強(qiáng)礦壓下工作面動(dòng)載礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及控制技術(shù)研究

韓文廣

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦，山西 大同 037003）

1 概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦8107 綜采工作面位于C3#層一盤(pán)區(qū)，沿煤層底板布置，工作面運(yùn)輸巷長(zhǎng)2519 m，回風(fēng)巷長(zhǎng)2603 m，開(kāi)切眼長(zhǎng)243 m。8107 工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度4.65～8.33 m/6.20 m，含3～7 層夾矸，厚0.15～0.65 m，夾矸巖性多為炭質(zhì)泥巖、高嶺土，局部煌斑巖侵入，影響較小，可采性指數(shù)1，變異系數(shù)15.1%。煤層傾角1°～2.5°，平均1.5°，屬近水平煤層。煤層基本頂為厚度6.93 m 的礫巖，直接頂為厚度2.94 m 的高嶺巖；直接底為厚度3.26 m 高嶺巖，基本底為厚度9.80 m 的粗砂巖。8107 工作面北東依次為3 煤主運(yùn)巷、3 煤輔助運(yùn)巷、盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷，南東為8105工作面采空區(qū)，北西及南西為實(shí)煤區(qū)。上覆14-2#煤為采空區(qū)。8107 工作面從東向西依次布置有輔運(yùn)巷道、主運(yùn)巷道、回風(fēng)巷道Ⅰ、回風(fēng)巷道Ⅱ，如圖1。

圖1 8107 工作面巷道布置示意圖

2 礦壓顯現(xiàn)特征分析

2.1 區(qū)域劃分

8107 工作面上覆采空區(qū)的情況較為復(fù)雜，根據(jù)礦壓顯現(xiàn)特征的不同將8107 工作面上覆采空區(qū)分為張樹(shù)溝上坡段、張樹(shù)溝下坡段、14-2#煤采空區(qū)、集中煤柱前和集中煤柱后共五個(gè)區(qū)域，分布示意圖如圖2。

圖2 8107 工作面上覆采空區(qū)區(qū)域位置分布示意圖

2.2 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

通過(guò)記錄8107 工作面過(guò)張樹(shù)溝上坡段、張樹(shù)溝下坡段、14-2#煤采空區(qū)、集中煤柱后和集中煤柱前區(qū)域內(nèi)各時(shí)段的工作面礦壓顯現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，匯總為表1。

通過(guò)分析表1 數(shù)據(jù)，8107 工作面通過(guò)上述五個(gè)區(qū)域期間時(shí)礦壓顯現(xiàn)主要特征如下：

表1 8107 工作面過(guò)不同區(qū)域時(shí)礦壓顯現(xiàn)特征情況表

（1）過(guò)集中煤柱前期間，工作面周期平均來(lái)壓步距為13.99 m，平均來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為3.30 m，整體來(lái)看表現(xiàn)為：來(lái)壓步距較小，持續(xù)長(zhǎng)度較短，來(lái)壓步距呈上部和下部小、中部大的特點(diǎn)。

（2）過(guò)集中煤柱后期間，工作面周期平均來(lái)壓步距為15.64 m，平均來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為4.01 m，整體來(lái)看表現(xiàn)為：來(lái)壓步距較小，持續(xù)長(zhǎng)度較短，來(lái)壓步距呈上部小、中部和下部大的特點(diǎn)。對(duì)比過(guò)集中煤柱前期間，來(lái)壓步距和持續(xù)長(zhǎng)度要略大，分析原因?yàn)檫^(guò)集中煤柱后區(qū)域受到上覆集中煤柱壓力的影響。

（3）過(guò)14-2#煤采空區(qū)期間，工作面周期平均來(lái)壓步距為13.03 m，平均來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為3.64 m，整體來(lái)看表現(xiàn)為：來(lái)壓步距較小，持續(xù)長(zhǎng)度較短，來(lái)壓步距呈上部和下部大、中部小的特點(diǎn)。

（4）過(guò)張樹(shù)溝下坡段期間，工作面周期平均來(lái)壓步距為17.95 m，平均來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為2.65 m，整體來(lái)看表現(xiàn)為：來(lái)壓步距較長(zhǎng)（在五個(gè)階段中最長(zhǎng)），持續(xù)長(zhǎng)度較短，來(lái)壓步距呈上部和下部大、中部小的特點(diǎn)。

（5）過(guò)張樹(shù)溝上坡段期間，工作面周期平均來(lái)壓步距為17.49 m，平均來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為4.06 m，整體來(lái)看表現(xiàn)為：來(lái)壓步距較長(zhǎng)（在五個(gè)階段中排第二），持續(xù)長(zhǎng)度較短，來(lái)壓步距呈上部和下部大、中部小的特點(diǎn)。

