郭 帥，段曉博

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

神東礦區(qū)目前作為我國(guó)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(jiǎn)單的特點(diǎn)。在開發(fā)前期，由于受到開采技術(shù)水平、開采設(shè)備、工作面布置方式等方面的限制，實(shí)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(hù)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(shí)，易誘發(fā)強(qiáng)烈的動(dòng)載礦壓災(zāi)害，該類災(zāi)害嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)[1-8]。

在我國(guó)許多學(xué)者對(duì)工作面在煤柱下開采問題進(jìn)行了大量的研究。張杰[9]認(rèn)為房采采空區(qū)下，工作面在出煤柱階段會(huì)出現(xiàn)動(dòng)載礦壓現(xiàn)象，動(dòng)載礦壓會(huì)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(duì)下煤層影響深度為20m。徐敬民[11]認(rèn)為由于房采煤柱受到工作面超前應(yīng)力及工作面采動(dòng)影響，上覆巖層發(fā)生運(yùn)動(dòng)，向下傳遞較大的載荷，導(dǎo)致工作面上方層間巖層發(fā)生斷裂破壞，造成頂板災(zāi)害的發(fā)生。于斌[12]等認(rèn)為“煤柱-覆巖運(yùn)動(dòng)”的聯(lián)合作用誘發(fā)工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。由此可見，由于上覆集中煤柱的存在，導(dǎo)致下煤層工作面頂板結(jié)構(gòu)及應(yīng)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(tái)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(dòng)載礦壓機(jī)理及防治技術(shù)，為類似條件下工作面安全回采提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 工程概況

神東石圪臺(tái)煤礦位于陜西省神木境內(nèi)，31203綜采工作面位于石圪臺(tái)煤礦31煤二盤區(qū)，工作面長(zhǎng)度337m，推進(jìn)長(zhǎng)度1865m，設(shè)計(jì)采高3.9m?；夭煞秶鷥?nèi)煤層底板標(biāo)高1089～1096m，煤層傾角1°～3°，平均埋深110m，工作面采用157臺(tái)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(duì)31203工作面通過第4號(hào)集中煤柱時(shí)動(dòng)壓災(zāi)害機(jī)理及治理技術(shù)進(jìn)行研究，4號(hào)集中煤柱距切眼763.1～825.6m，寬62.5m，影響范圍為整個(gè)工作面。

圖1 31203綜采工作面集中煤柱覆存

2 集中煤柱下動(dòng)載礦壓機(jī)理

當(dāng)下煤層工作面在進(jìn)入上覆集中煤柱時(shí)，覆巖移動(dòng)特征如圖2所示。在31煤工作面進(jìn)上覆集中煤柱階段，工作面基本頂巖塊V發(fā)生會(huì)出現(xiàn)變形、垮落，隨著巖塊V的垮落，勢(shì)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(dāng)巖塊III單獨(dú)垮落時(shí)會(huì)造成31煤工作面頂板壓力增大，當(dāng)巖塊III與巖塊V同時(shí)發(fā)生垮落，兩層垮落的頂板同時(shí)作用于31煤工作面，大量集聚彈性能被釋放，導(dǎo)致工作面強(qiáng)烈的礦山壓力。由于巖塊III的鉸接結(jié)構(gòu)，一部分重量由采空區(qū)矸石承擔(dān)，煤柱破壞導(dǎo)致其變形的回轉(zhuǎn)半徑較小，因此即使兩層頂板同時(shí)垮落，對(duì)于工作面造成的沖擊載荷有限。

圖2 工作面進(jìn)集中煤柱時(shí)覆巖移動(dòng)特征

當(dāng)下煤層工作面在進(jìn)入上覆集中煤柱時(shí)，覆巖移動(dòng)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(dāng)集中煤柱發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí)，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(duì)31煤工作面造成的動(dòng)載礦壓強(qiáng)度同要較大，而且集中煤柱越寬，對(duì)工作面形成的動(dòng)載礦壓越強(qiáng)，當(dāng)兩層煤的基本頂同時(shí)發(fā)生失穩(wěn)、垮落，往往會(huì)形成強(qiáng)烈的動(dòng)載礦壓災(zāi)害?，F(xiàn)場(chǎng)開采實(shí)踐證明，出集中煤柱期間誘發(fā)動(dòng)載礦壓災(zāi)害的概率較大，強(qiáng)度更強(qiáng)[13-16]。

