陳曉宇

（晉能控股集團(tuán)四臺礦，山西 大同 037000）

1 概況

四臺礦位于山西省大同市，基巖地層以NNE走向?yàn)橹?，處于斷裂?gòu)造西側(cè)，受燕山運(yùn)動影響礦區(qū)周邊山脈較多。受開采煤層斷裂構(gòu)造影響，礦區(qū)的開采范圍應(yīng)力條件與煤巖運(yùn)動較為復(fù)雜，受地質(zhì)環(huán)境影響較大。四臺礦地處華北地區(qū)，板塊運(yùn)動呈東西向，邊界移動以走向滑動為主，南方邊界為張性邊界，北方邊界為壓性邊界，礦區(qū)所受應(yīng)力主要為NW至NNW的主拉應(yīng)力與NE至NEE向的主壓應(yīng)力。斷裂構(gòu)造以壓縮運(yùn)動為主，由于板塊的擠壓區(qū)域內(nèi)應(yīng)力較為集中，能量積聚較大，因此接近于斷裂構(gòu)造的礦區(qū)開采受礦壓影響概率較大。四臺礦的井田分布特征示意圖如圖1。

圖1 四臺礦井田分布特征示意圖

四臺礦煤層厚度約為90～98.66 m，石炭系太原組5～7號埋深約為450～650 m，煤層間距約為300～400 m，煤層厚度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上部主要為侏羅系采空區(qū)。煤層頂板堅(jiān)硬，覆巖結(jié)構(gòu)完整，巖層以砂巖為主，還包括砂巖、砂質(zhì)泥巖等。

2 強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理分析

2.1 礦壓特征

四臺礦礦壓主要有四個(gè)特征[1-2]：（1）石炭系太原組5-7號煤層基本頂來壓周期與步距較大，動載系數(shù)大，巖層穩(wěn)定性較強(qiáng)，破斷失穩(wěn)易造成強(qiáng)動載。（2）基本頂來壓礦壓顯現(xiàn)較強(qiáng)。基本頂來壓持續(xù)時(shí)間較長，強(qiáng)度較大，支架安全閥開啟頻次較高，支架承受壓力大，超前支護(hù)有悶墩響動現(xiàn)象，鋼梁存在彎曲折損，頂板存在下沉、底鼓、幫鼓等現(xiàn)象。（3）周期來壓呈強(qiáng)弱交替變化。1～2次一般強(qiáng)度來壓后會出現(xiàn)1次強(qiáng)周期來壓，會出現(xiàn)煤壁片幫、增阻支架增多、連續(xù)來壓等現(xiàn)象。（4）強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)時(shí)期，圍巖動載明顯，會發(fā)生壓架事故。

2.2 礦壓顯現(xiàn)機(jī)理分析

上述礦壓特征分析表明，四臺礦的石炭系煤層所具有的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)與常規(guī)的綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律有所差別，規(guī)律差別的原因可從地質(zhì)影響與開采技術(shù)影響兩方面進(jìn)行分析研究[3-8]。在地質(zhì)方面，四臺礦的石炭系煤層位于斷裂構(gòu)造區(qū)域，斷裂構(gòu)造周邊板塊的運(yùn)動會使斷裂位置處于高應(yīng)力集中區(qū)，煤巖會聚集較高的能量，當(dāng)下方煤層被開采擾動后，覆巖內(nèi)的能量就會釋放到下部煤層工作面，造成強(qiáng)礦壓的顯現(xiàn)；同時(shí)，隨著石炭系煤層的開采，上部的覆巖層會產(chǎn)生多層垮裂，使得頂板穩(wěn)定性大幅度降低。在開采技術(shù)方面，侏羅系煤層采空區(qū)與石炭系煤層開采工作面呈垂直分布，并且石炭系開采煤層切眼通常位于侏羅系煤層煤柱下方，當(dāng)石炭系煤層開采推進(jìn)至侏羅系下方時(shí)，就會使石炭系煤層頂板壓力變大，顯現(xiàn)強(qiáng)烈礦壓；同時(shí)，石炭系煤層的開采會使大采空區(qū)垮裂高度增加，頂板擾動范圍增大，使得應(yīng)力場分布與集中應(yīng)力影響增大。并且，工作面的推進(jìn)會使上部巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，頂板垮落與破斷會大幅度增加支架載荷。因此，石炭系煤層強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)是煤柱與覆巖活動聯(lián)合作用的結(jié)果，其作用機(jī)理示意圖如圖2。

