房式采空区集中煤柱下动载矿压灾害防治技术

商晶志，付兴玉，李凤明，李宏艳，邓志刚，赵善坤，李少刚

(1.吉林煤矿安全监察局，吉林 长春 130021；2.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

房式采空区集中煤柱下动载矿压灾害防治技术

商晶志1，付兴玉2,3，李凤明2,3，李宏艳2,3，邓志刚2,3，赵善坤2,3，李少刚2,3

(1.吉林煤矿安全监察局，吉林 长春 130021；2.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

[摘要]针对神东矿区石圪台煤矿31201工作面出上覆房式采空区集中煤柱期间的动载矿压问题，通过现场实测及理论分析方法，结合动载矿压发生机理，研究了相应的灾害防治技术。结果表明：出集中煤柱回采期间，超前支承压力使具有有效支撑作用的集中煤柱及前方大面积小煤柱失稳，失稳煤柱覆岩运动使工作面覆岩受到动载荷作用，破坏了工作面覆岩断裂岩块间形成结构的稳定性，从而导致了动载矿压灾害的发生。据此认为，避免工作面覆岩受到动载荷作用是防治该类动载矿压灾害的关键，因此提出了以阻止、促进房式采空区覆岩运动为思路的动载矿压灾害防治措施，以及各措施的现场实施技术要求，并研究了各措施现场实施效果评价方式，现场应用后效果显著。

[关键词]房式采空区；集中煤柱；煤柱稳定性；动载荷；动载矿压；防治措施

神东矿区在开采初期多采用房式开采，采空区遗留有大量煤柱，包括宽度较大的隔离煤柱、护巷煤柱等集中煤柱及煤房中尺寸较小的小煤柱。下煤层工作面出上覆房式采空区集中煤柱期间易发生大量支架安全阀开启、立柱急剧下缩等现象，且煤壁片帮严重。基于以往学者的研究，将工作面发生的该类强烈矿压显现称为动载矿压灾害，该类灾害严重威胁着矿井的安全高效生产[1-3]。

一些学者[4-6]基于下煤层工作面出上覆长壁采空区集中煤柱期间动载矿压发生机理，研究了其相应的防治措施，就下煤层工作面出上覆房式采空区集中煤柱动载矿压问题，文献[1]已结合神东矿区石圪台煤矿的开采条件，对其发生机理进行了研究。研究结果表明，下煤层工作面出上覆房式采空区集中煤柱期间，工作面顶板的断裂、回转导致上煤层具有有效支撑作用的集中煤柱宽度减小，超前支承压力导致集中煤柱及其前方大面积小煤柱失稳，失稳煤柱覆岩的运动导致工作面上方煤层间岩层受到动载荷作用，煤层间岩层断裂岩块形成的结构失稳后，诱发下煤层工作面动载矿压灾害的发生。基于防治动载矿压的关键问题，文献[1]对该类动载矿压防治措施进行了初步研究，并取得了一定成效，但仍有待提出更全面的防治措施，且各防治措施对应的技术要求及防治效果评价手段等问题仍有待进一步研究，从而形成一套较完善且行之有效的防治技术。

本文以神东矿区石圪台煤矿31201工作面为工程背景，结合文献[1]研究成果，对下煤层工作面出上覆房式采空区集中煤柱期间动载矿压防治技术进行系统地研究，并进行现场应用，为同类矿井的安全开采提供技术支持。

1工程背景

神东矿区石圪台煤矿目前主采煤层3-1煤平均采厚3.9m，近水平赋存，平均埋深110m，首采面31201工作面倾斜长度311m，工作面支架额定工作阻力为18000kN，工作面上方38m位置为2-2煤房式采空区，采空区遗留有大量集中煤柱及小煤柱，2-2煤与3-1煤间赋存有1～2层关键层结构[1]。31201工作面出上覆房式采空区集中煤柱期间发生多起动载矿压灾害，伴随支架压死、煤壁片帮严重等现象，严重威胁着矿井的安全高效生产。

