萬新通，張少平，楊正偉

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

0 引言

近年來，隨著煤炭需求和開采力度的不斷加大，神東礦區(qū)各大礦井已相繼進入4-2煤、5-2煤層主采煤層的開采，局部埋深超過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、支架活柱短時間急劇大幅下縮、支架立柱爆缸、漏頂、片幫嚴重等劇烈的來壓現(xiàn)象，影響工作面的安全回采。因此，分析集中煤柱影響區(qū)域回采過程中礦壓顯現(xiàn)強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工作面回采的影響，提出針對性的管控措施。

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煤分叉復合煤層，分叉區(qū)煤厚4.0 m，復合區(qū)煤厚4.65～7.3 m，平均6.1 m，工作面推進長度4 728.4 m，工作面長313.2 m，設(shè)計采高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，采用走向長壁后退式采煤方法。

1.2 集中煤柱概況

42108綜放工作面在機尾推進至580.2 m處，工作面輔運順槽副幫向工作面131.5 m(機尾至工作面92號支架處)范圍內(nèi)上覆22107綜采工作面跳采遺留集中煤柱，煤柱沿推進方向長度341 m，影響推進范圍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。

計算分析：計算過程如圖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 進入煤柱時垂直應(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 出煤柱時應(yīng)力云圖Fig.7 Vertical stress nephogram when leaving out coal pillar

通過以上應(yīng)力云圖可以看出，工作面在進入集中煤柱附近時工作面應(yīng)力明顯增加，并有增大趨勢，在煤柱下回采工作面壓力相對穩(wěn)定，但在距出煤柱線區(qū)域煤柱對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

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

工作面逐漸向煤柱邊界推進，煤柱上方關(guān)鍵層將逐步發(fā)生周期性破斷回轉(zhuǎn)運動，巖塊之間相互鉸接，最終會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)點高于兩端節(jié)點時，結(jié)構(gòu)才能夠保持穩(wěn)定。而對于出煤柱階段關(guān)鍵塊體形成的拱形鉸接結(jié)構(gòu)，其中間節(jié)點低于兩端節(jié)點。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，導致下層工作面在回采過程中礦壓顯現(xiàn)劇烈。

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

煤柱下回采過程中，關(guān)鍵層會在煤柱邊界破斷形成“砌體梁”式的鉸接結(jié)構(gòu)，并承擔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程中，此結(jié)構(gòu)的斷裂巖塊必然會產(chǎn)生進一步的回轉(zhuǎn)運動；由于煤柱上方關(guān)鍵塊體相對回轉(zhuǎn)運動傳遞的過大載荷才造成了塊體“砌體梁”結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)，從而導致工作面頂板直接沿斷裂線切落，導致礦壓顯現(xiàn)強烈，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，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)鍵塊體相對回轉(zhuǎn)運動傳遞的過大載荷才造成了E塊體“砌體梁”結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)，從而導致工作面頂板直接沿斷裂線切落，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：①采用微震對于回采范圍內(nèi)的巖體破壞(裂)情況進行監(jiān)測，根據(jù)每日微震事件的總數(shù)量、總能量指標對工作面來壓情況進行預(yù)測、預(yù)報；②通過錨索(錨桿)應(yīng)力監(jiān)測、圍巖應(yīng)力依據(jù)應(yīng)力變化情況對工作面壓力情況進行預(yù)測、預(yù)報；③支架數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)除能及時反映工作面支架工作阻力是否滿足要求，還可以通過支架壓力數(shù)據(jù)分析工作面周期來壓步距、來壓強度，指導工作面安全生產(chǎn)。

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

頂板弱化：采用定向長鉆孔雙封單卡多點拖動式分段水力壓裂頂板弱化技術(shù)，弱化頂板強度，降低頂板完整性，預(yù)防頂板大面積懸頂突然垮落對工作面產(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，及時檢查和更換損壞安全閥，一方面確保支架對頂板的支護作用，另一方面支架工作阻力達到安全閥開啟值時能及時開啟，保護設(shè)備安全。

拉移距離與時間：加強輔運順槽超前支架拉移距離及拉移時間的管理，保證工作面超前支護質(zhì)量。

支護強度：根據(jù)支護強度計算，并結(jié)合相鄰工作面回采經(jīng)驗，合理采用φ28.6 mm×8 000 mm錨索對巷道頂、幫進行補強支護。

4.2 對比相鄰工作面礦壓情況

42107工作面出集中煤柱柱2.0 m時，工作面來壓支架最大工作阻力可達到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)來壓趨勢，支架載荷較大，最大壓力可達到59.8 MPa，來壓期間，80%支架載荷達到48 MPa以上，工作面推進8刀后工作面壓力才恢復正常，并且42107輔運順槽幫鼓最大1.5 m，頂?shù)装逡平孔畲? m。

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

綜上所述，通過以上措施有效弱化了頂板，降低了來壓強度，縮小了來壓周期，提高了礦壓預(yù)測、預(yù)報的準確性，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

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致出煤柱期間礦壓顯現(xiàn)劇烈。

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

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