分析表1 數(shù)據(jù)可知，8107 工作面在過(guò)集中煤柱前期間、集中煤柱后期間、14-2#煤采空區(qū)期間、張樹(shù)溝上坡段期間的微震事件平均能量和微震事件能量均方差均較大，在8107 工作面推進(jìn)至以上階段時(shí)，基于積聚應(yīng)力集中釋放的因素，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度大。8107 工作面在過(guò)張樹(shù)溝下坡段期間的微震事件平均能量和微震事件能量均方差均較小，基于工作面頂板近水平擠壓影響形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度減弱，工作面不易發(fā)生壓架安全事故。8107 工作面過(guò)不同區(qū)域的來(lái)壓強(qiáng)度關(guān)系為：過(guò)集中煤柱后期間>過(guò)集中煤柱前期間>過(guò)張樹(shù)溝上坡段期間>過(guò)張樹(shù)溝下坡段期間>過(guò)14-2#煤采空區(qū)期間。

3 礦壓控制技術(shù)研究

3.1 控制技術(shù)方案

針對(duì)8107 工作面在過(guò)集中煤柱前期間礦壓顯現(xiàn)劇烈、易出現(xiàn)壓架事故的問(wèn)題，提出了兩種控制技術(shù)方案[1-6]。

3.1.1 充填治理方案

對(duì)8107 工作面上覆采空區(qū)進(jìn)行注漿充填治理。方案為：充填面積約24 034 m3，布置鉆孔665 個(gè)，孔間距20 m，孔深80 m，累計(jì)鉆孔53 200 m，總注漿量為24 868 m3。

3.1.2 定向鉆孔爆破治理方案

對(duì)8107 工作面上覆采空區(qū)進(jìn)行定向鉆孔爆破卸壓。在8107 工作面推進(jìn)距集中煤柱相應(yīng)位置時(shí)，布置一定數(shù)量的鉆孔，沿著工作面推進(jìn)方向?qū)嵤┧蓜?dòng)爆破，讓采空區(qū)基本頂產(chǎn)生裂隙，加速頂板跨落。炮孔布置示意圖如圖3。

圖3 工作面炮孔布置示意圖（m）

3.2 方案對(duì)比選擇

充填治理方案和定向鉆孔爆破治理方案均能夠降低8107 工作面過(guò)上覆集中煤柱區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，工作面動(dòng)載強(qiáng)度降低，卸壓作用理想，兩種技術(shù)方案從技術(shù)實(shí)現(xiàn)上都是可行的。

成本核算結(jié)果表明：注漿充填治理方案共需約7500 萬(wàn)元，而定向鉆孔爆破治理方案僅需要約150萬(wàn)元。定向鉆孔爆破治理方案治理8107 工作面上覆采空區(qū)問(wèn)題具有較好的經(jīng)濟(jì)性，因此確定采用定向鉆孔爆破集中煤柱的方法。

3.3 定向鉆孔爆破治理技術(shù)的實(shí)施

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，掌握了8107 工作面上覆采空區(qū)集中煤柱壓力區(qū)的分布情況，定向鉆孔爆破位置確定在工作面距集中煤柱40 m 處，鉆孔數(shù)量18 個(gè)，孔間距14 m，孔深76 m，鉆孔角度36°，累計(jì)鉆孔1368 m，炮孔垂深47 m，孔徑為94 mm，炮孔呈“一”字型布置，裝藥長(zhǎng)度24 m，封孔長(zhǎng)度52 m，炸藥單耗0.35 kg/m3，各鉆孔裝藥總量260 kg，最小抵抗線為8 m。集中煤柱爆破結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。

圖4 集中煤柱爆破結(jié)構(gòu)示意圖（m）

4 效果評(píng)價(jià)

礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：對(duì)集中煤柱進(jìn)行定向鉆孔爆破治理后，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度明顯降低。8107 工作面在過(guò)集中煤柱區(qū)域期間，僅發(fā)生一次較大工作面頂板整體來(lái)壓事件，平均來(lái)壓步距7.23 m，來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度約2.01 m，來(lái)壓期間微震事件平均能量為1.12×105J，數(shù)量3 個(gè)；該期間沒(méi)有出現(xiàn)壓架事故。定向鉆孔爆破治理控制技術(shù)有效地提高了8107 工作面頂板的穩(wěn)定性，保障了8107 工作面開(kāi)采的安全性和可靠性。