2动载矿压机理

结合文献[1]研究成果可知，下煤层工作面出房式采空区集中煤柱期间，工作面顶板的断裂、回转导致上方房式采空区集中煤柱断裂，如图1所示，具有有效支撑作用的集中煤柱宽度减小。若支承压力作用下，断裂线前集中煤柱全部处于塑性破坏区，该部分集中煤柱将失稳，超前支承压力转移至前方小煤柱。对于采留尺寸相同的房式采空区，超前支承压力峰值及应力增高区作用下的小煤柱保持稳定时临界弹性核宽度公式为：

(1)

式中，a为上煤层采空区煤房及小煤柱尺寸；q为小煤柱所受等效载荷；[σm]为小煤柱压缩应力峰值。

图1　出集中煤柱期间支承压力分布

小煤柱不能满足公式(1)要求时将失稳，局部小煤柱的失稳将导致其前方大面积小煤柱发生连锁失稳[7-8]，如图2(a)所示。

图2　煤柱失稳后覆岩运动情况

图2(a)中，煤柱失稳后其上覆一定厚度的岩层冒落，工作面上方上煤层覆岩断裂岩块A1，A2，A3将随前方失稳煤柱覆岩共同运动，并对煤层间岩层产生动载荷作用。当煤层间距不大、仅1～2层关键层时，动载荷将导致煤层间上位关键层失稳，进而导致下位关键层失稳，下煤层覆岩结构如图2(b)所示，此时支架工作阻力

F=BγL1(H1+H2)

(2)

式中，B为支架宽度；γ为冒落覆岩平均容重；L1为出集中煤柱回采时平均来压步距；H1为上煤层冒落覆岩厚度；H2为煤层间岩层厚度。

若工作面支架不能满足支护要求，将导致动载矿压灾害的发生，伴随支架压死等现象。

公式(2)中，支架将承担煤层间岩层及上煤层冒落覆岩的重量，显然支架受力较大。现场监测结果显示，石圪台煤矿出集中煤柱回采发生动载矿压灾害期间，工作面多个支架瞬间压力超过31440kN。由此可知，单纯提高支架额定工作阻力难以避免该类动载矿压灾害的发生，有必要对其防治技术进行系统地研究。

3防治技术

结合以上分析可知，下煤层工作面出上覆房式采空区集中煤柱期间，上煤层煤柱失稳后，工作面上方上煤层覆岩随其前方失稳煤柱冒落覆岩共同运动，导致煤层间岩层受到动载荷作用，是诱发工作面发生动载矿压的关键因素，因此防治该类动载矿压灾害的重点是消除工作面上方煤层间岩层承受的动载荷作用。基于此，提出了以阻止、促进房式采空区覆岩运动为思路的灾害防治措施。

3.1房式采空区充填

结合动载矿压发生机理可知，若能采取相应措施使得下煤层工作面回采期间，房式采空区集中煤柱及前方大面积小煤柱均保持稳定，房式采空区覆岩断裂岩块将可以形成稳定承载结构，煤层间岩层也将不会受到上覆动载荷作用，因而可以有效地避免下煤层工作面动载矿压灾害的发生。充填房式采空区可以满足这一要求，这一措施是从阻止房式采空区覆岩运动的角度考虑的。

充填房式采空区后，采空区煤柱稳定性增强，下煤层工作面回采期间，上煤层覆岩能形成稳定结构，对下煤层工作面产生保护作用，从而避免了动载矿压灾害的发生。

3.2集中煤柱爆破

房式采空区下回采时，若房式采空区集中煤柱及前方大面积小煤柱已提前失稳，且其覆岩逐步压实，上煤层失稳煤柱覆岩断裂岩块间形成具有一定承载能力的铰接关系[9]，此时回采下煤层工作面，工作面上方煤层间岩层将不会受到煤柱失稳引起的动载荷作用，从而避免动载矿压灾害的发生。爆破集中煤柱措施即可满足该要求，通过爆破措施促进集中煤柱失稳，并利用支承压力促进前方小煤柱失稳，从而促进煤柱覆岩提前运动。该措施是从促进上部房式采空区覆岩运动的角度考虑的。

