浅埋集中煤柱诱发动载矿压机理及防治技术研究

郭 帅，段晓博

(内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014000)

神东矿区目前作为我国主要的浅埋煤层矿区，其矿区煤炭具有埋藏浅、基岩薄、开采条件简单的特点。在开发前期，由于受到开采技术水平、开采设备、工作面布置方式等方面的限制，实际开采过程中采空区遗留了大量的尺寸不一的煤柱，包括各类型隔离煤柱、护巷煤柱等，其中有些煤柱尺寸较宽，甚至出现有集中煤柱群。随着神东矿区煤炭开采逐渐向深部转移，下煤层工作面在通过这些较宽的集中煤柱时，易诱发强烈的动载矿压灾害，该类灾害严重威胁着矿井的安全生产[1-8]。

在我国许多学者对工作面在煤柱下开采问题进行了大量的研究。张杰[9]认为房采采空区下，工作面在出煤柱阶段会出现动载矿压现象，动载矿压会在工作面位于煤柱下方最后一次来压后10m范围内发生。郭卫彬[10]以大地精矿房采采空区下工作面回采作为工程背景，得出了房采煤柱对下煤层影响深度为20m。徐敬民[11]认为由于房采煤柱受到工作面超前应力及工作面采动影响，上覆岩层发生运动，向下传递较大的载荷，导致工作面上方层间岩层发生断裂破坏，造成顶板灾害的发生。于斌[12]等认为“煤柱-覆岩运动”的联合作用诱发工作面强矿压显现。由此可见，由于上覆集中煤柱的存在，导致下煤层工作面顶板结构及应力状态也发生了变化，使得下煤层工作面回采过程中矿压显现剧烈，极易发生顶板事故。

以石圪台煤矿31203工作面过上覆集中煤柱为背景，研究集中煤柱诱发下煤层工作面动载矿压机理及防治技术，为类似条件下工作面安全回采提供科学指导。

1 工程概况

神东石圪台煤矿位于陕西省神木境内，31203综采工作面位于石圪台煤矿31煤二盘区，工作面长度337m，推进长度1865m，设计采高3.9m。回采范围内煤层底板标高1089～1096m，煤层倾角1°～3°，平均埋深110m，工作面采用157台ZY18000/35/45D液压支架，31203综采工作面与22煤层间距34～43.2m。工作面上覆共有9组22煤集中煤柱，其中8组与工作面布置方向平行，一组与工作面布置方向垂直。煤柱位置如图1所示。主要对31203工作面通过第4号集中煤柱时动压灾害机理及治理技术进行研究，4号集中煤柱距切眼763.1～825.6m，宽62.5m，影响范围为整个工作面。

图1 31203综采工作面集中煤柱覆存

2 集中煤柱下动载矿压机理

当下煤层工作面在进入上覆集中煤柱时，覆岩移动特征如图2所示。在31煤工作面进上覆集中煤柱阶段，工作面基本顶岩块V发生会出现变形、垮落，随着岩块V的垮落，势必要引起上覆集中煤柱发生破坏、变形，从而影响到其上覆原本稳定的顶板岩块III发生失稳、垮落，当岩块III单独垮落时会造成31煤工作面顶板压力增大，当岩块III与岩块V同时发生垮落，两层垮落的顶板同时作用于31煤工作面，大量集聚弹性能被释放，导致工作面强烈的矿山压力。由于岩块III的铰接结构，一部分重量由采空区矸石承担，煤柱破坏导致其变形的回转半径较小，因此即使两层顶板同时垮落，对于工作面造成的冲击载荷有限。

图2 工作面进集中煤柱时覆岩移动特征

当下煤层工作面在进入上覆集中煤柱时，覆岩移动特征如图3所示。在31煤工作面出上覆集中煤柱阶段，31煤基本顶岩块V随工作面回采发生破坏、回转直至垮落，岩块V的变形直接影响到了其上覆集中煤柱的稳定性。当集中煤柱发生失稳破坏时，靠其支撑的顶板I、II岩块随煤柱的破坏发生滑落、失稳，由于靠集中煤柱支撑的顶板面积大，滑落、失稳对31煤工作面造成的动载矿压强度同要较大，而且集中煤柱越宽，对工作面形成的动载矿压越强，当两层煤的基本顶同时发生失稳、垮落，往往会形成强烈的动载矿压灾害。现场开采实践证明，出集中煤柱期间诱发动载矿压灾害的概率较大，强度更强[13-16]。

