工作面過(guò)集中煤柱壓架機(jī)理及防治技術(shù)

畢博韜

(神東煤炭集團(tuán) 石圪臺(tái)煤礦，陜西 榆林 719000)

1 工程概況

31201綜采工作面是石圪臺(tái)煤礦二盤(pán)區(qū)的首采工作面，工作面寬度311.4 m，走向推進(jìn)長(zhǎng)度1 865 m，主采31號(hào)煤，煤層平均厚度3.9 m。上覆基巖厚度48～120 m，埋深110～140 m。工作面布置了156架ZY18000/25/45D型掩護(hù)式液壓支架，支護(hù)強(qiáng)度為1.52 MPa。煤層直接頂為中粒砂巖和砂質(zhì)泥巖，平均厚度4.2 m，基本頂為中、細(xì)粒砂巖，平均厚度為12.3 m；直接底為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，平均厚度3.2 m。

31201工作面上部為2-2號(hào)煤層，已經(jīng)被小煤窯偷采，層間距平均34 m。根據(jù)現(xiàn)有資料，上覆存在多個(gè)采空區(qū)和多條集中煤柱，開(kāi)采不詳。工作面上覆采空區(qū)及煤柱賦存情況如圖1所示?；夭蛇^(guò)程中，通過(guò)其中一條集中煤柱時(shí)發(fā)生了切頂事故，在約20 s內(nèi)，工作面超過(guò)100架支架整體下沉，下沉量最大達(dá)到1.5 m，事故給礦井安全生產(chǎn)造成了極大損失。為了避免過(guò)集中煤柱期間給礦井繼續(xù)造成損失，特對(duì)工作面過(guò)集中煤柱礦壓機(jī)理進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的防治措施。

2 工作面過(guò)集中煤柱壓架機(jī)理分析

工作面進(jìn)入上覆集中煤柱時(shí)，頂板移動(dòng)特征如圖2所示，隨著工作面的回采，31煤層的基本頂巖塊V破斷、回轉(zhuǎn)、垮落，引起上覆集中煤柱發(fā)生破壞，進(jìn)而造成集中煤柱上方形成的穩(wěn)定頂板巖塊III發(fā)生失穩(wěn)，如果基本頂巖塊III的垮落與31煤層基本頂巖塊V的垮落重合，即2號(hào)煤層的基本頂同時(shí)失穩(wěn)作用于31煤工作面，形成強(qiáng)烈的沖擊，造成工作面壓架。

圖1 31201工作面上覆采空區(qū)及煤柱賦存情況

圖2 工作面進(jìn)集中煤柱時(shí)頂板移動(dòng)特征

工作面出上覆集中煤柱時(shí)，頂板移動(dòng)特征如圖3所示，隨著工作面繼續(xù)回采，31煤層基本頂巖塊V就會(huì)隨著回采開(kāi)始破斷、回轉(zhuǎn)，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)影響到上覆集中煤柱的穩(wěn)定性，當(dāng)集中煤柱破壞失穩(wěn)時(shí)，其上方形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的I、II巖塊發(fā)生失穩(wěn)，對(duì)下31煤層工作面產(chǎn)生沖擊作用，集中煤柱越寬，其控制的頂板巖層面積越大，形成的沖擊壓力越強(qiáng)，當(dāng)兩煤層基本頂同時(shí)失穩(wěn)作用于31煤工作面時(shí)，往往會(huì)引發(fā)壓架事故。

圖3 工作面出集中煤柱時(shí)頂板移動(dòng)特征

3 過(guò)集中煤柱綜合防治技術(shù)

根據(jù)集中煤柱壓架機(jī)理分析，結(jié)合工作面上覆集中煤柱的具體情況，通過(guò)提前實(shí)施爆破、縮短工作面長(zhǎng)度并輔以放緩生產(chǎn)組織、合理避壓等措施來(lái)防治過(guò)集中煤柱期間壓架事故。

3.1 煤柱爆破技術(shù)

從地表采用提前預(yù)裂爆破集中煤柱，對(duì)煤柱提前進(jìn)行弱化失穩(wěn)處理，對(duì)煤柱及其周?chē)敯逄崆斑M(jìn)行爆破卸壓，使煤柱及其控制的頂板巖層提前破壞、垮落，減弱工作面過(guò)集中煤柱期間頂板巖層對(duì)工作面造成的沖擊。

由地表向集中煤柱及周邊巖層進(jìn)行鉆孔、裝藥、爆破。爆破設(shè)計(jì)如圖4所示，根據(jù)相關(guān)爆破理論[1-2]，計(jì)算得出煤柱鉆孔孔深76 m，裝藥長(zhǎng)度16 m，單孔藥量560 kg；周邊巖層爆破孔距離煤柱鉆孔間距15 m，裝藥長(zhǎng)度10 m，單孔裝藥量350 kg。所有炸藥均選用乳化炸藥。

