南山煤矿“三侧采空”孤岛型冲击地压防治实践

连鸿全

（黑龙江龙煤鹤岗矿业有限责任公司，黑龙江 鹤岗 154100）

1 工程概况

1.1 工作面概况

黑龙江龙煤鹤岗矿业公司南山煤矿盆底区南翼15 层三分段，工作面采用走向长壁综合机械化放顶煤采煤法，工作面采深500m，走向163m，面长90m，采高（煤厚）10m，可采储量19.7 万t。本区煤层赋存稳定，平均倾角为10°。15 层煤老顶为15.4m 粗砂岩和17.2m 灰白色细砂岩，煤层直接顶为3.0m 的中砂岩，底板为0.8～14m 的灰白色细砂岩。综合柱状图如图1 所示。

图1 综合柱状图

1.2 邻区、邻层对照

南翼15 层三分段溜子道下区段盆底区南翼15层二分段综放面2008 年5 月30 日已开采完，区段煤柱8m；回风道上区段北五外区15 层综放面2007年9 月7 日开采完，区段煤柱最近处10m；停采线邻区盆底区北翼15 层三分段综放面2010 年6 月15日开采完，区段煤柱35m（距本面设计停采线）。工作面构成“孤岛”开采。

本区上覆13 层，距本煤层60m 左右，因煤层夹矸较多，而且煤层较薄，未开采；下伏15-3 层为0～30m 左右，尚未开采。

1.3 地质构造情况

本区构造比较简单，切眼处邻近f1、f2、f3、南1 正断层，走向N27° W、N32° W、N19°W、N10°W，倾角58°、45°、51°、45°，落差3.0m、8.0m、3.5m、50～200m。巷道实践证明，断层面平直、光滑，断层擦痕明显，断层两盘岩石较完整，有明显的引捩现象。如表1 所示。

表1 断层情况表

1.4 事故概况

（1）2013 年1 月18 日20 时58 分，盆底区南翼15 层三分段综放面（平均推进112.5m，自2012年“12.7”位置推进34m）两巷发生冲击地压。震源位于工作面前方120m 盆底区北翼三分段空区底板（与煤层标高差80m），震动能量5.78×106J，震级2.61 级。

此次冲击造成机道设计停采线附近25m 范围巷道碹皮开裂、震落，两帮移近、巷道底鼓均在0.5m左右，距停采线15m 处巷道压缩至宽1.6m，高1.3m，断面将近2.0m2，超前支护单体折断4 根，工作面机道第一台溜子压顶子压弯，附近有1 根单体弯曲变形；工作面片帮货堆满溜子；风道超前20m 范围巷道碹皮多处开裂，巷道底鼓在0.3m 左右。受冲击波影响，当班瓦检员轻伤。

（2）盆 底 区 南 翼15 层 三 分 段2013 年1 月18 日发生冲击后，于1 月19 日下午恢复生产，至2013 年1 月22 日中午12 时工作面推进3m，风道超前10 ～30m，又发生冲击。震源位于工作面前方62m 风道上帮36m 底板（与巷道标高差102m），震动能量5.04×105J，震级2.05 级。

破坏情况：此次冲击造成工作面风道超前10～30m 范围两帮移近0.5m，巷道底鼓均在0.5～1.0m（冲击后巷道高度1.2～1.3m，宽度1.2～1.4m）。受冲击波影响风道2 名人员轻伤。

2 “三侧采空”孤岛型冲击地压发生机理

（1）下区段盆底区南翼15层二分段采空区；（2）上区段北五外区15 层采空区；（3）盆底区北翼15层三分段采空区。南翼15 层三分段面长90m，走向长度163m，老顶厚度由下至上分别为15.4m 和17.5m，覆岩分层岩板厚度h 与板面的长度b 之比为1/5.1 和1/5.8，位于1/100～1/5 之间，满足了弹性薄板的假设条件，同时，顶板的挠度也普遍小于煤层采高，这也符合薄板小挠度理论的前提。

“三侧采空”孤岛面为三侧采空状态，随着工作面从开切眼开始不断推进，逐步演变为四侧采空状态，采场覆岩顶板也逐渐形成一个短边不变、长边不断增大的矩形岩板。在四面采空的孤岛工作面坚硬顶板初次垮落前，由于顶板悬露长度较大，初次垮落步距大于工作面长度的一半。在工作面见方来压时，顶板的中心弯矩达到最大值，从而使孤岛工作面的支承压力和影响范围也会达到最大。当厚层坚硬顶板下部的拉应力超过极限强度后将发生突变，随着坚硬顶板的突然破断而造成工作面围岩大范围的强烈矿压显现，从而发生工作面煤岩失稳，导致冲击地压事故。

“三侧采空”孤岛开采构成了冲击地压发生的主控因素，盆底区构造应力场、盆底区北翼15 层二分段综放面采动影响构成了冲击地压发生的辅助因素。三者叠加形成的应力场构成了冲击地压发生的主要“力源”。

南山煤矿南翼15 层三分段综放面在盆底区，盆底区内煤层发育为一短轴向斜，向斜轴向NE，煤层倾角10 ～15°。向斜构造轴部的煤（岩）体处于高应力环境下，积聚了大量弹性能，接近极限平衡状态。从向斜的两翼至其轴部，煤（岩）体逐步从低应力区向高应力区转化，应力和变形模量以同数量级或更高的比例增长。开采扰动时，破坏了平衡状态，易于发生冲击地压灾害。