圖3 工作面出集中煤柱時(shí)頂板移動(dòng)特征

3 數(shù)值模擬研究

為詳細(xì)了解石圪臺(tái)煤礦31203工作面過上覆4號(hào)集中煤柱時(shí)采場(chǎng)圍巖應(yīng)力變化特征，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)工作面開采情況進(jìn)行了模擬研究。模型采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，頂部設(shè)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(zhǎng)度337m，推進(jìn)長(zhǎng)度200m，上覆22煤集中煤柱寬度62.5m，數(shù)值模擬中單次推進(jìn)步距為5m。

31203工作面通過集中煤柱期間采場(chǎng)圍巖應(yīng)力變化特征如圖4所示，由圖4可知，工作面進(jìn)煤柱期間，4號(hào)集中煤柱應(yīng)力范圍逐漸縮小，而工作面前方超前應(yīng)力不斷增加，說明在工作面進(jìn)煤柱過程中受到采動(dòng)影響，4號(hào)集中煤柱開始出現(xiàn)塑性破壞，應(yīng)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(yīng)力集中，現(xiàn)場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)工作面壓力增大，煤壁片幫嚴(yán)重等礦壓顯現(xiàn)特征；當(dāng)工作面在集中煤柱下方回采時(shí)，煤柱內(nèi)集中應(yīng)力范圍進(jìn)一步縮小，應(yīng)力進(jìn)一步釋放，釋放的集中應(yīng)力向下轉(zhuǎn)移到31203工作面；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，出煤柱過程中，煤柱應(yīng)力出現(xiàn)了瞬間減小，當(dāng)工作面出煤柱后，4號(hào)煤柱集中應(yīng)力已經(jīng)消失。工作面頂板及前方集中應(yīng)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(huì)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(shí)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(dòng)載礦壓災(zāi)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(chǎng)圍巖應(yīng)力變化特征

圖5 工作面過煤柱期間煤柱承受最大應(yīng)力變化

工作面過煤柱期間煤柱承受最大應(yīng)力變化特征如圖5所示。由圖5可知，工作面在接近煤柱時(shí)，在采動(dòng)應(yīng)力影響下，4號(hào)煤柱所受最大應(yīng)力值開始增加，進(jìn)入煤柱2.2m時(shí)達(dá)到最大，最大值為6.79MPa達(dá)到了原巖應(yīng)力的2.26倍，在這樣的高應(yīng)力下煤柱開始逐漸發(fā)生破壞，進(jìn)入煤柱下方后，最大應(yīng)力值逐漸減小，當(dāng)距出煤柱10.6m時(shí)，煤柱最大應(yīng)力開始增加，直至出煤柱后4.8m后達(dá)到最大，最大值為7.65MPa達(dá)到了原巖應(yīng)力的2.55倍，之后瞬間降低，說明此時(shí)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(chǎng)極易發(fā)生動(dòng)載礦壓災(zāi)害。

4 集中煤柱綜合治理技術(shù)

4.1 預(yù)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(hào)煤柱時(shí)，極易發(fā)生動(dòng)載礦壓災(zāi)害。決定采用預(yù)裂爆破的方法對(duì)4號(hào)集中煤柱及其周圍頂板進(jìn)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(shí)的礦壓強(qiáng)度。

爆破方案由地表向井下4號(hào)集中煤柱及其周圍頂板進(jìn)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(zhǎng)度11.6m，煤柱外裝藥長(zhǎng)度10.0m，炮孔充填長(zhǎng)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(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 爆破炮孔及裝藥結(jié)構(gòu)