圖4 爆破設(shè)計(jì)示意(m)

3.2 縮短工作面長(zhǎng)度

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果可知[3-5]，工作面長(zhǎng)度與周期來(lái)壓強(qiáng)弱呈正比，工作面長(zhǎng)度越長(zhǎng)，來(lái)壓強(qiáng)度越強(qiáng)，反之來(lái)壓強(qiáng)度越弱。為了緩解工作面來(lái)壓強(qiáng)度，在31202工作面設(shè)計(jì)時(shí)將原計(jì)劃367 m縮短到180 m，最大限度地縮短工作面長(zhǎng)度，降低了覆巖運(yùn)動(dòng)破壞范圍和影響程度。

3.3 控制推進(jìn)速度

控制工作面推進(jìn)速度，若工作面推進(jìn)速度較快，基本頂懸頂較大，頂板斷裂釋放的彈性能增大。而減緩工作面推進(jìn)速度，一方面可以降低儲(chǔ)存在巖層中的彈性能；另一方面可以使集中煤柱提前失穩(wěn)，由于失穩(wěn)的位置處于工作面前方實(shí)體煤，因此對(duì)工作面的影響將大大減弱。

3.4 合理避壓

現(xiàn)場(chǎng)采取避壓、讓壓措施，在通過(guò)煤柱過(guò)程中要密切關(guān)注工作面壓力情況，當(dāng)工作面礦壓征兆明顯(工作面片幫、漏矸嚴(yán)重，煤壁變酥軟，個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)淋水等)，采取停機(jī)避壓措施，待工作面頂板周期來(lái)壓結(jié)束后或礦壓得到一定程度釋放后再推進(jìn)，此時(shí)上覆集中煤柱上覆穩(wěn)定的巖層發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)、失穩(wěn)，工作面基本頂提前斷裂，可大大降低發(fā)生動(dòng)載礦壓的概率。

4 工程實(shí)踐

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)31202工作面進(jìn)行縮面處理，工作面由原來(lái)367 m縮短到了180 m，配備相同型號(hào)的支架，在通過(guò)上覆集中煤柱時(shí)，壓力明顯下降，壓力峰值集中在12 500～14 000 kN，遠(yuǎn)低于31201工作面壓力峰值(超過(guò)工作阻力)，來(lái)壓期間動(dòng)載系數(shù)為1.37，片幫深度僅為300～400 mm，來(lái)壓期間安全閥開(kāi)啟率僅為40%，立柱未見(jiàn)明顯下沉，整個(gè)工作面回采期間并未發(fā)生強(qiáng)烈來(lái)壓而造成的壓架事故。

考慮到經(jīng)濟(jì)效益等因素，在31203工作面設(shè)計(jì)時(shí)，并未縮短工作面長(zhǎng)度，而是對(duì)煤柱進(jìn)行爆破處理。爆破前后礦壓對(duì)比如圖5所示。

圖5 工作面過(guò)煤柱期間集中煤柱爆破前后礦壓特征

從圖中可以明顯看出，實(shí)施爆破后，過(guò)煤柱期間礦壓強(qiáng)度明顯下降。實(shí)施爆破后過(guò)煤柱期間之周期來(lái)壓平均工作阻力為15 578 kN，是未實(shí)施爆破時(shí)的0.85。實(shí)施爆破后，現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)也明顯減輕，來(lái)壓期間局部安全閥開(kāi)啟，片幫范圍縮小，片幫深度為400～500 mm，立柱下沉量?jī)H為300～500 mm。整個(gè)過(guò)煤柱期間并未出現(xiàn)立柱瞬間下沉現(xiàn)象，安全閥噴射現(xiàn)象。說(shuō)明提前爆破煤柱對(duì)于有效防治壓架效果明顯。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 以石圪臺(tái)煤礦31201工作面壓架事故為背景，通過(guò)理論分析，得出了工作面進(jìn)上覆集中煤柱和出集中煤柱時(shí)的覆巖移動(dòng)特點(diǎn)，說(shuō)明了過(guò)煤柱期間壓架機(jī)理。

2) 在壓架機(jī)理分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了提前實(shí)施爆破、縮短工作面長(zhǎng)度并輔以放緩生產(chǎn)組織、合理避壓等措施來(lái)防治過(guò)集中煤柱期間壓架事故。

3) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采用爆破煤柱、縮短工作面長(zhǎng)度等措施，過(guò)集中煤柱期間壓力明顯減弱，有效避免了壓架事故的發(fā)生。