淺埋集中煤柱誘發(fā)動載礦壓機理及防治技術研究

郭 帥，段曉博

(內(nèi)蒙古科技大學 礦業(yè)與煤炭學院，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

神東礦區(qū)目前作為我國主要的淺埋煤層礦區(qū)，其礦區(qū)煤炭具有埋藏淺、基巖薄、開采條件簡單的特點。在開發(fā)前期，由于受到開采技術水平、開采設備、工作面布置方式等方面的限制，實際開采過程中采空區(qū)遺留了大量的尺寸不一的煤柱，包括各類型隔離煤柱、護巷煤柱等，其中有些煤柱尺寸較寬，甚至出現(xiàn)有集中煤柱群。隨著神東礦區(qū)煤炭開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移，下煤層工作面在通過這些較寬的集中煤柱時，易誘發(fā)強烈的動載礦壓災害，該類災害嚴重威脅著礦井的安全生產(chǎn)[1-8]。

在我國許多學者對工作面在煤柱下開采問題進行了大量的研究。張杰[9]認為房采采空區(qū)下，工作面在出煤柱階段會出現(xiàn)動載礦壓現(xiàn)象，動載礦壓會在工作面位于煤柱下方最后一次來壓后10m范圍內(nèi)發(fā)生。郭衛(wèi)彬[10]以大地精礦房采采空區(qū)下工作面回采作為工程背景，得出了房采煤柱對下煤層影響深度為20m。徐敬民[11]認為由于房采煤柱受到工作面超前應力及工作面采動影響，上覆巖層發(fā)生運動，向下傳遞較大的載荷，導致工作面上方層間巖層發(fā)生斷裂破壞，造成頂板災害的發(fā)生。于斌[12]等認為“煤柱-覆巖運動”的聯(lián)合作用誘發(fā)工作面強礦壓顯現(xiàn)。由此可見，由于上覆集中煤柱的存在，導致下煤層工作面頂板結(jié)構及應力狀態(tài)也發(fā)生了變化，使得下煤層工作面回采過程中礦壓顯現(xiàn)劇烈，極易發(fā)生頂板事故。

以石圪臺煤礦31203工作面過上覆集中煤柱為背景，研究集中煤柱誘發(fā)下煤層工作面動載礦壓機理及防治技術，為類似條件下工作面安全回采提供科學指導。

1 工程概況

神東石圪臺煤礦位于陜西省神木境內(nèi)，31203綜采工作面位于石圪臺煤礦31煤二盤區(qū)，工作面長度337m，推進長度1865m，設計采高3.9m。回采范圍內(nèi)煤層底板標高1089～1096m，煤層傾角1°～3°，平均埋深110m，工作面采用157臺ZY18000/35/45D液壓支架，31203綜采工作面與22煤層間距34～43.2m。工作面上覆共有9組22煤集中煤柱，其中8組與工作面布置方向平行，一組與工作面布置方向垂直。煤柱位置如圖1所示。主要對31203工作面通過第4號集中煤柱時動壓災害機理及治理技術進行研究，4號集中煤柱距切眼763.1～825.6m，寬62.5m，影響范圍為整個工作面。

圖1 31203綜采工作面集中煤柱覆存

2 集中煤柱下動載礦壓機理

當下煤層工作面在進入上覆集中煤柱時，覆巖移動特征如圖2所示。在31煤工作面進上覆集中煤柱階段，工作面基本頂巖塊V發(fā)生會出現(xiàn)變形、垮落，隨著巖塊V的垮落，勢必要引起上覆集中煤柱發(fā)生破壞、變形，從而影響到其上覆原本穩(wěn)定的頂板巖塊III發(fā)生失穩(wěn)、垮落，當巖塊III單獨垮落時會造成31煤工作面頂板壓力增大，當巖塊III與巖塊V同時發(fā)生垮落，兩層垮落的頂板同時作用于31煤工作面，大量集聚彈性能被釋放，導致工作面強烈的礦山壓力。由于巖塊III的鉸接結(jié)構，一部分重量由采空區(qū)矸石承擔，煤柱破壞導致其變形的回轉(zhuǎn)半徑較小，因此即使兩層頂板同時垮落，對于工作面造成的沖擊載荷有限。

圖2 工作面進集中煤柱時覆巖移動特征

當下煤層工作面在進入上覆集中煤柱時，覆巖移動特征如圖3所示。在31煤工作面出上覆集中煤柱階段，31煤基本頂巖塊V隨工作面回采發(fā)生破壞、回轉(zhuǎn)直至垮落，巖塊V的變形直接影響到了其上覆集中煤柱的穩(wěn)定性。當集中煤柱發(fā)生失穩(wěn)破壞時，靠其支撐的頂板I、II巖塊隨煤柱的破壞發(fā)生滑落、失穩(wěn)，由于靠集中煤柱支撐的頂板面積大，滑落、失穩(wěn)對31煤工作面造成的動載礦壓強度同要較大，而且集中煤柱越寬，對工作面形成的動載礦壓越強，當兩層煤的基本頂同時發(fā)生失穩(wěn)、垮落，往往會形成強烈的動載礦壓災害?，F(xiàn)場開采實踐證明，出集中煤柱期間誘發(fā)動載礦壓災害的概率較大，強度更強[13-16]。

