工作面采出遗留煤柱压架机理与治理措施

2021-05-10姚志红张飞腾张永强伊文港

煤矿安全 2021年4期

姚志红，张飞腾，张永强，，伊文港

（1.神东天隆集团霍洛湾煤矿，内蒙古鄂尔多斯017200；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221116）

神东矿区采用煤层群下行开采技术，与单一煤层开采相比，其回采难度和风险更大[1-3]。在工作面推进过程中，往往会面临顶板、水、有害气体等灾害防治问题[4-7]。在上层煤存在遗留的集中保护煤柱时，工作面采出煤柱时存在严重的安全风险[1,4-8]：①煤柱受上方厚硬顶板支撑应力对下层煤工作面及回采巷道形成较大的应力集中；②受采空区、煤柱、顶板的影响，煤柱支承应力与下层工作面顶板运动垮落形成叠加，造成顶板局部突然切顶垮落；③应力集中引起大面积煤柱失去支撑能力，引发冲击矿压，导致综采工作面切顶压架灾害。据不完全统计，神东矿区自2007 年以来已累计发生出煤柱压架事故例10起以上[10-13]，煤柱压架事故成为影响矿区安全生产的主要难题之一。

工作面上方存在遗留煤柱时，其强矿压问题存在3 个主控环节[14]：施载体（遗留煤柱上方顶板）、过渡体（遗留煤柱和层间岩层）、承载体（工作面和液压支架）。在施载体方面，鞠金峰[10,14]采用提前超前爆破遗留煤柱上方顶板、煤柱边界预掘空巷等，破坏块体铰接砌体梁使其提前失稳，从而降低工作面过煤柱期间的动载冲击风险；在过渡体方面，付兴玉[15]提出提前爆破上覆集中煤柱的防治措施，确定了爆破时工作面与集中煤柱间应满足的安全距离，在现场应用效果显著；在承载体方面，杨俊哲[16]使用水力压裂技术处理层间顶板，超前弱化岩体、治理遗留煤柱下方的应力集中问题，压裂后的工作面顶板来压步距、动载系数、最高压力均有降低；此外，工作面开采参数调整，如缩短面长、调斜采面、提高采厚、增大支架阻力等方法在工作面过遗留煤柱期间同样起到关键作用[17-18]。

上述治理手段已经在神东矿区的石圪台、布尔台、上湾、大柳塔等多个煤矿实施。但应用过程中，爆破技术易引发采空区火灾和人工动载冲击且应用范围有限；水力压裂技术应用过程中则未充分考虑“施载体”对工作面的影响，更多集中于“过渡体”治理。为此，在已有技术和工程应用的基础，以霍洛湾煤矿地质条件基础，研究下位工作面采出遗留煤柱的强矿压机理与治理技术。

1 地质概况与工程问题

1.1 地质概况

霍洛湾煤矿为近距离煤层下行开采，可采2-2煤层、3-1 煤层垂距37.3 m，岩性主要为砂岩、泥岩、砂质泥岩等沉积岩，2-2 煤顶板存在1 层20 m 以上的坚硬砂岩。2-2 煤层已经开采结束，正在开采3-1煤层的31106 工作面倾向宽度240 m、走向长度约3 365 m、采高3.7 m。工作面在跳采后整体位于2-2煤层采空区之下，继续推进149 m 后进入160 m 大巷遗留保护煤柱（2 条5 m 巷道、3 条50 m 大巷煤柱）区域。31106 工作面过煤柱示意图如图1。

1.2 工程问题

31106 工作面在跳采之前已经有过类似煤柱下开采的工程案例，在推进过程中矿压显现剧烈，遗留煤柱上方地表由完整演化为开裂、下沉，工作面主要表现为：来压时液压支架载荷急剧升高，80%以上支架开启安全阀；来压范围大、强度高，采煤面大面积片帮、炸帮，顶板稳定性差；架间有空顶、漏矸等，中部和尾部各有1 架出现活柱突然下沉0.6～1 m 现象，存在较大压架风险。根据工程调研和文献查询，需要对上方的遗留集中煤柱和高位厚硬顶板进行提前处理。

2 工作面采出遗留煤柱压架机理分析

31106 工作面上方共存在2 层坚硬顶板关键层，分别为3-1 煤层上方11.8 m 细砂岩和2-2 煤层上方20.3 m 细砂岩。由于遗留煤柱较宽，上方关键层II 在未开采时保持完整，随工作面推进周期性失稳破断，关键层II 块体B 破断过程中产生的载荷经由煤柱和层间岩石传递至工作面，是支架受力的动载源头。工作面双关键层同步破断来压示意图如图2。

图1 31106 工作面过煤柱示意图Fig.1 Diagram of 31106 panel and upper residual coal pillar

图2 工作面双关键层同步破断来压示意图Fig.2 Schematic diagram of synchronous caving of double key strata over working face

