房式采空区失稳煤柱下回采异常矿压发生机理

王 寅，付兴玉，李凤明，刘文玉，张 彬，李少刚

（1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京100013；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；4.吉林省能源信息中心，吉林长春130021）



矿山压力与灾害控制

房式采空区失稳煤柱下回采异常矿压发生机理

王 寅1，3，付兴玉1，3，李凤明2，刘文玉4，张 彬1，3，李少刚1，3

（1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京100013；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；4.吉林省能源信息中心，吉林长春130021）

针对神东矿区石圪台煤矿31201工作面在上覆房式采空区失稳煤柱下回采期间矿压显现异常问题，利用现场实测和理论分析方法，对失稳煤柱下回采矿压显现异常的机理进行了研究。结果表明：失稳煤柱下回采期间，上煤层失稳煤柱冒落覆岩断裂岩块间不能形成铰接结构，且工作面上方冒落覆岩上覆岩层断裂岩块与其前方岩层共同向下运动，从而增加了下煤层顶板受力，使工作面呈现来压步距减小、来压强度增大的特征；由于失稳煤柱覆岩对煤层间岩层的作用力相比出集中煤柱期间小，因此未发生动载矿压灾害；煤层间岩层厚度的增加将减小下煤层顶板受力，进而减小失稳煤柱下回采矿压显现强度；提出在上煤层房式采空区失稳煤柱覆岩运动较充分后再进行下煤层开采的控制措施。

房式采空区；失稳煤柱；异常矿压；稳定铰接结构

神东矿区在大规模开采前以房式开采为主，采空区遗留有大量煤柱，随着矿区开采强度的不断加大，矿区逐步进入下方第二主采煤层开采。下煤层工作面的回采导致上煤层房式采空区大面积超前工作面的煤柱发生失稳［1-4］。下煤层工作面推过失稳煤柱区域时发生异常矿压，工作面部分支架伴随立柱小量下缩、安全阀开启等现象，对工作面的安全高效生产产生较大的影响。

目前，一些学者认为下煤层工作面在房式采空区下回采期间，超前支承压力导致工作面上方煤柱失稳，失稳煤柱顶板的运动增大煤层间岩层受力，进而导致下煤层工作面顶板灾害的发生［1，5-8］。但是，针对上煤层房式采空区煤柱已提前失稳，下煤层工作面在失稳煤柱下回采期间发生异常矿压的原因，以往学者并未进行深入研究。基于此，本文以神东矿区石圪台煤矿31201工作面为工程背景，研究失稳煤柱下回采期间下煤层工作面异常矿压的发生机理，并针对发生机理提出相应的控制措施，为该类条件下工作面的安全回采提供技术支持。

1　工程背景

1.1工作面概况

神东矿区石圪台煤矿位于陕蒙交界，目前主采煤层为3-1煤，煤层平均采厚3.9m，倾角1～3°，平均埋深120m。首采面31201工作面长1865m，宽311m，共布置156个支架，支架额定工作阻力为18000kN。工作面上方为2-2煤房式采空区，2-2煤平均采厚5m，采空区遗留有大量煤柱，上下两煤层平均层间距为38m。

如图1所示是工作面覆岩赋存情况，根据关键层判别［9-10］可知覆岩中仅一层关键层结构，且位于3-1煤基本顶位置，距2-2煤底板19.4m。

图1　失稳煤柱覆岩关键层赋存情况

1.2异常矿压特征

31201工作面在实体煤下、失稳煤柱下回采期间支架阻力变化情况如图2所示。结合图2及现场观测情况知，31201工作面在实体煤下回采期间工作面周期来压步距为17.6～22.4m，平均19.84m；来压期间支架末阻力为13382～17803kN，平均为14973kN；动载系数为1.13～1.28，平均1.22；来压平均持续约 1.76m；支架立柱下缩不明显。31201工作面在失稳煤柱下回采期间周期来压步距为8.8～16m，平均13.44m；来压期间支架末阻力为14914～19572kN，平均为17937kN；动载系数为1.35～1.45，平均1.39；来压平均持续5.92m；来压期间持续发生漏矸、片帮等情况，部分支架伴随立柱下缩、安全阀开启等现象，对工作面安全高效生产具有较大影响。