根据钻孔装药方式不同，集中煤柱爆破可分为井下爆破及地表钻孔爆破，爆破的目的是促使房式采空区煤柱覆岩提前垮落，从而抑制动载矿压灾害的发生。

3.3技术要求

以上两种防治措施均是从控制动载矿压的重点问题出发提出的，但进一步结合该重点问题可知，要达到较好的防治效果，各措施在现场实施时应达到一定的技术要求。

3.3.1充填采空区

充填房式采空区后可提高煤柱的稳定性，继而阻止动载矿压灾害的发生。若采空区充填效果较差，则采空区煤柱稳定性较差，下煤层工作面回采期间，支承压力仍易导致煤柱失稳，进而诱发下煤层工作面动载矿压灾害的发生。因此采取充填措施时，应保证采空区充填较充分，从而保证采空区煤柱稳定性较高。

3.3.2爆破集中煤柱

3.3.2.1爆破应充分

采取爆破集中煤柱措施时，若煤柱爆破不充分，部分集中煤柱及小煤柱将保持稳定，下煤层工作面回采导致上煤层稳定的煤柱失稳后，煤层间岩层仍将受到动载荷作用，仍将导致动载矿压灾害的发生。

3.3.2.2留设合理的安全距离

出上煤层前一个集中煤柱后，集中煤柱前方大面积小煤柱已失稳，在本集中煤柱附近，由于集中煤柱的支撑作用使后方部分小煤柱仍保持稳定。因此，工作面在进集中煤柱前将依次经过小煤柱超前失稳区、小煤柱稳定区，如图3所示。

图3　爆破集中煤柱时工作面安全位置

图3中，集中煤柱经爆破失稳后，将引起其前后方小煤柱失稳。若此时工作面位于小煤柱稳定区内，或者工作面上方房式采空区覆岩未充分回转、未压实，小煤柱覆岩的运动仍会使工作面上方煤层间岩层受到动载荷作用。因此集中煤柱经爆破失稳时，工作面应处于小煤柱失稳区下，且工作面上方上煤层覆岩已充分回转、基本压实，工作面与集中煤柱间应满足一定的安全距离

D0≥d+(2～4)L

(3)

式中，d为集中煤柱后方保持稳定小煤柱宽度；L为小煤柱基本顶断裂岩块长度。

由于前方大面积小煤柱超前失稳后地表产生的多数裂隙滞后小煤柱失稳位置，取一定的安全系数，d可取地表多数裂隙发育位置的前端与集中煤柱的距离，安全距离多取(2～4)L是为保证集中煤柱爆破失稳时工作面上方上煤层覆岩已充分回转、基本压实。

3.3.2.3失稳煤柱覆岩压实后进行下煤层回采

上煤层煤柱失稳后，若失稳煤柱覆岩未充分压实，岩块间不能形成一定的铰接关系，若此时下煤层工作面在失稳煤柱下回采，工作面上方煤层间岩层将受到一定的动载荷作用。因此，应在上煤层煤柱失稳一段时间、失稳煤柱覆岩基本压实后，再进行下煤层的回采。

3.4实施效果评价方式

现场采取防治措施后，应采取一定的监测手段，以分析其现场实施效果，主要分析以下两个方面：评价防治措施是否达到了相应的技术要求，评价防治措施对动载矿压的防治效果。

3.4.1技术要求评价方式

对于充填措施，应保证采空区充填较充分，主要监测采动影响时充填后的采空区煤柱是否保持稳定，可通过地表裂隙及地表下沉监测实现。若地表未产生超前裂隙，工作面前方对应地表未发生较大范围的运动，则说明煤柱保持较好的稳定性。