图3 工作面出集中煤柱时顶板移动特征

3 数值模拟研究

为详细了解石圪台煤矿31203工作面过上覆4号集中煤柱时采场围岩应力变化特征，采用FLAC3D数值模拟软件对工作面开采情况进行了模拟研究。模型采用摩尔库伦准则，顶部设置为自由面，侧面及底面法向约束，模拟块体采用六面体单元，模拟工作面长度337m，推进长度200m，上覆22煤集中煤柱宽度62.5m，数值模拟中单次推进步距为5m。

31203工作面通过集中煤柱期间采场围岩应力变化特征如图4所示，由图4可知，工作面进煤柱期间，4号集中煤柱应力范围逐渐缩小，而工作面前方超前应力不断增加，说明在工作面进煤柱过程中受到采动影响，4号集中煤柱开始出现塑性破坏，应力得到释放，并向下转移，在工作面顶板及前方煤体内形成应力集中，现场会出现工作面压力增大，煤壁片帮严重等矿压显现特征；当工作面在集中煤柱下方回采时，煤柱内集中应力范围进一步缩小，应力进一步释放，释放的集中应力向下转移到31203工作面；随着工作面继续推进，出煤柱过程中，煤柱应力出现了瞬间减小，当工作面出煤柱后，4号煤柱集中应力已经消失。工作面顶板及前方集中应力范围及数值均现大幅度下降，说明工作面在出煤柱过程中，煤柱会出现突然破坏，上覆岩体整体垮落，工作面顶板折断，积聚的能量短时间内被释放，给工作面造成巨大的冲击，正常推采的工作面极易发生动载矿压灾害，该结果与理论分析一致。

图4 工作面过集中煤柱期间采场围岩应力变化特征

图5 工作面过煤柱期间煤柱承受最大应力变化

工作面过煤柱期间煤柱承受最大应力变化特征如图5所示。由图5可知，工作面在接近煤柱时，在采动应力影响下，4号煤柱所受最大应力值开始增加，进入煤柱2.2m时达到最大，最大值为6.79MPa达到了原岩应力的2.26倍，在这样的高应力下煤柱开始逐渐发生破坏，进入煤柱下方后，最大应力值逐渐减小，当距出煤柱10.6m时，煤柱最大应力开始增加，直至出煤柱后4.8m后达到最大，最大值为7.65MPa达到了原岩应力的2.55倍，之后瞬间降低，说明此时煤柱已经破坏，失去承载能力，煤柱上方顶板发生垮落，现场极易发生动载矿压灾害。

4 集中煤柱综合治理技术

4.1 预裂爆破集中煤柱

通过理论分析及数值模拟分析，可知31203综采工作面在通过上覆第4号煤柱时，极易发生动载矿压灾害。决定采用预裂爆破的方法对4号集中煤柱及其周围顶板进行爆破卸压，使得集中煤柱提前破坏，依靠煤柱支撑的顶板提前发生垮落，从而减弱工作面通过集中煤柱时的矿压强度。

爆破方案由地表向井下4号集中煤柱及其周围顶板进行钻孔、装药、爆破。炮孔孔距20m；炮孔直径190mm，集中煤柱内炮孔深度88m，煤柱外顶板炮孔深度78m；为煤柱得到充分破坏，煤柱内装药长度11.6m，煤柱外装药长度10.0m，炮孔充填长度14m，单孔装药量330kg，爆破炸药单耗为0.3kg/m3。爆破使用露天乳化炸药。爆破设计如图6所示。

图6 爆破炮孔及装药结构

4.2 其他防治措施

4.2.1 合理控制循环进度

结合现场生成需要，最大限度降低工作面推进速度，并保持均衡生产，如果工作面循环进度过快，会导致基本顶形成较长的悬臂梁结构，顶板垮落时影响面积较大，释放大量的弹性能，对工作面造成强烈的动载冲击。降低工作面推进速度后，不但可以缩短基本顶悬顶面积，降低弹性能集聚，而且在工作面临近煤柱时，由于超前应力的影响，可能导致煤柱提前破坏，破坏后垮落的顶板作用于工作面前方煤体，缓解工作面压力。

