深井突围：X水河煤矿101盘区孤岛工作面的科学开采实践

引言：孤岛开采的技术挑战与战略价值

在X水河煤矿101盘区，一块被采空区三面环绕的煤柱形成典型的“孤岛工作面”。依据《防治煤矿冲击地压细则》第37条，对该类工作面必须进行冲击危险性评价并通过专家论证后方可开采。

中国矿业大学采矿工程研究团队受托对101盘区大巷煤柱工作面开展开采设计与安全技术研究。本项目不仅是一份价值74万元的技术服务，更是对孤岛工作面安全高效开采技术路线的重要探索。

图1：采空区-煤柱-工作面空间关系示意

项目概况与技术路线

地质背景与工程难点

101盘区埋深约650-750m，煤层厚度约4.5m，倾角8-15°。三面采空导致应力集中显著；初测显示最大水平主应力为垂直应力的1.6-1.8倍。难点在于复杂应力分布、推进过程的应力演化、以及传统工艺下的动力灾害诱发风险。

图2：煤层与构造背景

图3：应力集中区识别

整体技术路线设计

采用“评价-设计-监测-调控”一体化路线：先测试与勘探厘清地应力与力学参数，再以数值模拟与理论分析预测推进过程中的应力演化，据此完成工艺设计与防冲措施，并通过综合监测实现全过程风险管控。

工作面开采设计的创新思考

开采布置与设备选型

多轮模拟表明工作面长度＞200m时中部应力集中系数可达2.5以上；将面长控制在150-180m可将集中系数控制在2.0以下。支架方面，选择工作阻力10000kN的强力液压支架，并配套“基本-加强-应急”三级支护体系。

图4：强力支架与分区布置

图5：切顶卸压参数与时序

回采工艺的优化

提出“慢推快过”策略：常规区匀速推进，应力集中区降速，跨空巷/构造区快速通过；通风采用“两进一回”的偏W型，排水采用多级排水方案，兼顾效率与安全。

冲击危险性评价方法与技术创新

多尺度综合评价体系

综合地质因素（冲击倾向性、顶底板岩性、构造）、开采技术因素（采深、采厚、布置）与应力环境因素，形成多尺度综合评价体系。

数值模拟与应力区划

基于FLAC3D、RFPA模拟，推进至中部时应力集中达峰值，集中系数最高约2.8；据此将工作面划分为低/中/高危险区并制定分区防冲策略。

图6：模拟与监测布置示意

防冲专项措施

以大直径钻孔卸压为主、深孔爆破为辅：在应力集中区布置直径150mm、深度20m的钻孔形成初始卸压带；按监测结果必要时实施深孔爆破强化卸压。切顶卸压参数：切顶高度为采高2.0-2.5倍、角度60-70°、深度15-20m，并采用基于微震的时序控制。

综合监测方案与预警系统

构建微震、应力、变形三维一体监测体系：微震16探头覆盖工作面与周边；应力监测采用光纤光栅；变形监测结合全站仪与测斜仪。监测数据经工业以太网实时上传，超阈值触发预警与应急提示。

图7：多参量监测系统组成

图8：现场测量与参数校核

空巷治理与支护技术创新

对老巷治理比较充填加固、矸石充填、加强支护三方案，最终采用“主要影响区高水材料充填 + 次要区域矸石充填并加强支护”的分段治理策略，兼顾效果与成本。

图9：空巷充填与加强支护组合策略

项目实施与效果评价

项目历时约8个月：勘探与测试—模拟与设计—实施与监测。实施中通过补充勘探、模型校核与方案优化确保进度与质量。

理论创新与技术启示

提出“应力引导-能量释放”的孤岛工作面应力控制理论：通过人工干预引导应力迁移，并以卸压促进能量缓释，避免突发释放引发动力灾害。

结论与展望

本项目验证了孤岛工作面可在科学设计与有效防控下实现安全高效回收。后续研究建议聚焦更深部条件下的应力控制、复杂地质环境的适应性评估、以及基于大数据与AI的智能预警技术，推动安全绿色高效开采。

中国矿业大学采矿工程研究院