楊俊哲，何 江，宋桂軍，王崧瑋

(1.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木，719315；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

神東礦區(qū)布爾臺煤礦一盤區(qū)42煤開采深度僅400m左右，但工作面回采過程中煤壁片幫嚴(yán)重，多次出現(xiàn)液壓支架爆缸等強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。同時工作面來壓期間，超前巷道礦壓顯現(xiàn)也十分強(qiáng)烈，曾多次出現(xiàn)單體支柱瞬間大范圍折斷等現(xiàn)象[1-3]。工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究一直是煤礦開采研究的熱點。工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律主要采用支架監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到。已有研究表明通過工作面支架工作阻力分析[4-6]，可以有效反映礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，但結(jié)合工作面支架工作阻力探索強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律方面的研究還比較少，且缺乏有效分析模式和分析方法。工作面強(qiáng)礦壓控制方面，對于由于臨近采空區(qū)懸頂導(dǎo)致的強(qiáng)礦壓，一般采取爆破或水力壓裂的辦法對懸空頂板實施預(yù)裂弱化，以便于頂板垮落，避免或減弱強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)[7-9]，但頂板弱化參數(shù)需要基于特定條件進(jìn)行設(shè)計，因此也需要對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究。

由于工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)記錄的支架工作阻力監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量極大，給礦壓規(guī)律分析帶來了極大困難。采用軟件編程的方法，實現(xiàn)了工作面礦壓規(guī)律的直觀分析，得出了礦壓分布規(guī)律，結(jié)合工作面地質(zhì)及開采條件，分析了強(qiáng)礦壓產(chǎn)生的原因，并提出防控措施，為現(xiàn)場強(qiáng)礦壓防治提供參考。

1 工作面概況

布爾臺煤礦42107綜放工作面開采42煤。采深由開切眼至終采線為430～370m，與上覆已開采的22煤層間距為45～78m，22煤厚度3.0～3.5m。工作面巖層賦存條件見表1。工作面設(shè)計長度300.3m，走向長度4807.9m，采高3.7m，放煤3.2m，采放比為1∶0.86。42107工作面為一采區(qū)第7個工作面，與42106工作面采空區(qū)隔離煤柱寬25m。42煤工作面與上覆22煤工作面交錯布置，22煤區(qū)段煤柱位于42煤工作面中部。42107綜放工作面機(jī)頭推進(jìn)至582.7m處，上覆22107-1綜采工作面跳采遺留一塊集中煤柱。當(dāng)工作面機(jī)尾推進(jìn)至654.6m處，上覆22106-1綜采工作面跳采遺留集中煤柱沿推進(jìn)方向長度201.0m，影響推進(jìn)范圍654.6～855.6m。由于工作面開切眼與兩巷不垂直，工作面運輸巷先期多推進(jìn)12.7m，至工作面垂直于回采巷道。42107工作面布置如圖1所示。42107工作面選用的液壓支架參數(shù)見表2。工作面支架采用電液控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，對支架工作阻力等參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。

表1 42107工作面巖層賦存條件

圖1 42107工作面區(qū)域采掘工程平面布置(m)

表2 工作面液壓支架基本參數(shù)

2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

42107工作面于2018年1月26日開始生產(chǎn)，至2月12日，工作面推進(jìn)約130m。采用VB.NET軟件編程技術(shù)，連接獲取液壓支架電液控制系統(tǒng)監(jiān)測的液壓支架工作阻力數(shù)據(jù)，提取每個工作循環(huán)每架液壓支架最大工作阻力，繪制工作面液壓支架最大阻力隨日期及推進(jìn)度之間的關(guān)系如圖2所示。其中2月6日工作面來壓期間一天中各支架循環(huán)最大阻力沿工作面分布如圖3所示。由圖2、圖3可知：

圖2 液壓支架最大工作阻力分布與推進(jìn)距離關(guān)系

圖3 2月6日工作面各支架循環(huán)最大阻力沿工作面分布情況

1)1月28日，工作面機(jī)頭推進(jìn)約25m、機(jī)尾推進(jìn)約4m，采空區(qū)直接頂從工作面第30號支架附近開始初次垮落。至1月29日早班，直接頂初次垮落至第12號支架處，向工作面中部垮落至第60號支架附近。隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，直接頂垮落范圍逐步向機(jī)尾發(fā)展。當(dāng)機(jī)尾頂板出現(xiàn)明顯運動時，機(jī)尾推進(jìn)距離大致也為25m。