对于爆破集中煤柱措施，可采用地表裂隙监测、地表下沉监测、地表钻孔多点位移计监测等手段研究煤柱是否爆破较充分，若集中煤柱及其前方小煤柱上方对应地表有裂隙发育、地表有明显下沉，煤柱覆岩中多点位移计有明显变化，则说明煤柱已充分失稳；对于安全距离的合理性，可以通过地表钻孔多点位移计、井下矿压监测等手段进行研究，若煤柱经爆破失稳时，工作面上方上煤层覆岩中多点位移计无明显变化，工作面支架阻力增幅较小，未发生煤壁严重片帮、安全阀开启等现象，则说明留设的安全距离合理；保证失稳煤柱覆岩已充分压实后再进行下煤层工作面回采，是为了避免下煤层工作面产生动载现象，这一点可以直接通过下煤层工作面在失稳煤柱下回采期间矿压显现情况进行验证，因此现场实施时无需采用相应的监测手段，只需在煤柱失稳一段时间后再进行下煤层回采即可。

3.4.2防治效果评价方式

在现场实施的防治措施达到以上技术要求后，可通过井下矿压监测对其防治效果进行评价。若下煤层在房式采空区下回采期间未发生明显的动载矿压灾害，则说明防治措施实现了较好的防治效果。

4工程应用

4.1防治措施优选

神东矿区石圪台煤矿距31201工作面切眼1100m位置的上部房式采空区留有一条宽14m的集中煤柱，为了保证下煤层工作面的安全回采，需采取有效的防治措施。

采用充填措施时，需向上煤层采空区打钻孔进行充填，由于房式采空区面积较大，所需充填体较多，钻孔及充填工程量巨大。采取爆破措施时，集中煤柱应力集中程度较大，集中煤柱钻孔不易钻进。对于较宽的集中煤柱，要使集中煤柱达到较好的爆破效果，需设炮眼数目较多。相比地表钻孔爆破方式，井下钻孔爆破集中煤柱时钻孔工程量较小；从费用上说，井下爆破集中煤柱费用明显小于充填采空区费用。由于集中煤柱宽度较小，且煤层层间距不大，综合考虑现场工程量及成本等问题，在石圪台煤矿选用井下爆破集中煤柱的防治措施。

在工作面偏机头侧，集中煤柱后方小煤柱稳定性较好，d平均为50m；在工作面偏机尾侧，集中煤柱后方小煤柱已基本失稳，d≈0。L取工作面在小煤柱失稳区下回采时的平均来压步距15m。由于现场条件的限制，最终取d=30m对集中煤柱实施爆破。

4.2现场实施效果评价

4.2.1现场技术要求评价

为分析煤柱覆岩运动情况，从集中煤柱及其前方30m小煤柱对应地表向岩层内部打钻孔并分别布置多点位移计S3,S4，以分析爆破后煤柱失稳情况，每个钻孔布置8个测点，各测点均位于2-2煤以上。集中煤柱爆破后，其监测结果如图4所示。从图4中可以看出，爆破集中煤柱后，集中煤柱覆岩及其前方小煤柱覆岩均发生运动，同时地表观测发现，集中煤柱对应地表产生大量超前裂隙，且集中煤柱及其前方小煤柱对应地表产生明显下沉，这说明经爆破措施后，集中煤柱及其前方小煤柱均已失稳。

图4　集中煤柱处多点位移计监测曲线

集中煤柱经爆破失稳时，工作面所处位置偏机尾侧对应地表布置有多点位移计S2，内部测点布置情况与S3测点相同，监测结果见图5。从图5中可以看出，在爆破集中煤柱前，工作面偏机尾侧上方2-2煤覆岩已产生较大的运动，集中煤柱失稳时，工作面上方2-2煤覆岩无明显运动，结合现场矿压显现监测结果，集中煤柱失稳时工作面偏机尾侧支架压力较弱，偏机头侧来压相对较强，这说明爆破前工作面偏机尾侧上方2-2煤覆岩已回转较充分且基本压实，留设的安全距离对工作面偏机尾侧合理，而对偏机头侧相对较小。由此可知，留设式(3)所述安全距离这一措施是合理的。

