深埋綜放工作面出集中煤柱礦壓規(guī)律及防治技術(shù)

萬(wàn)新通，張少平，楊正偉

(1.國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司布爾臺(tái)煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司高端設(shè)備研發(fā)中心，陜西 神木 719315)

0 引言

近年來(lái)，隨著煤炭需求和開采力度的不斷加大，神東礦區(qū)各大礦井已相繼進(jìn)入4-2煤、5-2煤層主采煤層的開采，局部埋深超過(guò)450 m，由于地質(zhì)構(gòu)造、工作面布置方式等因素的影響，煤層開采時(shí)遺留了一些煤柱，造成下煤層工作面在推出此類煤柱附近的開采范圍內(nèi)發(fā)生壓架事故、支架活柱短時(shí)間急劇大幅下縮、支架立柱爆缸、漏頂、片幫嚴(yán)重等劇烈的來(lái)壓現(xiàn)象，影響工作面的安全回采。因此，分析集中煤柱影響區(qū)域回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈的原因及其管控措施受到工程技術(shù)人員的關(guān)注?；诖?，文章以布爾臺(tái)煤礦42108工作面為例，結(jié)合相鄰工作面出集中煤柱礦壓顯現(xiàn)情況總結(jié)分析，出煤柱期間上層煤頂板垮落對(duì)工作面回采的影響，提出針對(duì)性的管控措施。

1 42108工作面及煤柱概況

1.1 工作面概況

布爾臺(tái)煤礦42108工作面位于4-2煤一盤區(qū)，工作面回采3-1煤、4-2煤分叉復(fù)合煤層，分叉區(qū)煤厚4.0 m，復(fù)合區(qū)煤厚4.65～7.3 m，平均6.1 m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度4 728.4 m，工作面長(zhǎng)313.2 m，設(shè)計(jì)采高3.7 m，放煤高度2.4 m。工作面沿煤層傾斜布置，沿走向推進(jìn)，采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤方法。

1.2 集中煤柱概況

42108綜放工作面在機(jī)尾推進(jìn)至580.2 m處，工作面輔運(yùn)順槽副幫向工作面131.5 m(機(jī)尾至工作面92號(hào)支架處)范圍內(nèi)上覆22107綜采工作面跳采遺留集中煤柱，煤柱沿推進(jìn)方向長(zhǎng)度341 m，影響推進(jìn)范圍580.2～921.2 m。在集中煤柱影響范圍內(nèi)，工作面埋深450～470 m，與2-2煤層間距70～75 m，回采段煤層直接頂巖性為砂質(zhì)泥巖，厚度4～12 m；老頂巖性為細(xì)粒砂巖，厚度14～24 m；底板巖性為砂質(zhì)泥巖，具體位置如圖1所示。

圖1 煤柱示意Fig.1 Schematic diagram of coal pillar

2 出煤柱礦壓規(guī)律分析

根據(jù)4-2煤地質(zhì)鉆孔綜合柱狀圖，利用數(shù)值模擬軟件建立過(guò)集中煤柱模型。

模型尺寸：模型大小為200 m×2 m×121 m，其中煤柱設(shè)置為40 m。

模型選擇：本構(gòu)模型選擇為摩爾-庫(kù)倫模型。

模型塊體：根據(jù)礦內(nèi)鉆孔資料，選擇模型塊體、節(jié)理參數(shù)。

施加邊界條件：4-2煤埋深平均按450 m，需要在模型Z方向上施加均布載荷即垂直地應(yīng)力Hγ=8.7 MPa。

計(jì)算分析：計(jì)算過(guò)程如圖2～7所示。

圖2 建立模型、網(wǎng)格劃分Fig.2 Modeling and meshing

圖3 初始平衡垂直應(yīng)力云圖Fig.3 Initial vertical stress nephogram

圖4 2-2煤回采后垂直應(yīng)力云圖Fig.4 Vertical stress nephogram after mining of No.2-2 coal seam

圖5 進(jìn)入煤柱時(shí)垂直應(yīng)力云圖Fig.5 Vertical stress nephogram when entering coal pillar

