近距離煤層煤柱及采空區(qū)下綜采工作面礦壓規(guī)律研究

朱云龍

摘 要：對淺埋近距離綜采工作面過上覆房采采空區(qū)和集中煤柱時易發(fā)生動壓事故，并導(dǎo)致大面積切頂壓架事故的問題，該煤層開采引起覆巖變形破壞、巖體彈性能聚集造成沖擊式來壓和壓架機理、地表移動規(guī)律和井下礦壓規(guī)律關(guān)系等進行了研究，針對性地采取了殘留煤柱爆破放頂卸壓、地面鉆孔注砂充填煤房和合理控制采高等控制和預(yù)防措施，實現(xiàn)了工作面的安全高效生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：煤層；房柱式采空區(qū)；事故

隨著我國煤礦開采深度的逐漸增加，許多礦井上部煤層已開采殆盡，面臨著上下層開采問題。當(dāng)煤層間距較小時，上部煤層的采動會對下煤層頂板造成一定范圍的損傷影響，導(dǎo)致下煤層工作面在上部采空區(qū)和遺留煤柱的影響區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中、礦壓顯現(xiàn)劇烈等情況，影響了下煤層的生產(chǎn)安全。頂板不易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，基本頂破斷運動有可能直接波及地表，工作面出現(xiàn)明顯動載現(xiàn)象；頂板破斷易于出現(xiàn)臺階下沉，嚴(yán)重時有可能造成壓架事故；上覆煤層的殘留煤柱形成較大的應(yīng)力集中，可能突然失穩(wěn)，或造成沖擊式來壓，對下部近距離煤層綜采頂板管理造成安全隱患。本文采用相似材料模擬、數(shù)值模擬、現(xiàn)場井上下實測方法，以該煤礦煤層首采長壁綜采工作面為研究對象，研究下部煤層綜采工作面開采后頂板的垮落特征、上部煤層殘留煤柱的破壞規(guī)律以及對下層煤工作面的影響等，為房柱式采空區(qū)下近距離煤層綜采工作面頂板控制和支護參數(shù)的合理確定提供依據(jù)。

一、煤層開采模擬試驗

本試驗采用平面模型，模型模擬試驗表明：當(dāng)工作面推進38.4 m時，層間巖層下分層突然發(fā)生離層垮落，離層面范圍為33.6 m，工作面繼續(xù)推進，層間巖層基本在架后隨采隨冒，煤層煤柱與層間巖層一起垮落充填采空區(qū)。當(dāng)工作面推至67.2 m 時，基本頂離層并下沉，直接作用煤柱上，形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，垮落層厚達8m，為工作面初次來壓。工作面初采期間，頂板的周期來壓步距、強度較大。工作面正常推進期間，上覆巖層依次周期性下沉，周期來壓平均步距10m，當(dāng)支架支撐力小時，有出現(xiàn)臺階下沉現(xiàn)象?；卷斂迓浜芸觳暗乇恚孛娉尸F(xiàn)整體下沉。煤柱破壞失穩(wěn)造成沖擊式來壓和壓架機理近距離煤層房柱式采空區(qū)下長壁綜采，存在的主要安全隱患：上方煤柱支撐應(yīng)力對下層煤工作面及回采巷道形成較大的應(yīng)力集中；受采空區(qū)、煤柱的影響，煤柱支承應(yīng)力與頂板運動垮落形成疊加，失穩(wěn)突然，造成頂板局部突然切頂冒落；應(yīng)力集中引起大面積煤柱失去支撐能力，引發(fā)沖擊礦壓?；趯γ褐装迥芰糠植家?guī)律進行理論分析和數(shù)值計算研究。以巖體彈性能作為研究對象，巖體的彈性能可用形狀變形能Ef和體積變形能EV 表示，假設(shè)應(yīng)力超過巖體的強度極限取決于形狀改變聚集的能量Ef，則動力沖擊的初始動能取決于巖體的體積改變聚集的能量EV。形狀變形能Ef和體積變形能EV計算公式為：

