馬春喜

(山西省煤炭運銷集團新旺煤業(yè)有限公司，山西省大同市，037000)

★ 煤炭科技·開拓與開采★

房柱式采空區(qū)下過集中煤柱動載礦壓治理技術(shù)

馬春喜

(山西省煤炭運銷集團新旺煤業(yè)有限公司，山西省大同市，037000)

針對石圪臺煤礦31201工作面房柱式采空區(qū)過集中煤柱時發(fā)生的壓架事故，分析了壓架事故發(fā)生的機理，并提出了提前對房柱式采空區(qū)煤柱及周圍一定距離內(nèi)頂板實施爆破卸壓，破壞煤柱的完整性使其周圍頂板提前垮塌、應(yīng)力提前釋放，減弱工作面過煤柱時的風險。利用微震監(jiān)測、礦壓分析等方法對實施爆破前后過煤柱時工作面礦壓顯現(xiàn)、應(yīng)力釋放等情況進行了研究。研究結(jié)果表明，卸壓爆破房柱式采空區(qū)煤柱對于有效防治動載礦壓效果顯著。

房柱式采空區(qū) 集中煤柱 動載礦壓 卸壓爆破

隨著煤炭開采技術(shù)的提高，開采規(guī)模不斷擴大，各礦區(qū)對于煤炭的回采逐漸向深部轉(zhuǎn)移。以神東礦區(qū)為例，部分礦井的第一層主采煤層已基本采完，第二層主采煤層已經(jīng)逐步開始回采。然而在回采過程中發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)域在第一層主采煤層回采過程中采用房柱式開采，采空區(qū)遺留下眾多集中煤柱，在集中煤柱支撐下，上煤層一定區(qū)域內(nèi)的頂板并未垮落。隨著下煤層繼續(xù)開采，集中煤柱發(fā)生大面積失穩(wěn)時，上、下煤層頂板同時垮落，會造成下煤層工作面突然來壓，形成動載礦壓造成壓架事故，嚴重威脅礦井的安全生產(chǎn)。

一些學者對房柱式采空區(qū)上覆煤柱失穩(wěn)機理及防治動載礦壓技術(shù)等進行了研究。劉長友等對采空區(qū)下堅硬頂板群集體失穩(wěn)規(guī)律進行了分析；張彬等針對房采區(qū)下工作面回采，提出了利用爆破方法提前治理采空區(qū)煤柱以保證安全回采；屠世浩等提出了向采空區(qū)內(nèi)注入充填物等措施；鞠金峰等提出通過縮短工作面，減小來壓時頂板垮落面積從而避免動載礦壓的發(fā)生。

本文以此前的研究內(nèi)容為依據(jù)，理論分析了動載礦壓發(fā)生機理，并結(jié)合石圪臺煤礦上覆房柱式采空區(qū)實際情況，利用爆破卸壓結(jié)合現(xiàn)場實測等方法提出了防治動載礦壓的一整套技術(shù)。

1 工程概況

石圪臺煤礦位于神東煤田，礦井面積65.25 km2，主采12、22、31號煤，目前22號煤大部分已經(jīng)回采完畢，礦井主采31號煤，其中31號煤二盤區(qū)為31號煤層首個回采盤區(qū)。31號煤二盤區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，上覆22號煤多處小窯采空區(qū)、房柱式采空區(qū)以及22號煤綜采采空區(qū)，且存在22號煤遺留的集中煤柱，二盤區(qū)首采工作面31201在經(jīng)過上覆22號煤集中煤柱時，發(fā)生了壓架事故，事故發(fā)生主要原因為動載礦壓。

31201綜采工作面為石圪臺井田31號煤二盤區(qū)首采工作面，煤層埋深90～110 m,與22號煤層間距35～42 m。工作面長度355.2 m，推進長度1865 m。工作面上覆松散層厚度為5.9～43.3 m，上覆基巖厚度為64.9～142 m。煤層傾角為1°～3°，回采面積為66.24萬m2，煤層平均厚度為3.9 m，容重為1.27 t/m3，設(shè)計采高3.9 m。煤層工作面布置178臺液壓支架，工作阻力為18000 kN。31201工作面上覆的22號煤條件復(fù)雜，存在房柱式采空區(qū)、綜采采空區(qū)和實體煤。工作面上覆采空區(qū)及煤柱賦存情況如圖1所示。

為防止二盤區(qū)其余工作面在回采通過房采區(qū)煤柱過程中，煤柱失穩(wěn)，導(dǎo)致22號煤頂板突然垮落與31號煤頂板來壓相互重疊造成動載礦壓，給設(shè)備、人員造成一定的危害，急需一種科學可靠的辦法來預(yù)防頂板災(zāi)害的發(fā)生。