针对31201工作面在失稳煤柱下回采期间异常矿压问题，在现场采用地表岩移及多点位移计等监测手段对其发生机理展开研究。

图2　不同回采条件下矿压显现

2　失稳煤柱下回采异常矿压发生原因初探

为了研究在2-2煤失稳煤柱下回采期间31201工作面地表下沉规律，在工作面对应地表的中部沿推进方向布置多个测点，每日观测各测点下沉情况，通过地表下沉来判断上覆岩层运动情况。为监测31201工作面回采期间，上煤层房式采空区煤柱失稳时覆岩运动情况，从工作面对应地表向岩层内部打钻孔并在孔内布置多点位移计，孔内的多点位移计自上而下布置C1～C8共8个测点，各测点均处于2-2煤覆岩中，与2-2煤的垂直距离分别为41m，31m，21m，16m，13.6m，10.5m，6.6m，3.6m。

通过勘探地表发现，6月28日工作面对应地表产生大量超前于工作面的裂隙，这说明2-2煤大面积超前工作面的煤柱已发生失稳。图3所示是煤柱失稳前后失稳煤柱对应的每日地表下沉情况，各竖线对应下煤层工作面位置，相邻两日地表下沉量差值即为地表日下沉量。

结合图3可知，上煤层房式采空区煤柱失稳前，由于上覆岩层不能随工作面回采及时破断，在工作面后方具有一定的悬臂长度，工作面后方60～70m位置对应地表下沉量最大。煤柱失稳时，工作面后方0～70m、前方0～90m范围内对应地表均具有明显下沉，且日下沉量较大，这说明工作面后方覆岩悬臂段随前方覆岩共同向下运动，据此推断工作面前方煤柱已发生失稳。一般地，随着工作面回采，工作面对应地表下沉具有一定的超前影响角，但超前影响角范围内地表下沉量较小。结合图3，煤柱失稳时工作面前方0～90m范围内对应地表下沉量均较大，由此可知该范围内地表下沉主要由煤柱失稳导致。

图3　失稳煤柱下回采期间地表下沉情况

通过以上分析知，工作面前方0～90m范围内上煤层房式采空区煤柱已失稳。

房式采空区煤柱失稳后，煤柱覆岩运动情况如图4所示。从图4中可以看出，2-2煤房式采空区煤柱失稳后，覆岩中C6，C7，C8层位约11m厚的岩层与上部岩层产生离层并迅速冒落。

图4　失稳煤柱覆岩运动情况

结合图3还可以看出，下煤层工作面在失稳煤柱下回采期间，工作面前后一定范围内对应地表持续下沉，这说明下煤层工作面推过失稳煤柱时，失稳煤柱覆岩尚未压实。

综合以上分析推断，下煤层工作面的回采诱发房式采空区煤柱失稳，工作面在失稳煤柱下回采期间，失稳煤柱覆岩的运动将改变下方煤层间岩层受力，从而导致工作面发生异常矿压。

在此基础上，需进一步从覆岩结构形态入手研究下煤层工作面在上覆失稳煤柱下回采期间异常矿压发生机理。

3　失稳煤柱下回采异常矿压发生机理分析

3.1失稳煤柱下回采覆岩结构形态

根据关键层理论［9-10］，关键层及其上覆软弱岩层发生协调变形、破断，关键层及软弱岩层均具有一定的承载能力。当关键层上覆软弱岩层中存在不具有承载能力岩层时，该部分岩层将以载荷的形式作用于下方关键层上。根据相关学者的研究成果［1，13-14］，在上部不具有承载能力的岩层作用下关键层及其所控软弱岩层承受均布载荷:

式中，qz（x），Ez，hz为关键层及其上覆第z层协调变形岩层承受的均布载荷、弹性模量、岩层厚度；n为协调变形总岩层数；Q为上部不具有承载能力的岩层重量；为协调变形的岩层总重量；为协调变形岩层的总抗弯强度。