2)直接頂初次垮落后，隨著工作面推進(jìn)工作面局部范圍出現(xiàn)周期性來壓，來壓步距10～15m。來壓范圍主要位于工作面中上部靠近運輸巷一側(cè)。來壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，從36MPa逐漸增大至50MPa以上。說明在此期間，工作面頂板單位時間內(nèi)，頂板下沉量增大，活動性增強(qiáng)。

3)當(dāng)工作面推進(jìn)至55～75m范圍時，工作面出現(xiàn)整體性來壓，來壓范圍14～144號支架對應(yīng)范圍，來壓最為明顯的范圍為22～128號支架。來壓強(qiáng)度達(dá)到48MPa以上，超過了液壓支架的額定載荷，多數(shù)支架出現(xiàn)泄壓閥開啟。此次來壓后，工作面來壓強(qiáng)度有所緩和，表明此次來壓應(yīng)為老頂初次來壓。

4)老頂初次來壓后，工作面來壓趨于穩(wěn)定，且來壓范圍除兩端頭外，基本呈現(xiàn)出工作面整體周期性來壓的狀態(tài)。周期來壓步距10～20m。表明工作面初期機(jī)頭機(jī)尾推進(jìn)度不一致對工作面礦壓顯現(xiàn)的影響基本消除，工作面已處于正常來壓階段。

5)工作面兩端頭正常階段機(jī)頭1到15～20號支架無明顯壓力，機(jī)尾130～149號支架無明顯壓力。老頂初次來壓階段工作面機(jī)頭、機(jī)尾來壓范圍有所增大。

3 強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理

42107工作面來壓主要表現(xiàn)為工作面中部來壓，工作面兩端來壓不明顯。尤其工作面機(jī)尾液壓支架壓力不明顯，而臨空側(cè)超前巷道底鼓變形嚴(yán)重。工作面機(jī)尾頂板壓力作用于區(qū)段煤柱，受煤柱支承的約束，頂板不易下沉變形。因此，在一個采煤循環(huán)中液壓支架難以形成較高的工作阻力。工作面機(jī)頭出現(xiàn)15～20架支架壓力不明顯，表明機(jī)頭靠近下一工作面實體煤對30～40m范圍端頭頂板形成良好約束，同時表明工作面頂板較為堅硬穩(wěn)定，采空區(qū)實體煤側(cè)形成了懸頂結(jié)構(gòu)，懸頂結(jié)構(gòu)最大長度達(dá)到20m左右。這也說明臨空側(cè)巷道壓力顯現(xiàn)明顯的原因之一是臨空側(cè)堅硬頂板懸頂[11]。從力學(xué)平衡的角度分析，如果端頭支架不能承載足夠工作阻力，懸頂結(jié)構(gòu)的重力將轉(zhuǎn)移到區(qū)段煤柱和超前煤體上，從而導(dǎo)致超前工作面兩巷應(yīng)力集中程度極高，表現(xiàn)為超前巷道，尤其臨空側(cè)巷道幫鼓及底鼓嚴(yán)重[12]。

由于22煤工作面區(qū)段煤柱處于42107工作面中部，上覆遺留煤柱應(yīng)力集中通過層間堅硬巖層傳遞，整體傳遞至工作面中部。同時由于層間距較大，以及層間巖層較為堅硬，42107工作面中部應(yīng)力并未在上覆遺留煤柱正下方小范圍集中顯現(xiàn)，而在巖層傳導(dǎo)作用下對工作面中部較大范圍形成影響。42107工作面長度達(dá)到300.3m，工作面長度較大，工作面中部覆巖受工作面兩端煤柱及實體煤的約束較小，覆巖發(fā)生初次破斷后，工作面中部巖體懸頂結(jié)構(gòu)可看作三面懸空的懸臂梁結(jié)構(gòu)，工作面中部覆巖穩(wěn)定性差，容易變形下沉作用于工作面支架，從而導(dǎo)致工作面中部壓力顯現(xiàn)明顯。

4 強(qiáng)礦壓防治方案

4.1 防治方法

根據(jù)布爾臺煤礦42107工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理，該工作面強(qiáng)礦壓的主控因素為42煤與22煤之間的堅硬巖層形成的臨空側(cè)懸頂、42煤遺留煤柱區(qū)形成的集中應(yīng)力。另外區(qū)段間寬煤柱留設(shè)對超前巷道強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)有較大影響。針對性提出布爾臺煤礦一盤區(qū)強(qiáng)礦壓防治方法。

