近距离煤层跨煤柱开采技术在煤峪口矿的应用

安平华

(大同煤矿集团 煤峪口矿，山西 大同 037041)

伴随矿井开采深度的增加，煤峪口侏罗系煤层开采殆尽，14#层410盘区现阶段为该矿唯一的主采盘区，410盘区14#层煤与上覆11-12#合并层层间距较小，仅为2.5～14.8 m，属近距离开采煤层，这给14#层回采带来极大的安全隐患[1-3]. 工作面在上覆煤层采空区及残留煤柱的影响区域内容易出现应力集中、矿压显现等情况，易引发工作面压架及大面积冒顶事故[4]，严重制约了本煤层的安全开采[5]. 许多国内外学者对浅埋煤层开采过程的矿压做了大量的研究，取得许多前瞻性理论成果。张百胜[6]等采用数值模拟得出了煤柱支撑压力在下覆煤层顶板的分布规律，得出巷道结构在非均匀荷载下出现局部破坏，为近距离下部煤层回采时巷道布置提供了指导；王路军[7]等根据上覆主关键层破断后岩体的回转运动对下覆层工作面来压周期的影响方面进行了研究；鞠金峰[8]等从控制关键块体的回转运动的角度，研究了下煤层工作面在煤柱下方区域时发生动压荷载矿压显现防治对策。本文在上述理论研究的基础上，通过采用数值模拟结合工程实测的研究方法，分析了上覆残留煤柱内应力分布规律及其在底板内应力的传递规律，制定了有效的防范措施，保证了工作面回采期间安全生产，避免了大面积断面漏顶及压架事故[9-10]的发生，对相似条件下工作面安全回采具有重要的参考意义。

1 工作面地质概况

煤峪口矿井田位于山西省大同市南西,地处大同市矿区煤峪口村。井田从东向北西方向呈不规则狭长的马鞍形，东西长为10.5 km，南北宽为1.8 km. 井田面积为15.154 5 km2，现开采14#层。其中81012工作面位于14#层410盘区中部，西与410盘区皮带巷、轨道巷、回风巷相连，东为隔矿界煤柱，其余方向均为实煤。工作面倾向长度为173.4 m，走向长度为998 m，回采面积为173 053.2 m2，煤层平均厚度为2.3 m,煤层结构简单。工作面直接顶为深灰色粉砂岩与细粒砂岩互层，胶结较坚硬，平均厚度为3.9 m，基本顶为灰白色细砂岩，节理发育，均厚2.1 m.

81012工作面基岩厚度48～120 m，上覆为11-12#合并层81012综放工作面采空区，11-12#层81010、81012工作面留设20 m煤柱，具体位置见图1.煤层综合柱状见图2.

图1 工作面上覆煤柱位置布置图

图2 煤层综合柱状图

2 上覆煤柱应力分布规律

依据14#层81012工作面实际布置情况，采用UDEC数值模拟软件建立模型。模型长度150 m，高度100 m，将模型的左、右、下部边界固定铰支，上部边界为自由边界，设置大小为5 MPa的均布载荷模型，见图3. 采用摩尔—库仑本构模型进行数值计算。

图3 数值计算模型图

数值模拟得出14#号上覆煤层煤柱造成底板应力分布，见图4.上覆煤柱在14#层顶板一定范围内形成应力增高区，同时在远离煤柱一定范围形成应力降低区。从图4b)可得出，11-12#层煤柱造成底板应力增高区约30 m，远大于11-12#层与14#层层间距，煤柱下方区域应力集中程度自中间向两侧递减。残留煤柱集中应力影响到工作面围岩稳定性，易发生片帮、冒顶及压架事故[11].

由图4 a)可得出，上覆煤柱水平应力降低区为远离煤柱7 m以后区域，即在回采期间工作面2#—20#架处于煤柱应力集中区，尤其是7#—14#来压显现较为强烈，并出现步距压力显现，显现步距14 m左右。以平均工作阻力计来压动载系数1.2～1.4，平均强度不大；以最大瞬时工作阻力计来压动载系数1.4～1.6，强度非常大，最大动压荷载约为30 MPa，具有瞬时冲击倾向，即基本顶悬板在近煤壁前方发生瞬时断裂引起，如若工作面在初次及周期来压时，工作面支架初撑力不足及支架工作面阻力不够时，易造成工作面发生漏顶及压架事故。

3 现场实测结果分析

基于上述模拟，利用工作面回采期间压力记录仪实时监测顶板压力情况。本工作面共布置9条测线，分别在6#、11#、21#、36#、51#、66#、88#、95#、111#支架上各安装一块YHY60(B)矿用本安型数字压力计(矿压记录仪)，并在其余支架上各安装一块YHY60(A) 矿用本安型数字压力计(双针表)，对工作面进行顶板动态连续监测，取81012工作面正常生产期间的数据进行分析，见图5.

由图5可知，工作面11#支架附近应力显现明显，工作面呈现周期来压，来压步距约15 m，工作面在周期来压时，煤柱下方矿压显现剧烈，最大支护阻力约为30 MPa，现场实测结果符合模拟结果。

4 回采期间预防压架、漏顶事故措施

图4 煤柱应力分布规律图

图5 工作面支架压力曲线图

4.1 提高支架初撑力

统计分析，提高支架初撑力，增强支架在采场有效支护能力，能够有效避免顶板在采场支护范围提前离层，防止顶板悬臂梁超前煤壁断裂，减轻机道顶煤受压破碎，避免产生端面漏顶。

4.2 提高支架完好率

在煤柱应力集中区，即1#—20#采用新支架支护，其余为修复支架。同时要加强检修力度，对工作面支架立柱、液管、操作阀及泵站进行全面检查，及时维修、更换，杜绝支架“跑、冒、滴、漏、窜”及自降现象，确保综采工作面支架支护有效，防止顶板提前离层压迫顶煤，产生端面漏顶。

4.3 带压超前移架

工作面生产过程中，按规程与岗位工种规范要求进行循环作业，杜绝非正规作业。1#—20#支架必须带压超前移架，其他范围要及时追机移架，严禁大面积、长时间超空顶作业，保证有效端面距。当机道顶板破碎，压力显现较大时，要加快工作面推进速度，移架后顶梁前加单体增强支护，保证采场有效支护。

当机道顶板破碎严重，移架困难时，应从架间隙及煤壁前方打眼注射马丽散对破碎顶煤进行加固，并制定专项措施。

4.4 其他措施

在工作面进行回采前，对综采工作面所有设备，液压支架及乳化液泵站的液压系统管路、连接销子及安全阀进行检修，保证工作面设备在过上覆集中煤柱期间处于正常状态[12].加强工作面过上覆煤柱期间的工程质量管理，严格执行安全技术措施。

5 结 论

1) 通过对81012工作面上覆煤柱应力分布规律研究，得出14#层顶板形成应力降低区距煤柱的水平距离为7 m， 11-12#层煤柱造成底板破坏深度达 30 m.

2) 工作面2#—20#架范围处于煤柱应力集中区，工作面4～38 m受到残留煤柱影响，尤其是7#—14#来压显现较为强烈，并出现步距压力显现，显现步距15 m左右。

3) 回采期间通过采用提高支架初撑力，加强工作面支护，提高支架完好率，带压超前移架等措施保证了工作面安全回采。

参 考 文 献

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