根据 “砌体梁”理论［11-12］，工作面覆岩破断后，断裂岩块前方岩层固定，与后方断裂岩块产生相对回转运动，该断裂岩块才具有一定承载能力。

对于采用长壁回采工艺的重复采动煤层，上煤层回采时覆岩断裂岩块逐步回转，岩块间铰接紧密，因而下煤层回采期间上煤层已破断覆岩断裂岩块间仍能形成稳定的承载结构。房式采空区下工作面回采期间，超前工作面大范围煤柱失稳，失稳煤柱覆岩迅速冒落，沿推进方向各冒落的断裂岩块间存在一定的错位及接触不紧密等情况，因此各块间不能形成一定的承载结构，仅以载荷的形式作用于煤层间岩层；失稳煤柱冒落覆岩上覆岩层断裂岩块将随其前方断裂岩块共同向下运动，因而铰接结构不稳定。

如图5所示，上煤层失稳煤柱冒落覆岩将直接以载荷的形式作用于煤层间岩层；冒落覆岩上覆断裂岩块A，B及上部未断裂岩层将同时向下运动，因而相比实体煤下回采，此时煤层间岩层受力增大。若煤层间不存在关键层结构，显然下煤层顶板受力将增大；若煤层间存在一层关键层结构，结合公式（1）可知，下煤层顶板受力将明显增加，因而顶板更易断裂，工作面呈现来压步距减小、来压强度增大的特征。

图5　工作面覆岩结构

3.2与出集中煤柱动载矿压对比分析

文献［1］认为工作面出集中煤柱回采期间，集中煤柱及前方大面积小煤柱失稳后，煤柱冒落覆岩以动载形式作用于煤层间岩层上，导致煤层间岩层形成结构失稳，下煤层工作面发生动载矿压灾害，伴随大量支架安全阀开启、立柱急剧下缩等现象，严重威胁着矿井的安全高效生产。

下煤层工作面在失稳煤柱下回采期间，若上覆失稳煤柱覆岩已运动一段时间，此时下煤层工作面上方失稳煤柱覆岩断裂岩块间共同向下运动幅度将有所减小，对煤层间岩层作用力将减小，因而下煤层工作面顶板受力也将减小。若煤层间岩层厚度较大、支架阻力较大，覆岩运动即可以得到控制，因而下煤层工作面仅发生异常矿压，部分支架伴随安全阀开启、立柱下缩等现象。

3.3煤层间岩层厚度对异常矿压的影响

工作面覆岩中关键层及软弱岩层均具有一定的承载能力，岩层自下而上弯曲、破断、回转需要一定的时间，上煤层覆岩对下部煤层的作用力将由煤层间岩层中上部尚未破断岩层及下部已破断岩层形成的承载结构共同承担，且未破断岩层的承载能力比已破断岩层形成承载结构的承载能力强。煤层间岩层厚度增大、关键层数目不变时，煤层间岩层的破断将得到延迟，因而下煤层基本顶关键层受力将减小；煤层间岩层厚度增大、关键层数目也增大时，由于关键层的承载能力强于软弱岩层，因而下煤层基本顶关键层受力将减小更加明显。

综合以上分析可知，无论煤层间岩层中关键层数是否增加，只要煤层间岩层厚度增加，下煤层基本顶关键层受力均将减小。因而，对于不同层间距的煤层，当工作面在上覆房式采空区失稳煤柱下回采时，煤层间岩层厚度越大，下煤层工作面异常矿压显现将越弱。

