綜放小煤柱工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

馬國英

(同煤大唐塔山煤礦有限公司，山西 大同 037000)

我國多數(shù)礦井在建井初期往往采用跳采方式，形成孤島工作面與邊角殘余煤體，導(dǎo)致工作面在回采過程中上覆巖層應(yīng)力集中度高，對工作面持續(xù)安全、高效開采造成較大影響[1-2]。

小煤柱綜放孤島工作面開采礦山壓力理論研究方面尚處于基礎(chǔ)階段，只是利用現(xiàn)有的綜放采場礦山壓力理論進(jìn)行相關(guān)問題的分析和解釋[3-6]。本文以同煤大唐塔山煤礦8204-2 工作面為工程背景，通過分析工作面回采期間強(qiáng)礦壓主控因素和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，從中掌握小煤柱綜放孤島工作面回采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和特征，為后續(xù)類似小煤柱綜放工作面回采礦壓控制和支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 工作面概況

8204-2 工作面位于井田的東南部、二盤區(qū)的東北部，東鄰8202 采空區(qū)，西南為8204 采空區(qū)，西北部為F13810 斷層，東南部為二盤區(qū)回風(fēng)巷。工作面開采煤層為3～5#層，煤層平均厚度15.21m，煤層傾角1～5°，地面標(biāo)高1471.4～1573.2m，工作面標(biāo)高979～1032m，可采走向長1600m，傾向146～209m，采用綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)。

2 強(qiáng)礦壓危險因素分析

針對8204-2 工作面特殊地質(zhì)賦存條件，分別從地質(zhì)和開采技術(shù)因素兩方面對各主控影響因素進(jìn)行危險性分析。

2.1 地質(zhì)影響因素分析

（1）地質(zhì)構(gòu)造。工作面兩順槽巷在掘進(jìn)過程中共揭露正斷層21 條。其中2204-2 巷揭露14 條正斷層，落差在0.1～5.8m 之間，落差大于3m 的斷層有1 條。5204-2 巷揭露7 條正斷層，落差在0.3～4.1m之間，落差大于3m 的有2 條，如圖1 所示。當(dāng)掘進(jìn)工作面推進(jìn)至斷層附近時，工作面和斷層間煤體應(yīng)力集中引起斷層附近頂板的劇烈運(yùn)動，釋放大量能量，導(dǎo)致巷道嚴(yán)重變形，給人員和設(shè)備造成安全風(fēng)險。

圖1 工作面斷層分布圖

（2）煤層厚度及其變化。3～5#層為穩(wěn)定可采煤層，煤層走向近似東西，屬于南高北低的單斜構(gòu)造，傾角1～3°，平均2°，可利用厚度11.88～22.26m，平均厚度15.21m，如圖2（a）。沿工作面走向，煤層厚度整體變化表現(xiàn)由厚變薄，再變厚，其中5204-2 巷側(cè)煤厚變化程度要大于2204-2巷。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，礦壓顯現(xiàn)程度與煤層厚度及其變化緊密相關(guān)，在煤層厚度突然變薄或者變厚處，往往伴隨著強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，圖2（b）為工作面煤厚相對均值變化圖。

圖2 工作面煤厚分布及煤厚變化圖

（3）留底煤厚度。8204-2 工作面煤層厚度大，整體受F13810 大斷層切割，且局部發(fā)育有較多的小斷層，因此，巷道掘進(jìn)留底煤情況普遍，且局部底煤厚度較大。在工作面回采過程中，當(dāng)巷道兩側(cè)的高集中應(yīng)力傳遞到底煤區(qū)域時，將形成高應(yīng)力集中區(qū)，在采動應(yīng)力影響下，巷道底板的平衡狀態(tài)被打破，此時易誘發(fā)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。圖3 為工作面兩巷留底煤厚度圖。

圖3 工作面兩巷留底煤厚度圖

2.2 開采技術(shù)影響因素分析

（1）工作面布局。8204-2 工作面由“里面”和“外面”兩個面組成，成“刀把子”狀?！袄锩妗眱A向長度146m，走向長1096m；“外面”傾向長209m，走向長404m。由于工作面布局不合理，當(dāng)工作面回采至“刀把”位置時受超前支承壓力影響，采場及巷道發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致上覆巖層發(fā)生不對稱性破斷，誘發(fā)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。同理，受相鄰采空區(qū)影響，當(dāng)工作面回采至臨空拐角煤柱前后區(qū)域時，受采空區(qū)側(cè)向支承壓力和采動應(yīng)力疊加影響，煤巖體應(yīng)力集中程度較高，易誘發(fā)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。

（2）區(qū)段煤柱寬度。2204-2 與相鄰8202 采空區(qū)留設(shè)8m 的隔離煤柱，采用小煤柱護(hù)巷技術(shù)。5204-2 巷臨空側(cè)煤柱寬度為6～71m，由于煤柱形狀不規(guī)則且煤柱尺寸較大，在兩側(cè)采空條件下，在煤柱內(nèi)部將形成彈性核，在高靜載和采動動載的雙重作用下，局部煤巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)極易引發(fā)煤柱整體發(fā)生剪切失穩(wěn)破壞，進(jìn)而誘發(fā)5204-2 巷強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。