圖6 煤柱下垂直應(yīng)力云圖Fig.6 Vertical stress nephogram under coal pillar

圖7 出煤柱時(shí)應(yīng)力云圖Fig.7 Vertical stress nephogram when leaving out coal pillar

通過(guò)以上應(yīng)力云圖可以看出，工作面在進(jìn)入集中煤柱附近時(shí)工作面應(yīng)力明顯增加，并有增大趨勢(shì)，在煤柱下回采工作面壓力相對(duì)穩(wěn)定，但在距出煤柱線區(qū)域煤柱對(duì)工作面影響再次增加，應(yīng)力集中明顯，因此，出集中煤柱期間工作面應(yīng)力集中最為明顯。

3 理論模型分析

工作面在通過(guò)上覆煤柱的過(guò)程中，相比進(jìn)煤柱階段和煤柱區(qū)下的回采，出煤柱附近礦壓顯現(xiàn)較強(qiáng)烈[1-4]。這顯然與出煤柱階段上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律密切相關(guān)。

工作面逐漸向煤柱邊界推進(jìn)，煤柱上方關(guān)鍵層將逐步發(fā)生周期性破斷回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，巖塊之間相互鉸接，最終會(huì)在出煤柱邊界形成如圖8(a)所示的三鉸式拱形鉸接結(jié)構(gòu)。根據(jù)庫(kù)茲涅佐夫的理論，鉸接巖塊間的三鉸結(jié)構(gòu)必須滿足中間節(jié)點(diǎn)高于兩端節(jié)點(diǎn)時(shí)，結(jié)構(gòu)才能夠保持穩(wěn)定。而對(duì)于出煤柱階段關(guān)鍵塊體形成的拱形鉸接結(jié)構(gòu)，其中間節(jié)點(diǎn)低于兩端節(jié)點(diǎn)。所以，此結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，只有靠下部未離層巖層的支撐作用才能保持平衡，壓力作用在關(guān)鍵層上，導(dǎo)致下層工作面在回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)劇烈。

圖8 工作面出煤柱階段關(guān)鍵塊體運(yùn)動(dòng)示意Fig.8 Movement of key blocks when working face leaving out coal pillar

煤柱下回采過(guò)程中，關(guān)鍵層會(huì)在煤柱邊界破斷形成“砌體梁”式的鉸接結(jié)構(gòu)，并承擔(dān)著其所控制的那部分巖層的載荷。在下煤層工作面推出煤柱邊界的過(guò)程中，此結(jié)構(gòu)的斷裂巖塊必然會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；由于煤柱上方關(guān)鍵塊體相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞的過(guò)大載荷才造成了塊體“砌體梁”結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)，從而導(dǎo)致工作面頂板直接沿?cái)嗔丫€切落，導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，工作面片幫加劇、頂板破碎、安全閥開啟、立柱下沉，甚至出現(xiàn)壓架事故[5-13]。

因此，工作面在推出上煤柱邊界時(shí)，煤層間關(guān)鍵層破斷塊體結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)是必然的。正是由于煤柱上方關(guān)鍵塊體相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞的過(guò)大載荷才造成了E塊體“砌體梁”結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)，從而導(dǎo)致工作面頂板直接沿?cái)嗔丫€切落，工作面頂板壓力增加。

4 42108綜放工作面出煤柱管控措施

4.1 管控措施

基于對(duì)綜放工作面出煤柱礦壓規(guī)律分析，結(jié)合42108綜放面具體的生產(chǎn)條件，提出以下控制措施。

多手段礦壓監(jiān)測(cè)：①采用微震對(duì)于回采范圍內(nèi)的巖體破壞(裂)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)每日微震事件的總數(shù)量、總能量指標(biāo)對(duì)工作面來(lái)壓情況進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)；②通過(guò)錨索(錨桿)應(yīng)力監(jiān)測(cè)、圍巖應(yīng)力依據(jù)應(yīng)力變化情況對(duì)工作面壓力情況進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)；③支架數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)除能及時(shí)反映工作面支架工作阻力是否滿足要求，還可以通過(guò)支架壓力數(shù)據(jù)分析工作面周期來(lái)壓步距、來(lái)壓強(qiáng)度，指導(dǎo)工作面安全生產(chǎn)。