3.4现场验证

结合图1可知，31201工作面覆岩中仅存在一层关键层结构，位于煤层间岩层中，且属于3-1煤基本顶，2-2煤覆岩中无关键层结构。结合前面分析结果，2-2煤小煤柱失稳后，其上覆11m厚的覆岩冒落，且断裂岩块间不能形成具有承载能力的铰接结构。结合地表下沉监测结果可知，31201工作面过上覆失稳煤柱时，失稳煤柱覆岩已运动一段时间，因此工作面上方冒落覆岩以载荷形式作用于煤层间岩层，且冒落覆岩上覆岩层与其前方岩层发生一定幅度的运动。由于煤层间岩层厚度较大，工作面支架支撑能力较强，因而31201工作面并未发生动载矿压灾害，工作面仅呈现持续片帮、漏矸和支架安全阀开启、立柱下缩等现象，与实体煤下回采相比，此时工作面来压步距减小、强度增大。

4　异常矿压控制措施

通过上述可知，失稳煤柱下回采期间，上煤层冒落覆岩不具有承载能力，且冒落覆岩上覆岩层断裂岩块随前方断裂岩块共同向下运动，因而工作面上方煤层间岩层受力增大，这是造成失稳煤柱下回采异常矿压产生的主要原因。因此，减小失稳煤柱覆岩对煤层间岩层的作用力是控制该类矿压产生的关键。

由于随着失稳煤柱覆岩不断运动，在失稳煤柱覆岩逐步压实，冒落覆岩错位的断裂岩块间逐步能形成一定的铰接关系，且冒落覆岩上覆岩层向下运动幅度减小，铰接结构稳定性增强，此时失稳煤柱覆岩对煤层间岩层作用力将减小。失稳煤柱覆岩压实程度越大，冒落覆岩形成铰接结构的可能性越大、铰接结构越稳定，失稳煤柱覆岩上覆岩层断裂岩块随其前方断裂岩块共同向下运动的幅度越小，因而煤层间岩层受力也越小。

因此，若能保证失稳煤柱下回采前，上煤层失稳煤柱覆岩已达到一定程度的压实，即可有效减小失稳煤柱覆岩对煤层间岩层受力。据此，提出在上煤层房式采空区失稳煤柱覆岩运动较充分后再进行下煤层开采的控制措施。限于篇幅，本文对控制措施不做详细说明，将在以后的研究中继续分析。

5　结 论

（1）相比实体煤下回采，失稳房式采空区煤柱下回采期间，下煤层工作面呈现来压步距减小，来压强度增大的特征；现场实测得到了失稳煤柱覆岩运动规律，对失稳煤柱下回采异常矿压原因进行了初步分析。

（2）失稳煤柱覆岩压实前，冒落覆岩断裂岩块间不能形成承载结构，且工作面上方冒落覆岩上覆岩层断裂岩块与其前方断裂岩块间共同向下运动，从而增大了煤层间岩层受力，进而导致失稳煤柱下工作面发生异常矿压，但矿压显现强度比出集中煤柱动载矿压弱；煤层间岩层厚度越大，房式采空区失稳煤柱下回采时工作面矿压显现强度越弱。

（3）结合失稳煤柱下矿压显现异常的机理，提出在上煤层房式采空区失稳煤柱覆岩运动较充分后再进行下煤层回采的控制措施。

［1］付兴玉，李宏艳，李凤明，等.房式采空区集中煤柱诱发动载矿压机理及防治研究［J］.煤炭学报，2016，41（6）: 1375-1383.

［2］魏立科，张 彬，付兴玉，等.房式采空区下特殊岩梁结构支架工作阻力分析［J］.岩石力学与工程学报，2015，34（10）:2142-2147.

［3］肖剑儒，李少刚，张 彬，等.浅埋深煤层房采区下综采工作面动压控制技术［J］.煤炭科学技术，2014，42（10）: 20-23.

［4］李浩荡，杨汉宏，张 斌，等.浅埋房式采空区集中煤柱下综采动载控制研究［J］.煤炭学报，2015，40（S1）:6-11.

［5］白庆升，屠世浩，王方田，等.浅埋近距离房式煤柱下采动应力演化及致灾机制［J］.岩石力学与工程学报，2012，31（S2）:3772-3778.

［6］曹胜根，曹 洋，姜海军.块段式开采区段煤柱突变失稳机理研究［J］.采矿与安全工程学报，2014，31（6）:907-913.

