊地壓防治的經(jīng)驗，整體沖擊型孤島工作面發(fā)生沖擊地壓的風(fēng)險大[10]，沖擊地壓防治難度大，如趙樓煤礦“2015.7.29”沖擊地壓事故工作面、朝陽煤礦“2015.6.19”沖擊地壓事故工作面均為整體沖擊型孤島工作面，都在工作面煤壁和回采巷道發(fā)生沖擊地壓。因此，對于孤島工作面沖擊類型為整體沖擊型的，需要進(jìn)一步論證其沖擊危險等級。采用綜合指數(shù)法和基于應(yīng)力比的沖擊危險程度劃分方法確定整體沖擊型孤島工作面的沖擊危險等級，若具有強(qiáng)沖擊危險，建議不開采。孤島工作面防沖安全開采論證共分為4個步驟：

1)論證孤島工作面所屬礦井的沖擊地壓礦井屬性。沖擊地壓礦井屬性分為非沖擊地壓礦井、沖擊地壓礦井、嚴(yán)重沖擊地壓礦井3種。沖擊地壓礦井屬性依據(jù)沖擊地壓煤層屬性進(jìn)行判定。根據(jù)《細(xì)則》第九條規(guī)定，在礦井井田范圍內(nèi)發(fā)生過沖擊地壓現(xiàn)象的煤層，或者經(jīng)鑒定煤層(或者其頂?shù)装鍘r層)具有沖擊傾向性且評價具有沖擊危險性的為沖擊地壓煤層；有沖擊地壓煤層的礦井為沖擊地壓礦井。根據(jù)《細(xì)則》第十五條相關(guān)規(guī)定，煤層(或者其頂?shù)装鍘r層)具有強(qiáng)沖擊傾向性且評價具有強(qiáng)沖擊危險的，為嚴(yán)重沖擊地壓煤層；開采嚴(yán)重沖擊地壓煤層的礦井為嚴(yán)重沖擊地壓礦井。依照上述關(guān)于沖擊地壓礦井和嚴(yán)重沖擊地壓礦井的定義，煤層(及其頂?shù)装鍘r層)不具有沖擊傾向性，或者煤層(或者其頂?shù)装鍘r層)具有沖擊傾向性但評價不具有沖擊地壓危險的，為非沖擊地壓礦井?？梢姡聧u工作面所屬礦井的沖擊地壓礦井屬性論證的關(guān)鍵是論證沖擊地壓煤層屬性。

2)論證“防沖安全開采論證”必要性。依據(jù)孤島工作面所屬礦井的沖擊地壓礦井屬性論證結(jié)果，確定“防沖安全開采論證”必要性。若孤島工作面所屬礦井的沖擊地壓礦井屬性論證結(jié)果為非沖擊地壓礦井，不需開展孤島工作面防沖安全開采論證，直接判定該孤島工作面“可回采”；若孤島工作面所屬礦井的沖擊地壓礦井屬性論證結(jié)果為嚴(yán)重沖擊地壓礦井，直接判定該孤島工作面“嚴(yán)禁回采”；若孤島工作面所屬礦井的沖擊地壓礦井屬性論證結(jié)果為沖擊地壓礦井，判定該孤島工作面須進(jìn)行“防沖安全開采論證”。

3)論證“孤島工作面沖擊類型”?！胺罌_安全開采論證”需要開展3個方面的工作：①論證“孤島工作面沖擊類型”，②在開展危險因素排查和沖擊危險評價的基礎(chǔ)上計算孤島工作面防沖工程量，③根據(jù)礦井人員與機(jī)構(gòu)設(shè)置、監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋能力和卸壓機(jī)具配備情況評估礦井防沖能力。首先是論證“孤島工作面沖擊類型”，若孤島工作面沖擊類型為局部沖擊L，應(yīng)再論證礦井防沖能力A與孤島工作面防沖工程量Q之間的關(guān)系；若孤島工作面沖擊類型為整體沖擊G，需要進(jìn)一步論證沖擊危險等級，若具有強(qiáng)沖擊危險等級G2，判定為“嚴(yán)禁回采”，若具有“非強(qiáng)沖擊”(包括弱、中等沖擊)危險等級G1，需要再論證礦井防沖能力與孤島工作面防沖工程量之間的關(guān)系。

