陈旭 张振南 刘冬强

摘 要：近年来，中国煤炭开采行业多次发生煤矿孤岛工作面冲击地压事故，造成了一定人身伤害与经济损失，严重影响了我国煤炭业的安全生产。因此，孤岛工作面冲击地压防治技术已经成为了煤炭安全开采的重要研究课题，需要在原理上阐明孤岛采煤工作面产生冲击的原因和机制，为评估孤岛采煤工作面的可采性和安全性提供科学依据。本文总结了孤岛工作面产生的原因和机理，并积极探索研究了孤岛采煤工作面地压防治的技术。

关键词：孤岛采煤;工作面;冲击地压;防治技术

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.083

1 引言

自工业革命以来，煤炭作为地球上储量最大的化石能源一直作为人类最重要的能源支撑，而大量的煤炭开采，使得易采煤炭资源逐渐枯竭，煤矿正在进入孤岛工作面开采阶段。但对于孤岛采煤工作面的可采性和安全性在科学和工程学上还没有明确的评价标准和判断方法，因此导致频繁发生孤岛采煤工作面冲击地压事故的频繁发生，比如近几年在黑龙江、江苏、河南、山东、新疆和辽宁等煤矿都发生了此类事故，对煤炭的安全开采工作带来了较为严重的损害，给人民的生命财产安全造成了较大的损失。因此，国内外诸多煤炭开采专家均展开了对孤岛工作面冲击地压的产生原理、破坏形式、预测预防和处理方式等多方面的研究，并取得了一定的科研成果，但仍然无法完全对孤岛工作面冲击地压形成有效防治，主要原因是未能提出可靠有效的工作面冲击危险性识别方法，并建立行之有效的防治体系。本文对防冲的孤岛工作面冲击地压的产生机理进行了总结和阐述，对孤岛工作面冲击地压防治技术进行了总结、探索与研究。

2 孤岛工作面冲击地压的产生原因和机理

近年来，国内外很多专家学者对孤岛工作面冲击地压的产生原因和机理进行了大量的研究，主要取得以下理论成果：

（1）冲击地压主要有煤体压缩型、顶板断裂型和断层错动型三类。煤体压缩型冲击的发生原因是：当煤炭结构由平衡态过渡到非平衡态时，如果发生了外界扰动，导致煤岩结构失稳;顶板断层型冲击发生的原因是：强大的压力导致顶板产生微破裂，采动扰动使这种微破裂以雪崩扩展形态发生拉伸失稳;断层错动型发生的原因是：在煤岩断层区域，煤炭开采活动引发了断层活化错动，引发错动型冲击地压。

（2）冲击地压粘滑失稳冲击机制。在岩石滑动实验中表明，岩石摩擦滑动存在两种方式，分别为稳定性滑动和粘性滑动。稳定性滑动过程中能量的释放较为平缓，不会造成冲击。而粘性滑动通常伴随着突然的高能量释放，导致地压冲击形成。

（3）孤岛煤柱拉裂冲击机制。大量研究数据显示，在煤炭开采中，对孤岛煤柱的两侧产生水平方向的拉裂破坏，当煤柱破裂时，形成了新的增压区和减压区，顶底板作用使煤柱发生滑动失稳冲击，引发灾害。

（4）冲击地压能量平衡机制。这种理论认为冲击地压煤层有弹性区和能量平衡区两部分区域。在这两个区域的交界处是煤层顶底板发生冲击地压的危险区，在该区域受到采动影响后，极容易造成冲击地压灾害。

（5）复合厚煤层冲震机理。该理论认为煤矿中厚岩层的水平应力突变造成了矿震，而矿震导致岩层垂直应力突变，最终引发了冲击地压。

（6）岩层能态转化理论。该理论认为冲击地压是煤岩体系统由稳定积蓄能量态向非稳定态释放能量的非线性动力学过程。

3 工作面冲击地压防治技术的研究

在孤岛采煤工作面冲击地压防治技术方面，根据煤炭开采的不同阶段，主要分为两个方面：分别为孤岛工作面未形成阶段和孤岛工作面开采阶段两部分。

3.1 孤岛工作面未形成阶段冲击地压防治技术

在采煤工作面设计时，针对开采条件较好的煤矿，应尽量利用科学的开采设计来避免孤岛工作面的形成。首先应尽量采取顺序开采，避免孤岛工作面的形成;在工作面之间尽量不留煤柱，或留取窄煤柱，特别要避免高应力孤岛煤柱的形成;工作面尽量不要向采空区推进，避免两个工作面相向推进;大群煤层开采时，要首先开采保护煤层，使相邻煤柱不受影响;构造区影响区域，应利用背向构造开采方式，以避免孤岛工作面的形成。

3.2 孤岛工作面开采阶段冲击地压防治技术

在煤矿开采的后期，受地质条件影响和开采技术的制约，无法避免的要形成孤岛工作面开采。开采过程中主要的冲击地压防治技术有以下几种：

（1）钻孔泄压技术。利用大直径钻孔泄压能有效缓解和消除地压冲击。大直径钻孔能破坏开采巷道围岩结构，形成弱化带，使高应力向巷道深处转移，降低了巷道周边的围岩应力。在冲击地压发生时，冲出的煤粉能被钻孔空间充分吸收，防止煤体大量涌出。同时，泄压区会形成楔形阻力带，能有效防止煤体的大量冲出。利用钻孔泄压技术对煤层扰动小，不会引发冲击地压，是防治孤岛工作面地压冲击的有效技术手段。

（2）注水泄压技术。在开采煤层中注水既能起到防尘功能，还能改变煤层的力学特性，使煤层的应力状态和冲击倾向性降低。此外，充足的水分能使煤体软化，起到降低煤层压力的作用。

（3）爆破泄压技术。利用炸药爆破能量使煤体产生大量裂缝，从而改变煤层整体的力学特性，降低局部区域的高应力。但爆破泄压技术也具有一定的风险性。由于爆破能量较大，对煤层的扰动力大，有可能诱发冲击地压。此外，爆破会破巷道，所以一般情况下并不轻易使用爆破泄压技术。

（4）断低/顶技术。冲击地压的产生和煤岩结构有着密切关系，特别是煤岩底部或顶部岩层有很好的储能条件时，更容易发生冲击地压。在这种地址条件下，应截断岩层顶板或底板，降低其储能性能，会有效降低冲击地压发生的风险。

（5）预警监测技术。预警监测技术对孤岛工作面冲击地压防治也起到了积极有效的作用，主要的技术包括钻屑监测、应力监测、地因监测、辐射监测、震动监测等手段。预警系统通过对孤岛工作面的实时监测，及时反馈各种风險因素，能有效防止冲击地压的产生。

4 结论

由于易采煤炭的大量开采，煤炭的开采难度也在日益增加，不可避免的将要形成孤岛采煤工作面，近年来发生的煤炭安全事故与孤岛采煤工作面冲击地压息息相关，本文针对孤岛采煤工作面冲击地压产生的原因和机理进行总结和分析，提出了几种防治冲击地压形成的方法和技术手段，以期为我国煤矿安全开采要求提供较为科学的理论支撑。

参考文献：

[1]姜福兴，王平，冯增强.复合型厚煤层“震-冲”型动力灾害机理、预测与控制[J].煤炭学报，2009，34（12）：1605-1609.