4.2 其他防治措施

4.2.1 合理控制循環(huán)進(jìn)度

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生成需要，最大限度降低工作面推進(jìn)速度，并保持均衡生產(chǎn)，如果工作面循環(huán)進(jìn)度過快，會(huì)導(dǎo)致基本頂形成較長(zhǎng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)，頂板垮落時(shí)影響面積較大，釋放大量的彈性能，對(duì)工作面造成強(qiáng)烈的動(dòng)載沖擊。降低工作面推進(jìn)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(shí)，由于超前應(yīng)力的影響，可能導(dǎo)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(guān)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(yùn)動(dòng)時(shí)，采取停機(jī)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(jìn)，為集中煤柱及其圍巖運(yùn)動(dòng)提供充足時(shí)間，可大大降低發(fā)生動(dòng)載礦壓的概率及強(qiáng)度。

4.2.3 采高最大化

結(jié)合工作面條件及現(xiàn)場(chǎng)其它要求，過煤柱期間將采高調(diào)整至最大，對(duì)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(yīng)由于集中煤柱突然破壞、頂板突然垮落對(duì)工作面造成的動(dòng)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(shí)進(jìn)出4號(hào)集中煤柱，對(duì)工作面進(jìn)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(yùn)輸機(jī)容易發(fā)生竄動(dòng)。在生產(chǎn)過程中應(yīng)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(dá)標(biāo)(25.2MPa以上)，發(fā)揮好支架主動(dòng)支護(hù)的性能；提前對(duì)支架安全閥進(jìn)行校核，確保來壓時(shí)安全閥能夠正常開啟，同時(shí)避免因安全閥問題導(dǎo)致立柱下沉量增大，最終導(dǎo)致支架被壓死。

5 防治效果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證31203工作面過集中煤柱綜合防治技術(shù)的效果，在相鄰的31204工作面回采過程中未對(duì)同一位置的4號(hào)煤柱實(shí)施綜合防治措施?，F(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)31203和31204工作面過4號(hào)煤柱進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)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(duì)上覆集中煤柱及周圍頂板提前進(jìn)行預(yù)裂爆破后，工作面通過煤柱過程中，來壓強(qiáng)度明顯緩和。31203工作面過4號(hào)煤柱期間支架平均工作阻力15423kN，31204工作面未實(shí)施爆破過4號(hào)煤柱期間支架平均工作阻力為17021kN，增加了1598kN，且實(shí)施爆破后工作面進(jìn)出煤柱期間，支架工作阻力也有明顯的下降。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果，31204綜采工作面在通過4號(hào)煤柱過程中隨未發(fā)生壓架事故，但是在進(jìn)出煤期間，工作面來壓非常強(qiáng)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(dá)到800～1000mm，支架立柱下縮200～600mm；而31203工作面過4號(hào)煤柱時(shí)現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)較為緩和。

因此進(jìn)一步說明，對(duì)上覆集中煤柱及周圍頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破等 綜合防治措施，對(duì)于防治工作面動(dòng)載礦壓災(zāi)害效果明顯。提前預(yù)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(gòu)發(fā)生改變，重新生成了穩(wěn)定的頂板結(jié)構(gòu)，并隨著工作面不斷推進(jìn)發(fā)生周期性斷裂，從而有效的避免了動(dòng)載礦壓的發(fā)生。

6 結(jié) 論

1)通過理論分析得到，石圪臺(tái)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(dāng)其與31煤層頂板同時(shí)折斷、垮落時(shí)，極易誘發(fā)動(dòng)載礦壓災(zāi)害。

2)通過數(shù)值模擬分析得到，31203工作面在進(jìn)煤柱期間上覆集中煤柱應(yīng)力范圍逐漸減小并向31煤層進(jìn)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(yīng)力作用下發(fā)生破壞，應(yīng)力突然減小，煤柱上覆頂板及工作面頂板發(fā)生垮落對(duì)工作面造成沖擊，誘發(fā)動(dòng)載礦壓災(zāi)害。

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

4)通過現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)對(duì)工作面過煤柱期間實(shí)施防治措施后礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，對(duì)上覆集中煤柱及周圍頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破等綜合防治措施，對(duì)于防治工作面動(dòng)載礦壓災(zāi)害效果顯著。