图5　S2 钻孔多点位移计监测曲线

4.2.2现场防治效果评价

2-2煤煤柱经爆破失稳一段时间后，进行下方31201工作面回采，工作面在失稳煤柱下回采期间矿压显现如图6所示，其中失稳集中煤柱下回采期间支架最大阻力约为15000kN，失稳小煤柱下回采期间支架最大阻力约为18000kN，均远小于动载矿压灾害发生时支架载荷。井下矿压监测发现，出集中煤柱回采期间下煤层工作面仅有少量支架出现安全阀开启及立柱的小量下缩等现象。以上监测结果说明，下煤层工作面在失稳集中煤柱及小煤柱下回采期间，上煤层失稳煤柱覆岩已基本压实，且断裂岩块间形成了具有一定承载能力铰接关系，可以有效地避免房式采空区下回采期间动载矿压灾害的发生。由于集中煤柱具有一定宽度，失稳后松散煤体对覆岩仍具有一定的支撑能力，覆岩断裂岩块易形成更稳定的铰接结构，因而失稳集中煤柱回采矿压显现相对较小。

图6　出失稳集中煤柱矿压显现

5结论

(1)出上覆房式采空区集中煤柱期间，支承压力导致房式采空区断裂线前集中煤柱及前方大面积小煤柱发生失稳，工作面上方上煤层覆岩随前方失稳煤柱覆岩运动，并对煤层间岩层产生动载荷作用，破坏了煤层间岩层形成承载结构的稳定性，从而诱发了下煤层动载矿压灾害的发生。

(2)结合动载矿压灾害发生机理，从避免工作面上方煤层间岩层受到动载荷作用出发，分别提出了充填房式采空区及爆破房式采空区集中煤柱两种防治措施，分别提出了各措施的现场实施技术要求，并研究了各措施现场实施效果评价方式。

(3)根据神东矿区石圪台煤矿的开采条件，为避免动载矿压灾害的发生，选用井下爆破集中煤柱的措施，现场应用效果显著。

[参考文献]

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[责任编辑：潘俊锋]

Disaster Prevention of Dynamic Loading Mine Pressure under Central Coal Pillar with Room Goaf

SHANG Jing-zhi1，FU Xing-yu2，3，LI Feng-ming2，3，LI Hong-yan2，3，DENG Zhi-gang2，3，ZHAO Shan-kun2，3，LI Shao-gang2，3

(1.Jilin Administration of Coal Mine Safety，Changchun 130021，China；2.China Coal Research Institute；Beijing 100013，China；3.State Key Laboratory of Coal Resources High Efficient Mining & Clean Utilization (China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China)

Abstract：In order to solving the dynamic loading mine pressure of central coal pillar in room goaf of 31201 working face of Shigetai coal mine of Shendong mine distract，on the basis of filed testing and theory analysis，and with occurrence mechanism of dynamic loading mining pressure，corresponding disaster prevention technology was studied.The results showed that central coal pillar and large amount small pillar ahead failed as abutment supporting pressured during mining period of central coal pillar，and overlying strata of working face was influenced by dynamic loading as instability coal pillar，the structural stability that formed by fractured rock blocks in overlying strata was destroyed，then dynamic loading mine pressure disaster appeared.So avoid dynamic loading was key point to prevention similar disaster of dynamic loading mine pressure.And then dynamic loading mine pressured prevention methods was put forward，which thinking is overlying strata of room goaf movement was prevented and promoted，and all other filed practical technologies，all kinds of filed practical results was evaluated，filed practical results is remarkable.

Key words：room goaf；central coal pillar；pillar stability；dynamic loading；dynamic mine pressure；prevention method

[收稿日期]2015-11-23[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.030

[基金项目]国家自然科学基金面上项目(51174112)；国家自然科学基金青年基金项目(51404140)

[作者简介]商晶志(1962-)，男，辽宁鞍山人，硕士，高级工程师，主要从事煤矿安全工作。

[中图分类号]TD323

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)03-0112-05

[引用格式]商晶志，付兴玉，李凤明，等.房式采空区集中煤柱下动载矿压灾害防治技术[J].煤矿开采，2016，21(3)：112-116.