3 “三侧采空”孤岛型冲击地压局部解危技术

3.1 “三侧采空”孤岛型冲击地压局部解危思路

“三侧采空”孤岛型冲击地压本质上也是坚硬顶板导致的冲击地压，因此其局部解危的思路与坚硬顶板型冲击地压较为相似。但由于其四周采空区面积的增大，导致了坚硬顶板的影响程度更大，因此对于坚硬顶板处理的力度要更大。

3.2 “三侧采空”孤岛型冲击地压局部解危原理

通过“三侧采空”孤岛型冲击地压发生机理的分析，“三侧采空”孤岛开采构成了冲击地压发生的主控因素，盆底区构造应力场、盆底区北翼15 层二分段综放面采动影响构成了冲击地压发生的辅助因素。其中，“三侧采空”孤岛开采作为主控因素，导致应力的升高本质上是由于坚硬顶板，工作面面长越大，随着采动悬露顶板面积越大，应力越集中。由此可知“三侧采空”孤岛型冲击地压局部解危原理是通过采取措施弱化顶板，将悬露的顶板面积减小。

3.3 “三侧采空”孤岛型冲击地压局部治理措施

3.3.1 顶板深孔爆破及注水软化卸压

（1）回风道倾向低位断顶

沿走向方向每隔15m 施工注水软化钻孔和顶板爆破钻孔各1 个，孔径75mm。注水软化钻孔方位为垂直下帮，倾角为14°，孔深35m；预裂爆破钻孔方位为沿煤层走向，倾角为30°，孔深33m。如图2 所示。

图2 回风道低位断顶剖面图

（2）溜子道走向低位断顶

沿走向方向每15m 施工1 组顶板预裂爆破孔，每组包括2 个炮孔，孔径75mm。方位分别为垂直巷道下帮和沿巷道走向，开孔位置在巷道中心线上，孔深分别33m 和20m，倾角30°和32°。如图3所示。

图3 溜子道低位断顶沿走向剖面图

（3）爆破材料设计及制作

① 炸药

采用三级煤矿许用乳化炸药，药卷规格为Φ60×650mm，（长度及重量均以实际为准）；炸药均采用防静电坚硬塑料外壳包装，各药卷间可通过螺纹段连接。

② 雷管

煤矿许用8#普通瞬发电雷管（或同段位）。

③ 导爆索

煤 矿 许 用 导 爆 索，100m/ 卷， 规 格 为Φ6.5±0.3mm，爆速≥6000m/s。根据爆破设计深度，每卷导爆索供2 孔使用。

（4）施工注意事项

① 钻孔至设计深度后，停钻不停水2min，将钻孔冲洗干净，以便于装药和封孔。

② 为防止发生拒爆现象，将导爆索穿过所有药卷，封孔时一次推炮泥不能大于50cm。黄泥要充填密实，但封堵炮泥时不得损伤导爆索。

③ 为避免爆破诱发冲击伤人，在满足“躲炮距离不得小于300m，躲炮时间不得少于30min”的前提下，爆破期间人员全部撤出工作面。

④ 为防止意外冲孔破坏瓦斯管路，在放炮前，应将孔口附近瓦斯抽放管临时拆除或特殊保护，并加强巷道临时支护。

⑤ 炮眼采用不耦合方式装药，采用双雷管、双导爆索引爆，水泡泥消焰，每一根导爆索均采用煤矿许用8#雷管起爆，2 个雷管在孔外采用并联连接。

3.3.2 煤层大直径钻孔常规卸压

对工作面机道和风道的回采帮一侧煤体卸压，另外根据钻屑法监测，当工作面出现冲击危险时，对工作面进行卸压处理。如图4 所示。具体参数为：

图4 工作面回采巷道帮部大直径钻孔卸压方案

（1）卸压钻孔孔深：不小于20m。

（2）卸压钻孔间距：1.0m。

（3）卸压钻孔直径：Φ133mm。

（4）卸压孔方位及倾角：卸压孔均垂直于巷道帮煤壁。

（5）卸压钻孔封孔要求：封孔长度不小于2m。

（6）卸压孔实施范围及顺序：施工范围为工作面两条顺槽，并根据实际情况采取多轮卸压方式。

3.3.3 煤层爆破强化卸压

在监测到冲击危险时，如采用大直径卸压效果不明显时，可结合煤层实施爆破卸压措施进行解危。

巷道帮部进行爆破卸压时，炮孔距离巷道底 板1.0～1.5m，平行煤层倾向，孔深20m，直径45mm，孔间距3m，也可利用钻屑监测孔进行爆破。采用正向装药，封孔长度不低于5m，一孔一放。爆破顺序从里向外进行。

炮眼布置方式：单排布置，间距3m，距底板1.2m，爆破孔深度20m，如图5 所示。

图5 工作面煤层卸压爆破炮孔位置图

卸压爆破参数：采用正向连续装药，每孔最低装药量5kg 起，根据情况逐步增加药量，装药长度增加至15m。特制瞬发长引线电雷管2 发，封孔长度不少于5.0m。孔内并联方式起爆，一次爆破一个卸压孔。

4 防治效果

通过对盆底区南翼15 层三分段进行有效的卸压解危，回采过程中自发微震事件频次大幅降低，释放能量减少，且微震事件分散，不存在集中破裂区与能量集中释放区，大能量震动发生概率降低，且远离回采工作面，大幅降低了回采期间的冲击危险，顺利地完成了回采，保证了人员及设备的安全，为孤岛工作面冲击地压防治积累了经验。