圖1 31201工作面上覆采空區(qū)及煤柱賦存情況

2 動載礦壓發(fā)生機理

嚴重錯位砌體梁-單回轉(zhuǎn)巖塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，下煤層工作面過房柱式采空區(qū)煤柱時，工作面頂板斷裂、回轉(zhuǎn)、變形導(dǎo)致房柱式采空區(qū)煤柱破碎嚴重，使得其對上覆頂板的支撐能力降低。當工作面過上覆房柱式采空區(qū)集中煤柱后來壓時，由于集中煤柱產(chǎn)生的動載礦壓使得上煤層頂板超前工作面較長距離，由于頂板超前垮落而使形成的砌體梁結(jié)構(gòu)與層號為B2巖層形成的砌體梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大范圍的錯位。在砌體梁結(jié)構(gòu)中巖塊受到的載荷將隨著與工作面的距離增加而逐漸接近原巖應(yīng)力。在這種結(jié)構(gòu)條件下，B3巖塊將額外承擔B2巖塊、E1巖塊和其上覆離層巖塊的自重。

當工作面推出集中煤柱一定距離時，集中煤柱失穩(wěn)垮落，應(yīng)力突然向前迅速轉(zhuǎn)移導(dǎo)致小煤柱達到最大抗壓強度形成多米諾骨牌式的超前連鎖垮落效應(yīng)。此時房柱式采空區(qū)整體下沉進一步擠壓塌陷的殘余小煤柱散體，隨著應(yīng)力的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致煤柱大面積失穩(wěn)后，集中煤柱上覆新增荷載將大大高于支架承載能力，工作面壓架現(xiàn)場出現(xiàn)80 MPa的瞬時壓力。從現(xiàn)場工作面動載礦壓顯現(xiàn)情況來看，對于工作面過集中煤柱時產(chǎn)生的動載礦壓，目前沒有一種支架能擁有抵御如此強烈動載礦壓的支護能力。

圖2 嚴重錯位砌體梁-單回轉(zhuǎn)巖塊結(jié)構(gòu)示意圖

3 房柱式采空區(qū)集中煤柱治理技術(shù)

為了避免工作面通過煤柱時，發(fā)生動載礦壓造成頂板事故，提前對煤柱及周圍一定距離內(nèi)頂板進行爆破卸壓，破壞煤柱及周圍頂板的完整性，使得煤支撐的一定范圍內(nèi)的頂板體現(xiàn)垮落，以減弱來壓強度。

爆破設(shè)計如圖3所示，由圖3可以看出，從地表打孔向煤柱內(nèi)、外鉆孔、裝藥、爆破。煤柱內(nèi)、外炮孔孔距15 m，煤柱內(nèi)炮孔深度76 m，煤柱外炮孔深度70 m。為保證煤柱得到充分破壞，煤柱內(nèi)裝藥長度16 m，單孔裝藥量560 kg，煤柱外裝藥長度10 m，單孔裝藥量350 kg，爆破使用露天乳化炸藥。

圖3 爆破裝藥示意圖

4 房柱式采空區(qū)煤柱治理效果分析

2017年3月28日對31201綜采工作面上覆房柱式采空區(qū)集中煤柱進行了卸壓爆破治理，為了驗證房柱式采空區(qū)煤柱卸壓爆破效果，通過現(xiàn)場微震檢測、礦壓實測等技術(shù)手段驗證治理技術(shù)的科學性。

4.1 爆破前后微震監(jiān)測結(jié)果分析

爆破前后工作面頂板微震事件和總能量對比如圖4所示。由圖4可以看出，在工作面通過煤柱時，微震事件發(fā)生較多，頂板垮落釋放能量巨大，會對工作面安全產(chǎn)生重大威脅。實施卸壓爆破1 d后，微震能量、數(shù)量顯著增加，頂板垮落能力提前集中釋放，主要是由于爆破破壞了煤柱的完整性同時誘發(fā)了22號煤頂板的破壞，進而使得22號煤直接頂提前垮落，釋放巨大能量。

實施卸壓爆破和未實施爆破的煤柱微震事件對比情況如圖5所示。由圖5(a)可以看出，在未實施卸壓爆破過煤柱期間，微震事件呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，而且微震能力較大，連續(xù)3 d有超過6.0E+04J的大能量微震事件發(fā)生，工作面支架壓力平均為29 MPa、最大達36.3 MPa。由圖5(b)可知，實施爆破后，微震事件較集中，過煤柱期間微震事件指標呈下降趨勢，且微震總體能力較小，來壓時微震事件能量為1.93E+05J，個數(shù)為6個，遠小于以往過煤柱期間的微震事件能量值和能量個數(shù)。這表明此次爆破大大降低了過煤柱期間的礦壓現(xiàn)象強度，達到了頂板運動可控、頂板壓力分次化解的目的。