4.2.2 合理避压措施

工作面在过集中煤柱期间，密切关注工作面矿压显现情况，遇到工作面有明显来压征兆或上覆顶板出现明显的运动时，采取停机避压措施，最大限度的释放上覆顶板集聚的弹性能后再次推进，为集中煤柱及其围岩运动提供充足时间，可大大降低发生动载矿压的概率及强度。

4.2.3 采高最大化

结合工作面条件及现场其它要求，过煤柱期间将采高调整至最大，对于31203工作面而言，将工作面采高调整到不低于3.9m，在来压情况下保证支架立柱有足够的下缩量来适应由于集中煤柱突然破坏、顶板突然垮落对工作面造成的动载矿压现象，从而最大程度的避免因支架立柱下缩量增大而造成压架事故。

4.2.4 大角度调斜工作面

为了使31203工作面支架不同时进出4号集中煤柱，对工作面进行调斜处理，端头比端尾或者端尾比端头超前10m开采，若超前距离小于10m，则无法起到分散压力的作用，太大运输机容易发生窜动。在生产过程中应根据煤柱的分布情况予以调斜，最大限度的使工作面各部分不同步受到集中煤柱的影响。

4.2.5 保证支架状态

过煤柱期间保证支架初撑力达标(25.2MPa以上)，发挥好支架主动支护的性能；提前对支架安全阀进行校核，确保来压时安全阀能够正常开启，同时避免因安全阀问题导致立柱下沉量增大，最终导致支架被压死。

5 防治效果分析

为了进一步验证31203工作面过集中煤柱综合防治技术的效果，在相邻的31204工作面回采过程中未对同一位置的4号煤柱实施综合防治措施。现场分别对31203和31204工作面过4号煤柱进行了矿压监测，监测结果如图7所示。

图7 工作面过煤柱期间矿压特征

由图7可知，对上覆集中煤柱及周围顶板提前进行预裂爆破后，工作面通过煤柱过程中，来压强度明显缓和。31203工作面过4号煤柱期间支架平均工作阻力15423kN，31204工作面未实施爆破过4号煤柱期间支架平均工作阻力为17021kN，增加了1598kN，且实施爆破后工作面进出煤柱期间，支架工作阻力也有明显的下降。根据现场矿压监测结果，31204综采工作面在通过4号煤柱过程中随未发生压架事故，但是在进出煤期间，工作面来压非常强烈，来压期间大部分安全阀开启，甚至出现了喷射状，片帮深度达到800～1000mm，支架立柱下缩200～600mm；而31203工作面过4号煤柱时现场矿压显现较为缓和。

因此进一步说明，对上覆集中煤柱及周围顶板进行预裂爆破等 综合防治措施，对于防治工作面动载矿压灾害效果明显。提前预裂爆破煤柱及周围顶板，使煤柱及其支撑的顶板提前发生破坏。顶板原来的铰接结构发生改变，重新生成了稳定的顶板结构，并随着工作面不断推进发生周期性断裂，从而有效的避免了动载矿压的发生。

6 结 论

1)通过理论分析得到，石圪台煤矿31煤开采过程中，上覆集中煤柱发生屈服破坏，靠其支撑的顶板岩层随煤柱破坏而发生垮落，当其与31煤层顶板同时折断、垮落时，极易诱发动载矿压灾害。

2)通过数值模拟分析得到，31203工作面在进煤柱期间上覆集中煤柱应力范围逐渐减小并向31煤层进行传递，煤柱、工作面顶板及其前方煤体受力均出现增大的现象；工作面出煤柱期间，集中煤柱在高应力作用下发生破坏，应力突然减小，煤柱上覆顶板及工作面顶板发生垮落对工作面造成冲击，诱发动载矿压灾害。

3)结合31203工作面实际情况提出了提前预裂爆破煤柱及其周围顶板、合理控制循环进度等动载矿压防治措施。

4)通过现场矿压监测对工作面过煤柱期间实施防治措施后矿压显现特征进行了对比分析，结果表明，对上覆集中煤柱及周围顶板进行预裂爆破等综合防治措施，对于防治工作面动载矿压灾害效果显著。