（3）上覆巖運(yùn)動。通常認(rèn)為，工作面基本頂?shù)某醮慰迓浜汀耙姺健逼陂g工作面壓力會急劇升高，采空區(qū)上覆頂板穩(wěn)定性顯著減弱，巖層斷裂，運(yùn)動加劇，發(fā)生強(qiáng)礦壓危險的可能性會顯著升高。參照同煤層礦壓資料，采用綜合類比法預(yù)計(jì)本工作面基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?0m，“里面”見方位置為采位146m，“外面”見方位置為采位209m。

3 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

工作面回采過程中，2204-2 巷在實(shí)煤區(qū)回采階段無明顯強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，在臨空回采后，尤其在過中部落差5.8m 斷層及小斷層群期間，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。因此在2204-2 巷采位540～1350m 布置監(jiān)測點(diǎn)，對巷道頂?shù)装逡平窟M(jìn)行監(jiān)測，測點(diǎn)間距10m；在5204-2 巷采位930～1350m 布置測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。工作面兩巷測線布置如圖4，圖5 為回采期間兩巷及中切巷頂?shù)装逡平糠逯底兓€圖。

圖4 工作面兩巷測線布置圖

圖5 回采期間兩巷及中切巷頂?shù)装逡平孔兓€圖

由圖5（a）可知，2204-2 巷在回采550～780m期間頂?shù)装逡平糠逯灯毡槠撸易兓俾瘦^快，最大變形量達(dá)1.6m，且回采過程中常伴有強(qiáng)礦震發(fā)生，與強(qiáng)礦壓危險區(qū)域劃分結(jié)果具有很強(qiáng)的一致性。表明在此期間受落差5.8m 斷層及小斷層群影響強(qiáng)烈，頂板煤巖層穩(wěn)定性較差。隨工作面繼續(xù)回采變形量基本穩(wěn)定在0.3～0.9m，在局部過斷層和漏頂期間移近量會有所增大，相對前期回采危險性均有明顯減弱。表明采用8m 小煤柱沿空掘巷技術(shù)對塔山煤礦特厚煤層綜放工作面開采具有較好的適用性。

由圖5（b）可知，工作面在過第一個不規(guī)則煤柱(采位930～1080m)期間5204-2 巷變形量基本在0.6～1.3m 之間，回采期間巷道頂板下沉較大，局部底鼓達(dá)0.5m。表明臨空側(cè)變化煤柱對5204-2 巷強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)起主要控制作用。在回采后期變形量穩(wěn)定在0.2～0.9m，只有在過小斷層或局部漏頂期間變形量會有所升高。表明后期臨空變化煤柱寬度在增加到一定程度后對巷道頂板維護(hù)起到了控制作用。工作面在回采第二個變化煤柱期間巷道變形規(guī)律與第一個相類似，受面寬和地質(zhì)條件影響，礦壓顯現(xiàn)相對較弱，最大變形量0.87m。

由圖5（c）可知，隨工作面回采逐漸接近“刀把”位置，中切巷在采動應(yīng)力和高靜載應(yīng)力疊加影響下，巷道頂?shù)装逡平恐饾u增加，且端部和中部移近量要明顯高于其他位置。在回采至距中切60m 位置開始，中切巷變形明顯增大，平均變形量由0.025m變?yōu)?.126m，與最初相比增量達(dá)4.04 倍。在回采至距中切30m 時，變化速率進(jìn)一步加快，平均變形量由0.025m 變?yōu)?.338m，增量達(dá)12.5 倍，此時是“刀把”煤柱由穩(wěn)定向不穩(wěn)定過渡的臨界點(diǎn)。

4 結(jié)論

（1）斷層構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力疊加是導(dǎo)致2204-2 巷強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要原因，煤柱寬度變化和工作面布局影響是導(dǎo)致5204-2 巷強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要原因。

（2）工作面在回采至距“刀把”60m 位置開始，中切巷變形開始急劇增長，此時是“刀把”煤柱由穩(wěn)定向不穩(wěn)定過渡的臨界點(diǎn)。

（3）據(jù)現(xiàn)場觀測，強(qiáng)礦壓地質(zhì)影響因素排序由高到底依次為斷層、區(qū)段煤柱寬度、留底煤厚度、煤厚變化，技術(shù)因素排序?yàn)楣ぷ髅娌季?、覆巖運(yùn)動。

（4）工程實(shí)踐表明2204-2巷在過中部落差5.8m斷層和小斷層群影響區(qū)域后，巷道變形基本處于穩(wěn)定可控范圍內(nèi)，表明采用8m 小煤柱沿空掘巷技術(shù)對塔山煤礦特厚煤層綜放工作面開采具有較好的適用性，具有推廣應(yīng)用價值。