圖4 爆破前后微震事件指標變化情況

圖5 爆破前后微震事件指標變化情況

4.2 爆破前后礦壓顯現(xiàn)分析

實施爆破前后工作面過煤柱礦壓特征對比如圖6所示。由圖6可以看出，對煤柱實施爆破后，過煤柱期間礦壓強度明顯減弱。未實施爆破過煤柱期間，平均壓力為17285 kN，實施爆破后過煤柱期間，平均壓力為15578 kN。根據(jù)現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)情況，實施爆破后過煤柱來壓期間，安全閥局部開啟，片幫深度縮小，立柱下沉量也明顯縮小，整個回采過程中并未出現(xiàn)壓力瞬間急劇增加，安全閥噴射等動載礦壓情況。因此可以得知，對上覆煤柱提前爆破后，經(jīng)過一段時間的壓實，爆破后的煤體對覆巖起到了一定的承載作業(yè)，且原來煤柱控制的頂板斷裂后的巖塊間形成了具有一定承載能力的鉸接結(jié)構(gòu)，從而有效避免了動載礦壓的發(fā)生，進一步說明卸壓爆破對有效防治動載礦壓有積極作用。

5 結(jié)論

(1)通過建立嚴重錯位砌體梁-單回轉(zhuǎn)巖塊結(jié)構(gòu)模型，分析了動載礦壓發(fā)生時工作面發(fā)生頂板災(zāi)害的機理。工作面過上覆房采區(qū)煤柱時，由于集中煤柱失穩(wěn)垮落，應(yīng)力突然向前迅速轉(zhuǎn)移導(dǎo)致小煤柱達到最大抗壓強度，形成超前連鎖垮落效應(yīng)，基本頂不能再形成砌體梁結(jié)構(gòu)，上覆新增荷載將大大高于支架承載能力，形成動載礦壓。

圖6 爆破前后工作面過煤柱期間礦壓特征

(2)根據(jù)動載礦壓發(fā)生機理，提出提前對房柱式采空區(qū)煤柱及周圍一定距離內(nèi)頂板實施爆破卸壓，破壞煤柱及周圍頂板的完整性，使得煤柱支撐的一定范圍內(nèi)的頂板垮落，以減弱來壓強度。

(3)結(jié)合石圪臺煤礦實際地質(zhì)條件，對房柱式采空區(qū)煤柱提前進行卸壓爆破，并通過現(xiàn)場微震檢測、礦壓實測等技術(shù)手段對爆破后工作面過煤柱期間壓力顯現(xiàn)進行了分析，證明卸壓爆破房柱式采空區(qū)煤柱可以有效防治動載礦壓。

[1] 鞠金峰，許家林，朱衛(wèi)兵等. 大柳塔煤礦22103綜采而壓架機理及防治技術(shù)田 [J]. 煤炭科學技術(shù)，2012(2)

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Treatmenttechnologyfordynamicminepressureofgobsthroughconcentratedcoalpillarusingroom-pillarminingmethod

Ma Chunxi

(Xinwang Coal Mining Co., Ltd., Shanxi Coal Transportation and Marketing Group, Datong, Shanxi 037000, China)

Aiming at the fully mechanized support crushing accidents in gobs of 31201 work face of Shigetai Mine when crossing through concentrated coal pillar using room pillar mining method, the crushing mechanism of accidents was analyzed, and propose the mitigation schemes of blasting pressure relief in advance within a certain distance in gobs and around roof, destruction of the integrity of coal pillar to collapse the roof and stress release in advance in order to reduce the risks of work face when crossing through coal pillars. Using the methods of microseismic monitoring and mine pressure analysis before and after the implementation of blasting, mining pressure and stress release appeared through coal pillar were studied. The results showed that unloading blasting of gobs of room-pillar mining was remarkable for effective prevention and control of dynamic mine pressure.

gob of room-pillar mining, concentrated coal pillar, dynamic mine pressure, pressure release blasting

山西省回國留學人員科研資助項目(2016-040)，山西省自然基金面上項目(201601D102038)

馬春喜. 房柱式采空區(qū)下過集中煤柱動載礦壓治理技術(shù)[J]. 中國煤炭，2017,43(12)：76-79，126.

Ma Chunxi. Treatment technology for dynamic mine pressure of gobs through concentrated coal pillar using room-pillar mining method [J]. China Coal，2017,43(12)：76-79，126.

TD326

A

馬春喜(1972-)，男，山西大同人，中級工程師，現(xiàn)就職于山西省煤炭運銷集團新旺煤業(yè)有限公司，主要從事煤炭開采管理工作。

(責任編輯 陶 賽)