圖3 工作面出集中煤柱時頂板移動特征

3 數(shù)值模擬研究

為詳細了解石圪臺煤礦31203工作面過上覆4號集中煤柱時采場圍巖應力變化特征，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對工作面開采情況進行了模擬研究。模型采用摩爾庫倫準則，頂部設置為自由面，側(cè)面及底面法向約束，模擬塊體采用六面體單元，模擬工作面長度337m，推進長度200m，上覆22煤集中煤柱寬度62.5m，數(shù)值模擬中單次推進步距為5m。

31203工作面通過集中煤柱期間采場圍巖應力變化特征如圖4所示，由圖4可知，工作面進煤柱期間，4號集中煤柱應力范圍逐漸縮小，而工作面前方超前應力不斷增加，說明在工作面進煤柱過程中受到采動影響，4號集中煤柱開始出現(xiàn)塑性破壞，應力得到釋放，并向下轉(zhuǎn)移，在工作面頂板及前方煤體內(nèi)形成應力集中，現(xiàn)場會出現(xiàn)工作面壓力增大，煤壁片幫嚴重等礦壓顯現(xiàn)特征；當工作面在集中煤柱下方回采時，煤柱內(nèi)集中應力范圍進一步縮小，應力進一步釋放，釋放的集中應力向下轉(zhuǎn)移到31203工作面；隨著工作面繼續(xù)推進，出煤柱過程中，煤柱應力出現(xiàn)了瞬間減小，當工作面出煤柱后，4號煤柱集中應力已經(jīng)消失。工作面頂板及前方集中應力范圍及數(shù)值均現(xiàn)大幅度下降，說明工作面在出煤柱過程中，煤柱會出現(xiàn)突然破壞，上覆巖體整體垮落，工作面頂板折斷，積聚的能量短時間內(nèi)被釋放，給工作面造成巨大的沖擊，正常推采的工作面極易發(fā)生動載礦壓災害，該結(jié)果與理論分析一致。

圖4 工作面過集中煤柱期間采場圍巖應力變化特征

圖5 工作面過煤柱期間煤柱承受最大應力變化

工作面過煤柱期間煤柱承受最大應力變化特征如圖5所示。由圖5可知，工作面在接近煤柱時，在采動應力影響下，4號煤柱所受最大應力值開始增加，進入煤柱2.2m時達到最大，最大值為6.79MPa達到了原巖應力的2.26倍，在這樣的高應力下煤柱開始逐漸發(fā)生破壞，進入煤柱下方后，最大應力值逐漸減小，當距出煤柱10.6m時，煤柱最大應力開始增加，直至出煤柱后4.8m后達到最大，最大值為7.65MPa達到了原巖應力的2.55倍，之后瞬間降低，說明此時煤柱已經(jīng)破壞，失去承載能力，煤柱上方頂板發(fā)生垮落，現(xiàn)場極易發(fā)生動載礦壓災害。

4 集中煤柱綜合治理技術

4.1 預裂爆破集中煤柱

通過理論分析及數(shù)值模擬分析，可知31203綜采工作面在通過上覆第4號煤柱時，極易發(fā)生動載礦壓災害。決定采用預裂爆破的方法對4號集中煤柱及其周圍頂板進行爆破卸壓，使得集中煤柱提前破壞，依靠煤柱支撐的頂板提前發(fā)生垮落，從而減弱工作面通過集中煤柱時的礦壓強度。

爆破方案由地表向井下4號集中煤柱及其周圍頂板進行鉆孔、裝藥、爆破。炮孔孔距20m；炮孔直徑190mm，集中煤柱內(nèi)炮孔深度88m，煤柱外頂板炮孔深度78m；為煤柱得到充分破壞，煤柱內(nèi)裝藥長度11.6m，煤柱外裝藥長度10.0m，炮孔充填長度14m，單孔裝藥量330kg，爆破炸藥單耗為0.3kg/m3。爆破使用露天乳化炸藥。爆破設計如圖6所示。

圖6 爆破炮孔及裝藥結(jié)構

4.2 其他防治措施

4.2.1 合理控制循環(huán)進度

結(jié)合現(xiàn)場生成需要，最大限度降低工作面推進速度，并保持均衡生產(chǎn)，如果工作面循環(huán)進度過快，會導致基本頂形成較長的懸臂梁結(jié)構，頂板垮落時影響面積較大，釋放大量的彈性能，對工作面造成強烈的動載沖擊。降低工作面推進速度后，不但可以縮短基本頂懸頂面積，降低彈性能集聚，而且在工作面臨近煤柱時，由于超前應力的影響，可能導致煤柱提前破壞，破壞后垮落的頂板作用于工作面前方煤體，緩解工作面壓力。