工作面超前兩巷沿走向?qū)敯暹M(jìn)行水力壓裂或頂板深孔爆破，減小采空區(qū)懸頂面積，從而減弱臨空側(cè)煤柱及實體煤應(yīng)力集中，有效預(yù)防工作面超前巷道強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)。由于頂板爆破存在一定安全隱患，爆破躲炮時間長，對生產(chǎn)產(chǎn)生影響等，綜合考慮選擇水力壓裂處理頂板。水力壓裂鉆孔長度30m，仰角均為50°，鉆孔間距15m。煤柱側(cè)壓裂孔與巷道軸向的夾角為10°，實體煤側(cè)壓裂孔垂直巷道正幫布置。壓裂孔直徑56mm，孔內(nèi)每3m壓裂一次，煤層段不實施壓裂。壓裂工藝分三步進(jìn)行：①采用鉆機(jī)施工鉆孔；②利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達(dá)到封孔目的，封孔壓力12～16MPa；③連接高壓泵實施壓裂。

圖4 頂板水力壓裂方案

對于工作面中部22煤遺留煤柱區(qū)域礦壓控制，根據(jù)礦壓理論，為了減少頂板下沉，減弱頂板對工作面支架的擠壓作用，可減少該區(qū)域頂煤放出量，增加采空區(qū)冒矸對頂板的支撐作用，同時可加強(qiáng)支架支護(hù)質(zhì)量管理，控制礦壓顯現(xiàn)。

4.2 防治效果分析

4月1日至4月5日工作面過22煤上覆遺留煤柱區(qū)液壓支架最大工作阻力分布與推進(jìn)度的關(guān)系如圖5所示。對比圖2、圖5分析可知，當(dāng)工作面處于上覆遺留煤柱下開采時，工作面整體壓力有所增大，工作面支架工作阻力較為均衡?？拷\輸巷的機(jī)頭部支架工作阻力較小的區(qū)域沒有明顯變化，說明機(jī)頭處采空區(qū)懸頂范圍變化不大，而靠近回風(fēng)巷的機(jī)尾一側(cè)，由于進(jìn)行了頂板水力壓裂，機(jī)尾支架工作阻力較小的范圍明顯減小，從10～15架減少至5架左右，表明機(jī)尾部頂板懸頂范圍明顯減小。通過頂板水力壓裂，有效弱化了頂板巖層，減小頂板懸頂，從而減小由于頂板懸露導(dǎo)致的工作面超前及煤柱區(qū)應(yīng)力集中。

圖5 過上覆遺留煤柱區(qū)液壓支架最大工作阻力分布

通過實施頂板水力壓裂及工作面礦壓管理，42107工作面順利推過了上覆22煤遺留煤柱區(qū)域。42107工作面回采過程中，回風(fēng)巷礦壓顯現(xiàn)明顯比相鄰42106工作面礦壓顯現(xiàn)減弱，未出現(xiàn)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。工作面礦壓顯現(xiàn)對比分析表明，42107工作面強(qiáng)礦壓控制起到了明顯效果。

5 結(jié) 論

1)42107工作面從機(jī)頭向機(jī)尾逐步來壓，直接頂初次垮落步距約25m。工作面周期來壓步距10～15m。

2)工作面老頂初次來壓步距約為55～75m，來壓范圍為14～144號支架對應(yīng)工作面范圍，來壓最為明顯的范圍為22～128號支架，來壓強(qiáng)度達(dá)到48MPa以上。

3)工作面兩端受到煤柱和實體煤的約束作用，頂板處于懸頂狀態(tài)，工作面兩端頭正常階段機(jī)頭1到15～20號支架無明顯壓力，機(jī)尾130～149號支架無明顯壓力。工作面中部受22煤遺留區(qū)段煤柱集中應(yīng)力作用，容易變形下沉作用于工作面支架，導(dǎo)致工作面中部壓力顯現(xiàn)明顯。

4)采用水力壓裂切斷采空區(qū)邊沿懸頂，弱化工作面機(jī)尾側(cè)頂板，有效減弱了工作面超前段回風(fēng)巷壓力顯現(xiàn)；工作面中部22煤遺留煤柱區(qū)域采用加強(qiáng)支架支護(hù)質(zhì)量管理，減少放煤量等措施，減小了頂板對支架的作用，有效控制了工作面礦壓顯現(xiàn)。