［7］王方田，屠世浩，李召鑫，等.浅埋煤层房式开采遗留煤柱突变失稳机理研究［J］.采矿与安全工程学报，2012，29（6）:770-775.

［8］王方田.浅埋房式采空区下近距离煤层长壁开采覆岩运动规律及控制［D］.徐州:中国矿业大学，2012.

［9］钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究［J］.煤炭学报，1996，21（3）:225-230.

［10］许家林，钱鸣高.覆岩关键层位置的判别方法［J］.中国矿业大学学报，2000，29（5）:463-467.

［11］许家林，鞠金峰.特大采高综采面关键层结构形态及其对矿压显现的影响［J］.岩石力学与工程学报，2011，30（8）: 1547-1556.

［12］钱鸣高，缪协兴，何富连.采场 “砌体梁”结构的关键块分析［J］.煤炭学报，1994，19（6）:557-563.

［13］钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2010.

［14］钱鸣高，缪协兴.采场上覆岩层结构的形态及受力分析［J］.1995，14（2）:97-106.

［15］朱卫兵.浅埋近距离煤层重复采动关键层结构失稳机理研究［D］.徐州:中国矿业大学，2010.

［16］许家林，朱卫兵，王晓根，等.沟谷地形对浅埋煤层开采矿压显现的影响机理［J］.煤炭学报，2012，37（2）:179-185.

［17］张志强.沟谷地形对浅埋煤层工作面动载矿压的影响规律研究［D］.徐州:中国矿业大学，2010.

［18］许家林，朱卫兵，王晓根，等.浅埋煤层覆岩关键层结构分类［J］.煤炭学报，2009，34（7）:865-870.

［19］侯忠杰.浅埋煤层关键层研究［J］.煤炭学报，1999，24（4）:359-363.

［20］侯忠杰.组合关键层理论的应用研究及其参数确定［J］.煤炭学报，2001，26（6）:611-615.

［责任编辑：潘俊锋］

Occurrence Mechanism of Abnormal Pressure with Mining under Instability Pillar of Room and Pillar Goaf

WANG Yin1，3，FU Xing-yu1，3，LI Feng-ming2，LIU Wen-yu4，ZHANG Bin1，3，LI Shao-gang1，3
（1.Mine Safety Technology Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；3.State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining&Clean Utilization（China Coal Research Institute），Beijing 100013，China；4.Energy Information Center of Jilin Province，Changchun 130021，China）

In order to solve the abnormal pressure problem of 31201 working face during mining period under up instability pillar of room and pillar goaf of Shigetai coal mine in Shendong mine district，on the basis of field measurement and theory analysis，the mechanism of abnormal pressure was studied.The results showed that the broken rock block that formed by upper instability pillar overburden fall could not formed hinge structure，and the overburden broken rock block that formed by falling overburden ahead working face and its front rock strata moved downward together，and roof pressure of lower coal seam would increased，the characters of working face that pressure interval decreased and pressure strength increased appeared，the interaction that instability pillar overburden to rock strata of inter coal seams was smaller than the value during concentrated pillar period，so dynamic pressure disaster was prohibited，roof pressure of lower coal seams would be decreased with the thickness of rock strata increased inter coal seams，then mining pressure strength would be decreased under instability pillar，and some controlling measures，such as lower coal seam mining should be started after overburden of up coal seam room and pillar goaf instability pillar movement fully.

room and pillar goaf；instability coal pillar；abnormal pressure；stability hinge structure

巷道支护理论与技术

TD323

A

1006-6225（2016）04-0103-04

2015-12-14

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.027

国家自然科学基金青年基金项目（51404140）；国家自然科学基金项目（51704150）；中煤科工集团科技创新基金（2014ZD008）

王 寅（1989-），男，山东兖州人，硕士研究生，研究方向为矿压防治及顶板管理。

［引用格式］王 寅，付兴玉，李凤明，等.房式采空区失稳煤柱下回采异常矿压发生机理［J］.煤矿开采，2016，21（4）：103-106，55.