現(xiàn)場實測表明：在工作面推進過程中，局部小范圍支架在頂板來壓前后短時間內(nèi)應(yīng)力驟增，活柱下縮量增大，出現(xiàn)滿載現(xiàn)象，造成支架被壓死，移架極為困難。在工作面回風(fēng)巷道上方煤柱上的應(yīng)力集中，造成壓垮巷道頂板，發(fā)生切頂冒落事故，冒落長度達40m，頂板周期來壓破斷在煤柱的邊緣，且煤柱正好位于支架上方，由于周期來壓強度本來很大，再加之煤柱的集中應(yīng)力使得煤層頂板直接切落，造成支架被壓死，應(yīng)進一步弄清上方煤柱與下層煤工作面之間的位置關(guān)系，在頂板來壓前采取相應(yīng)的防范措施。

二、首采綜采工作面控制頂板的技術(shù)措施和礦壓規(guī)律觀測

1、首采綜采工作面控制頂板的技術(shù)措施。根據(jù)相似材料試驗和數(shù)值模擬研究結(jié)論，煤層首采綜采工作面開切眼上方 房柱式采空區(qū)采取了如下措施：

在上方煤柱風(fēng)化嚴(yán)重區(qū)域，有發(fā)生突然沖擊式大面積破壞的可能性，為保證頂板初次來壓期間的頂板控制，在確保進入房柱式采空區(qū)實施爆破作業(yè)安全的前提下，在工作面初采前，沿工作面推進方向20～30 m 范圍內(nèi)的煤層遺留煤柱進行爆破，放頂卸壓，以防止工作面初放期間煤柱突然失穩(wěn)造成頂板沖擊式來壓。

2、首采綜采工作面地表移動規(guī)律實測。煤層首采綜采工作面開采引起地表移動和下沉具有以下特點：

（1）由于煤層遺留煤柱風(fēng)化嚴(yán)重，許多煤柱已經(jīng)失去支撐能力，在爆破放頂后造成頂板大面積垮落，地面形成長220 m、寬100 m 塌陷區(qū)，爆破取得了很好的卸壓效果。

（2）在正常推進階段，地表裂縫一般要經(jīng)過以下階段：首先在工作面前方20～30 m 出現(xiàn)一系列裂紋，裂紋方向基本與工作面平行；隨著工作面推進約為1 個周期來壓步距，地表出現(xiàn)迅速的臺階下沉，最大下沉量接近1 m；隨著工作面繼續(xù)推進，臺階落差逐漸減小，地面裂縫自行閉合。從地表裂縫發(fā)育的超前范圍來看，煤柱及頂板隨下層開采及時垮落，沒出現(xiàn)大面積懸頂，房柱采空區(qū)出現(xiàn)“多米諾骨牌”式大范圍的瞬間破壞的可能性比較小。

結(jié)束語

（1）采用彈性能理論分析了頂板巖層大面積來壓的可能性，在下層煤綜采工作面初次來壓之前，上覆載荷直接作用于工作面前方煤壁和采空區(qū)后方煤壁，超前支承應(yīng)力和采空區(qū)后方支承應(yīng)力使得頂板巖層積聚了大量的彈性能。由于應(yīng)力集中系數(shù)較大，彈性能呈二次方的速度增加，彈性能的驟增會導(dǎo)致工作面切頂，造成壓架事故。在工作面兩巷超前應(yīng)力影響區(qū)域易出現(xiàn)上方的煤柱上的集中動壓壓垮巷道頂板事故。在確保進入房柱式采空區(qū)安全的條件下，可采取采前爆破上層煤煤柱放頂或注砂充填房柱式采空區(qū)等防范措施。

（2）地面觀測結(jié)果表明，在綜采工作面推進過程中，首先在工作面前方20～ 30m 出現(xiàn)一系列裂紋，裂紋方向基本與工作面平行；隨著工作面推進約為1個周期來壓步距出現(xiàn)迅速的地表臺階下沉，下沉量最大接近1m；最后隨著工作面繼續(xù)推進，臺階落差逐漸減小，地面裂縫自行閉合。通過對地表移動變形觀測和綜采工作面礦壓規(guī)律觀測對比分析可知，之間存在明顯的互動關(guān)系，可有效推斷工作面來壓步距和是否存在大面積懸頂現(xiàn)象。

參考文獻

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