4)論證“礦井防沖能力與孤島工作面防沖工程量之間的關(guān)系”。情況C1：孤島工作面防沖工程量Q大于礦井防沖能力A，判定該孤島工作面“嚴(yán)禁回采”。情況C2：孤島工作面防沖工程量Q小于礦井防沖能力A，判定該孤島工作面“可回采”。

據(jù)此，提出孤島工作面防沖安全開采論證流程，如圖1所示。

圖1 孤島工作面防沖安全開采論證流程Fig.1 Flow chart of safety mining demonstration for island coal panel

2 孤島工作面沖擊類型判定

基于孤島工作面發(fā)生沖擊地壓的部位，將其沖擊類型分為整體沖擊和局部沖擊。整體沖擊是指工作面煤壁和兩側(cè)回采巷道同時發(fā)生沖擊地壓，主要原因是兩側(cè)采空區(qū)側(cè)向支承壓力在工作面煤體上產(chǎn)生應(yīng)力疊加和集中，垂直應(yīng)力曲線呈鐘形，如圖2所示。局部沖擊是指工作面兩側(cè)回采巷道發(fā)生沖擊地壓，而工作面煤壁不發(fā)生沖擊地壓，主要原因是兩側(cè)采空區(qū)側(cè)向支承壓力只影響到鄰近采空區(qū)一側(cè)部分煤體，未在工作面煤體上產(chǎn)生應(yīng)力疊加，垂直應(yīng)力曲線呈馬鞍形，如圖3所示。因此，可依據(jù)工作面煤體沿傾斜方向的垂直應(yīng)力分布曲線形態(tài)判定孤島工作面沖擊類型。

圖2 整體沖擊型孤島工作面垂直應(yīng)力曲線形態(tài)Fig.2 Vertical stress curve shape of island coal panel with whole rock burst type

圖3 局部沖擊型孤島工作面垂直應(yīng)力曲線形態(tài)Fig.3 Vertical stress curves shape of island coal panel with local rock burst type

3 應(yīng)用示例

3.1 工程概況

陜西某礦3808工作面位于+770 m水平三采區(qū)，西側(cè)與3807、3805、3803工作面終采線之間留設(shè)寬度為6 m的煤柱，東側(cè)與2802、2803、2801工作面采空區(qū)之間留設(shè)寬度為6 m的煤柱；北側(cè)為礦井邊界保護(hù)煤柱，南側(cè)為礦井進(jìn)風(fēng)大巷保護(hù)煤柱，屬于典型的兩側(cè)沿空孤島工作面，如圖4所示。3808工作面走向長度為413 m，傾斜長度為160 m，回采煤層為4煤，厚度為11.5 m，傾角3°～10°，平均埋深317.6 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝，采煤機(jī)割煤高度3.5 m，放煤高度平均8 m。

圖4 3808工作面布置Fig.4 Layout of No.3808 working face

3.2 防沖安全開采論證必要性

1)4煤層沖擊地壓屬性論證。經(jīng)鑒定，4煤及其頂板具有弱沖擊傾向性，4煤底板無沖擊傾向性。經(jīng)評價，4煤沖擊地壓危險狀態(tài)等級評定為中等沖擊危險性。因此，4煤屬于沖擊地壓煤層，但不屬于嚴(yán)重沖擊地壓煤層。

2)沖擊地壓礦井屬性論證。該礦井只回采4煤，而4煤屬于沖擊地壓煤層，即該礦井屬于沖擊地壓礦井，但不屬于嚴(yán)重沖擊地壓礦井。因此，3808工作面具有防沖安全開采論證必要性。

3.3 孤島工作面沖擊類型判定

3808工作面西側(cè)3807、3805、3803工作面開采后形成的采空區(qū)長度為1 600 m，東側(cè)2802、2803、2801工作面開采后形成的采空區(qū)寬度為360 m，兩側(cè)都達(dá)到充分采動狀態(tài)。取巖層斷裂角80°，覆巖裂縫帶高度取5倍的煤層厚度，密度為2.5 t/m3，采用劉金海等[11]建立的模型，計算得到3808工作面一側(cè)采空區(qū)的側(cè)向支承壓力分布如圖5所示。