4.2.2 合理避壓措施

工作面在過集中煤柱期間，密切關注工作面礦壓顯現(xiàn)情況，遇到工作面有明顯來壓征兆或上覆頂板出現(xiàn)明顯的運動時，采取停機避壓措施，最大限度的釋放上覆頂板集聚的彈性能后再次推進，為集中煤柱及其圍巖運動提供充足時間，可大大降低發(fā)生動載礦壓的概率及強度。

4.2.3 采高最大化

結(jié)合工作面條件及現(xiàn)場其它要求，過煤柱期間將采高調(diào)整至最大，對于31203工作面而言，將工作面采高調(diào)整到不低于3.9m，在來壓情況下保證支架立柱有足夠的下縮量來適應由于集中煤柱突然破壞、頂板突然垮落對工作面造成的動載礦壓現(xiàn)象，從而最大程度的避免因支架立柱下縮量增大而造成壓架事故。

4.2.4 大角度調(diào)斜工作面

為了使31203工作面支架不同時進出4號集中煤柱，對工作面進行調(diào)斜處理，端頭比端尾或者端尾比端頭超前10m開采，若超前距離小于10m，則無法起到分散壓力的作用，太大運輸機容易發(fā)生竄動。在生產(chǎn)過程中應根據(jù)煤柱的分布情況予以調(diào)斜，最大限度的使工作面各部分不同步受到集中煤柱的影響。

4.2.5 保證支架狀態(tài)

過煤柱期間保證支架初撐力達標(25.2MPa以上)，發(fā)揮好支架主動支護的性能；提前對支架安全閥進行校核，確保來壓時安全閥能夠正常開啟，同時避免因安全閥問題導致立柱下沉量增大，最終導致支架被壓死。

5 防治效果分析

為了進一步驗證31203工作面過集中煤柱綜合防治技術的效果，在相鄰的31204工作面回采過程中未對同一位置的4號煤柱實施綜合防治措施?，F(xiàn)場分別對31203和31204工作面過4號煤柱進行了礦壓監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

圖7 工作面過煤柱期間礦壓特征

由圖7可知，對上覆集中煤柱及周圍頂板提前進行預裂爆破后，工作面通過煤柱過程中，來壓強度明顯緩和。31203工作面過4號煤柱期間支架平均工作阻力15423kN，31204工作面未實施爆破過4號煤柱期間支架平均工作阻力為17021kN，增加了1598kN，且實施爆破后工作面進出煤柱期間，支架工作阻力也有明顯的下降。根據(jù)現(xiàn)場礦壓監(jiān)測結(jié)果，31204綜采工作面在通過4號煤柱過程中隨未發(fā)生壓架事故，但是在進出煤期間，工作面來壓非常強烈，來壓期間大部分安全閥開啟，甚至出現(xiàn)了噴射狀，片幫深度達到800～1000mm，支架立柱下縮200～600mm；而31203工作面過4號煤柱時現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)較為緩和。

因此進一步說明，對上覆集中煤柱及周圍頂板進行預裂爆破等 綜合防治措施，對于防治工作面動載礦壓災害效果明顯。提前預裂爆破煤柱及周圍頂板，使煤柱及其支撐的頂板提前發(fā)生破壞。頂板原來的鉸接結(jié)構發(fā)生改變，重新生成了穩(wěn)定的頂板結(jié)構，并隨著工作面不斷推進發(fā)生周期性斷裂，從而有效的避免了動載礦壓的發(fā)生。

6 結(jié) 論

1)通過理論分析得到，石圪臺煤礦31煤開采過程中，上覆集中煤柱發(fā)生屈服破壞，靠其支撐的頂板巖層隨煤柱破壞而發(fā)生垮落，當其與31煤層頂板同時折斷、垮落時，極易誘發(fā)動載礦壓災害。

2)通過數(shù)值模擬分析得到，31203工作面在進煤柱期間上覆集中煤柱應力范圍逐漸減小并向31煤層進行傳遞，煤柱、工作面頂板及其前方煤體受力均出現(xiàn)增大的現(xiàn)象；工作面出煤柱期間，集中煤柱在高應力作用下發(fā)生破壞，應力突然減小，煤柱上覆頂板及工作面頂板發(fā)生垮落對工作面造成沖擊，誘發(fā)動載礦壓災害。

3)結(jié)合31203工作面實際情況提出了提前預裂爆破煤柱及其周圍頂板、合理控制循環(huán)進度等動載礦壓防治措施。

4)通過現(xiàn)場礦壓監(jiān)測對工作面過煤柱期間實施防治措施后礦壓顯現(xiàn)特征進行了對比分析，結(jié)果表明，對上覆集中煤柱及周圍頂板進行預裂爆破等綜合防治措施，對于防治工作面動載礦壓災害效果顯著。