圖2 石炭系煤層強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)作用機(jī)理示意圖

通過對四臺礦實(shí)測分析，石炭系煤層80315工作面的開采使頂板垮裂高度達(dá)160～170 m，侏羅系煤層煤柱應(yīng)力集中深度為60～80 m，兩區(qū)域貫通最大距離為210～250 m，而四臺礦實(shí)際煤層間距僅有160～210 m。由此可知，四臺礦的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)主要因素為石炭系煤層的開采使得覆巖頂板垮斷，從而影響了煤柱下方的應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力區(qū)內(nèi)積聚的能量釋放，造成頂板失穩(wěn)，從而形成強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。如圖3。

圖3 強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)煤柱與覆巖活動聯(lián)合作用示意圖

3 石炭系煤層強(qiáng)礦壓控制研究

3.1 開采技術(shù)優(yōu)化

通過對強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理分析可知，巖體應(yīng)力為主要礦壓顯現(xiàn)控制因素，較高的構(gòu)造應(yīng)力使得強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。為使石炭系煤層開采過程中構(gòu)造應(yīng)力減小，本文主要從采掘布置、開采順序兩方面提高開采可靠度[9-10]。煤層開采受地質(zhì)環(huán)境影響較大時(shí)，應(yīng)首先合理布置工作面、選擇較為匹配的開采方式，減少對高應(yīng)力影響區(qū)開采；其次，應(yīng)合理安排開采順序，優(yōu)先開采煤層原始應(yīng)力較低區(qū)域；最后應(yīng)使用煤巖輔助控制措施，減少礦壓顯現(xiàn)程度。

在采掘布置優(yōu)化方面，通過對四臺礦應(yīng)力分布測量發(fā)現(xiàn)，需將工作面回采巷道方向布置為巷道軸向與主應(yīng)力夾角小于25°；在開采順序方面，依據(jù)應(yīng)力分布特點(diǎn)與煤巖活動特征，四臺礦應(yīng)優(yōu)先開采井田的東西區(qū)域，然后開采井田中部，使中部區(qū)域煤層的覆巖可以充分活動，降低應(yīng)力集中程度，提高開采安全可靠性；在煤巖輔助控制措施方面，四臺礦還經(jīng)常出現(xiàn)水壓致裂的現(xiàn)象，故需進(jìn)行相關(guān)的輔助控制措施。當(dāng)工作面推進(jìn)到高應(yīng)力賦存的煤層區(qū)域時(shí)，應(yīng)提前進(jìn)行壓致裂或預(yù)裂爆破措施，使煤巖結(jié)構(gòu)被破壞，提高裂隙發(fā)育程度，從而減輕覆巖活動的能量釋放，緩解強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)程度。

3.2 支架優(yōu)化

依據(jù)四臺礦石炭系煤層頂板的破斷特征與支架阻力設(shè)計(jì)方法，選取了ZF15000/27.5/42型液壓支架。液壓支架的額定工作阻力由13 000 kN提升至15 000 kN，通過相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度液壓支架阻力的充分利用，使頂板控制效果得以提升。

4 結(jié)論

（1）四臺礦的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)主要因素為石炭系煤層的開采使得覆巖頂板垮斷，從而影響了煤柱下方的應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力區(qū)內(nèi)積聚的能量釋放，造成頂板失穩(wěn)，從而造成的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。

（2）經(jīng)開采技術(shù)優(yōu)化與液壓支架優(yōu)化后，四臺礦強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)得以有效控制，壓架事故顯著減少。