施工卸壓孔：采用施工泄壓孔來(lái)釋放圍巖應(yīng)力，降低礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。在42108輔運(yùn)順槽對(duì)正幫煤體施工孔徑200 mm，孔距5 m，傾角0°～3°，孔深20 m的卸壓孔。

頂板弱化：采用定向長(zhǎng)鉆孔雙封單卡多點(diǎn)拖動(dòng)式分段水力壓裂頂板弱化技術(shù)，弱化頂板強(qiáng)度，降低頂板完整性，預(yù)防頂板大面積懸頂突然垮落對(duì)工作面產(chǎn)生的沖擊。

支架質(zhì)量：確保支架工況良好，保證支架安全閥質(zhì)量，及時(shí)檢查和更換損壞安全閥，一方面確保支架對(duì)頂板的支護(hù)作用，另一方面支架工作阻力達(dá)到安全閥開啟值時(shí)能及時(shí)開啟，保護(hù)設(shè)備安全。

拉移距離與時(shí)間：加強(qiáng)輔運(yùn)順槽超前支架拉移距離及拉移時(shí)間的管理，保證工作面超前支護(hù)質(zhì)量。

支護(hù)強(qiáng)度：根據(jù)支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算，并結(jié)合相鄰工作面回采經(jīng)驗(yàn)，合理采用φ28.6 mm×8 000 mm錨索對(duì)巷道頂、幫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

4.2 對(duì)比相鄰工作面礦壓情況

42107工作面出集中煤柱柱2.0 m時(shí)，工作面來(lái)壓支架最大工作阻力可達(dá)到51 MPa，工作面煤壁片幫加劇，頂板破碎；工作面出煤柱11.0 m開始，工作面支架工作阻力再次增加，工作面整體呈現(xiàn)來(lái)壓趨勢(shì)，支架載荷較大，最大壓力可達(dá)到59.8 MPa，來(lái)壓期間，80%支架載荷達(dá)到48 MPa以上，工作面推進(jìn)8刀后工作面壓力才恢復(fù)正常，并且42107輔運(yùn)順槽幫鼓最大1.5 m，頂?shù)装逡平孔畲? m。

采取多項(xiàng)針對(duì)性措施后，42108工作面出集中煤柱期間來(lái)壓步距為1 216 m，來(lái)壓步距相對(duì)穩(wěn)定，來(lái)壓期間工作面呈現(xiàn)局部來(lái)壓，未出現(xiàn)工作面整體來(lái)壓顯現(xiàn)，且來(lái)壓期間支架平均工作阻力32.6 MPa，支架工作阻力達(dá)到40 MPa以上的占16%，支架最大工作阻力為52 MPa，工作面來(lái)壓持續(xù)3～5刀，工作面來(lái)壓強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間較42107工作面明顯緩解，且42108輔運(yùn)順槽圍巖變形量在300～400 mm范圍相對(duì)42107輔運(yùn)順槽也大幅度降低。

綜上所述，通過(guò)以上措施有效弱化了頂板，降低了來(lái)壓強(qiáng)度，縮小了來(lái)壓周期，提高了礦壓預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，確保了42108工作面出煤柱階段未發(fā)生冒頂、壓架等頂板事故。

5 結(jié)語(yǔ)

出煤柱期間上層煤頂板失穩(wěn)、回轉(zhuǎn)，壓力傳遞至回采煤層易導(dǎo)致出煤柱期間礦壓顯現(xiàn)劇烈。

針對(duì)出集中煤柱礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈所采取卸壓孔、水力壓裂等措施，縮短了工作面來(lái)壓步距，降低了來(lái)壓強(qiáng)度，確保安全生產(chǎn)。

多手段進(jìn)行礦壓觀測(cè)，提高了預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)能力，為防止頂板事故發(fā)生起到了積極作用。