圖5 3808工作面一側(cè)采空區(qū)的側(cè)向支承壓力分布Fig.5 Lateral abutment pressure distribution of goaf on one side of No.3808 working face

圖6為3808工作面兩側(cè)采空區(qū)支承壓力分布。由圖6可知，兩側(cè)采空區(qū)側(cè)向支承壓力峰值未發(fā)生疊加，垂直應(yīng)力曲線呈馬鞍形。因此，3808工作面沖擊類型為局部沖擊。

圖6 3808工作面兩側(cè)采空區(qū)的側(cè)向支承壓力分布Fig.6 Lateral abutment pressure distribution of goafs on both sides of No.3808 working face

3.4 防沖工程量計算

1)3808工作面沖擊危險性評價。經(jīng)分析，3808工作面沖擊地壓影響因素主要有煤巖沖擊傾向性、煤層厚度變化、頂板厚硬巖層、頂板巖層結(jié)構(gòu)特征、斷層、巷道群、巷道底煤、采空區(qū)、覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動。采用綜合指數(shù)法評價得到，3808工作面沖擊地壓危險等級為“中等沖擊地壓危險”。

2)3808工作面沖擊危險區(qū)劃分。采用多因素耦合法劃分3808工作面掘進(jìn)期間和回采期間沖擊危險區(qū)，如圖7、圖8所示。

圖7 3808工作面掘進(jìn)期間沖擊危險區(qū)分布Fig.7 Distribution of rock burst danger area in No.3808 working face during driving

圖8 3808工作面回采期間沖擊危險區(qū)分布Fig.8 Distribution of rock burst danger area in No.3808 working face during mining

經(jīng)計算，掘進(jìn)期間中等沖擊危險區(qū)內(nèi)巷道長度為441 m，弱沖擊危險區(qū)內(nèi)巷道長度為862 m；回采期間中等沖擊危險區(qū)內(nèi)巷道長度為765 m，弱沖擊危險區(qū)內(nèi)巷道長度為400 m。

3)防沖工程量計算。掘進(jìn)期間，弱、中等沖擊危險區(qū)巷幫卸壓孔間距分別為3、2 m，鉆孔深度為25 m，需累計施工巷幫部卸壓鉆孔587個，工程量為14 675 m；巷道底板卸壓鉆孔布置方式為1排2孔，排距為2 m，孔深為2 m，工程量為2 330 m。因此，3808工作面掘進(jìn)期間卸壓鉆孔工程量為17 005 m。

回采期間只對沖擊地壓危險區(qū)危險程度升高的區(qū)域加密卸壓鉆孔，如掘進(jìn)期間的弱沖擊地壓危險區(qū)在回采期間變?yōu)橹械葲_擊地壓危險區(qū)，需在原卸壓鉆孔之間增加1個卸壓鉆孔，如掘進(jìn)期間的弱沖擊地壓危險區(qū)在回采期間變?yōu)閺?qiáng)沖擊地壓危險區(qū)，需在原卸壓鉆孔之間增加2個卸壓鉆孔，如掘進(jìn)期間的中等沖擊地壓危險區(qū)在回采期間變?yōu)閺?qiáng)沖擊地壓危險區(qū)，需在原卸壓鉆孔之間增加1個卸壓鉆孔。

對照圖7與圖8可知，沖擊地壓危險區(qū)危險程度增高的區(qū)域有初次來壓、見方、二次見方影響區(qū)及回風(fēng)巷側(cè)終采線外側(cè)煤柱區(qū)，即由掘進(jìn)期間的弱沖擊地壓危險增加到回采期間的中等沖擊地壓危險，巷道長度為450 m，回采期間需施工巷幫卸壓鉆孔150個，工程量為3 750 m。

3808工作面掘進(jìn)與回采期間巷幫卸壓鉆孔數(shù)量為737個，工程量為18 425 m，底板卸壓鉆孔數(shù)量為1 165個，工程量為2 330 m，累計工程量為20 755 m。

3.5 礦井防沖能力評估

1)防沖機(jī)構(gòu)與人員。礦井成立了沖擊地壓防治領(lǐng)導(dǎo)小組，設(shè)置了防沖副總工程師，設(shè)立了沖擊地壓防治辦公室，配備專職人員8人，其中工程技術(shù)人員超過4人，組建了30人的防沖隊。因此，礦井防沖機(jī)構(gòu)和人員符合《細(xì)則》要求，能夠滿足當(dāng)前礦井防沖工作的需要。

2)沖擊地壓監(jiān)測能力。礦井裝備了微震監(jiān)測系統(tǒng)，可滿足區(qū)域監(jiān)測要求；采煤工作面安裝了應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，采煤工作面液壓支架安裝了支架載荷監(jiān)測系統(tǒng)，同時采用鉆屑法作為輔助監(jiān)測和卸壓效果檢驗手段，滿足采煤工作面局部監(jiān)測要求。

掘進(jìn)工作面安裝了應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)和地音監(jiān)測系統(tǒng)、錨桿(索)受力監(jiān)測系統(tǒng)，同時采用鉆屑法作為輔助監(jiān)測和卸壓效果檢驗手段，滿足掘進(jìn)巷道“震動-應(yīng)力”監(jiān)測要求。

因此，礦井采用的監(jiān)測方法符合《細(xì)則》要求，能夠滿足當(dāng)前礦井沖擊地壓監(jiān)測需要。

3)卸壓施工能力。礦井配備卸壓鉆機(jī)9臺，氣動手持式鉆機(jī)10臺。2020年度計劃施工卸壓鉆孔55 750 m。按照每班1臺卸壓鉆機(jī)施工2個深度為25 m的卸壓鉆孔，6臺在用、3臺備用情況下，1年(取300 d)可施工深度為25 m的卸壓鉆孔10 800個，工程量為270 000 m。因此，卸壓鉆孔施工能力遠(yuǎn)大于卸壓鉆孔工程量。

根據(jù)3808工作面掘進(jìn)計劃，平均掘進(jìn)速度為8.2 m/d。若在中等沖擊危險區(qū)施工，卸壓鉆孔間距為2 m，則每天需施工4個卸壓鉆孔，配備1臺卸壓鉆機(jī)即可滿足。底板卸壓鉆孔工程量為2 330 m，折算為幫部卸壓鉆孔，則為94個，再加上設(shè)計幫部卸壓鉆孔587個，等于681個。按照巷道內(nèi)布置1臺卸壓鉆機(jī)，卸壓鉆孔施工周期為114 d，小于巷道掘進(jìn)工期181 d。

根據(jù)3808工作面回采計劃，2020年計劃回采時間為12月1日至12月31日，按日進(jìn)尺為3.2 m計算，則累計推進(jìn)距離為96 m。卸壓鉆孔需超前150 m完成，則卸壓鉆孔施工范圍246 m。若在中等沖擊地壓危險區(qū)施工，原卸壓鉆孔之間加密1個，即卸壓鉆孔間距為3 m，則工作面一側(cè)巷道需施工82個。按照巷道內(nèi)布置1臺卸壓鉆機(jī)，卸壓鉆孔施工周期為14 d，遠(yuǎn)小于工作面回采時間30 d。

可見，無論從卸壓鉆機(jī)施工能力還是施工周期來看，礦井具備完成3808工作面卸壓鉆孔施工的能力。通過對比可知，礦井防沖能力大于防沖工程量，判定該孤島工作面“可回采”。

4 結(jié) 論

1)孤島工作面防沖安全性論證步驟為：論證孤島工作面所屬礦井的沖擊地壓礦井屬性→論證“防沖安全開采論證”必要性→論證“孤島工作面沖擊類型”→論證“礦井防沖能力與孤島工作面防沖工程量之間的關(guān)系”。

2)孤島工作面沖擊類型判定的依據(jù)是工作面煤體傾向垂直應(yīng)力曲線形態(tài)，其中鐘形垂直應(yīng)力曲線代表孤島工作面沖擊類型為整體沖擊，馬鞍形垂直應(yīng)力曲線代表孤島工作面沖擊類型為局部沖擊。

3)嚴(yán)重沖擊地壓礦井的孤島工作面、具有強(qiáng)沖擊危險等級的孤島工作面、防沖工程量大于防沖能力的孤島工作面(簡稱“三類孤島工作面”)不建議開采。