图2 中，2-2 煤层上方厚硬关键层块体B 为施载体，煤柱、软弱夹层、3 煤坚硬顶板为过渡体，31106 工作面液压支架为承载体。直接作用在支架的载荷Q 包括2 部分：

式中：Qz为直接顶载荷。

以单个支架为例，Qz是控顶范围内的直接顶重量之和；QⅠ为关键层I 传递载荷。

式中：Ls为支架长度，m；ws为支架宽度，m；hz为直接顶厚度，m；ρz为直接顶岩层平均密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2。

关键层Ⅰ结构传递载荷QⅠ与块体E 及上方软弱夹层的重力pER、关键层Ⅱ破断经由遗留煤柱传递的动载QⅡ二者之和成正比关系[19]，计算公式为：

式中：kb为块体E 上方的载荷传递系数，其大小与采高、直接顶碎胀系数、块体长度、岩层结构等有关。

pER和QⅡ分别为：

式中：LE为块体E 长度，m；h1为块体E 厚度，m；ρE为块体E 岩层平均密度，kg/m3；hr为块体E 上方软弱岩层厚度，m；ρER为块体E 上方岩层平均密度，kg/m3；LB为块体B 长度，m；pBR为块体B 及上方直至地表的岩层重力之和；φ 为岩层的内摩擦角，（°）；θ 为岩层的破断角，（°）；h2为关键层Ⅱ的厚度，m；W3为块体B 的下沉值，m。

式中：hB为块体B 厚度，m；ρB为块体B 岩层平均密度，kg/m3；KG为块体B 上方的岩层载荷传递系数；hBR为块体B 上方直至地表岩层的厚度，m；ρBR为块体B 及上方直至地表的岩层平均密度，kg/m3。

在图2 情况下，上方关键层Ⅱ块体B 正处于破断状态，2 层关键层对工作面均有显著作用，由式（1）～式（5）可得，工作面液压支架载荷Q 为：

在工作面继续推进且关键层块体C 未破断时，上方砌体梁结构保持稳定，无动载传递（QII=0），则工作面液压支架载荷为：

从式（7）看出，在遗留集中煤柱下方的开采矿压规律为，工作面随上层关键层Ⅱ破断出现周期性动载来压现象。

遗留煤柱普遍存在侧向悬顶，工作面推出煤柱边缘时，关键层Ⅱ块体B 长度为正常破断距离与悬顶长度之和，工作面采出遗留煤柱支架受载模型如图3。块体B 破断时会出现双向旋转失稳（图3 中红色剪头所示），此时QI组成的静载荷pER不变、动载荷QⅡ变为B1、B2块体共同作用，数值明显增大：

式中：QB1为B1块体传递的动载；QB2为B2块体传递的动载；LB1块体B 的破断距离，m；LB2为块体B悬顶长度，m；PB1R为B1块体及上方直至地表的岩层重力之和；PB2R为B2块体及上方直至地表的岩层重力之和。

图3 工作面采出遗留煤柱支架受载模型Fig.3 The hydraulic support loading model of working face during mining out the upper residual coal pillar

式（8）显示，出煤柱期间的载荷QⅡ是正常破断块体B1的动载与悬顶块体B2的动载之和，块体失稳强度更大、范围更广，对上覆遗留煤柱的厚硬顶板进行破坏、减小其周期破断距离和侧向悬顶长度，是减轻高位关键层失稳破断动载的有效治理手段。

3 工作面采出遗留煤柱顶板压裂治理措施

3.1 方案制定

综合考虑霍洛湾煤矿工程地质条件与各类技术手段局限性，选择水力压裂对遗留煤柱上方顶板进行处理。方案中，对遗留煤柱缘6～20 m 范围的上方顶板进行分段压裂，压裂范围包括关键层II 块体、钻孔经过的3-1 煤层顶板，遗留煤柱上方顶板水力切顶卸压如图4。压裂目的与预期效果为：①煤柱边缘6～16 m 的上方顶板因水力裂缝出现提前旋转失稳，可以消除或减轻悬顶块体动载QB1；②煤柱边缘18～30 m 范围内形成的人工弱面会减小关键层II 破断距离，缓解QB2对下方支架的影响；③水力裂隙产生过程中，降低岩层中的集中应力与破断动载，起到“切顶卸压”作用[20]。

图4 遗留煤柱上方顶板水力切顶卸压方案Fig.4 Hydraulic fracturing scheme of main roof under the residual coal pillar

3.2 水力压裂施工效果验证

在现场施工过程中，水力压裂现象如下：①高压泵压力经历缓慢上升、突然升高后降低、小幅度稳定波动3 个阶段；②起裂压力范围大小为16.4～28.3 MPa，稳定压力范围大小为11.2～18.7 MPa；③在压力峰值点处，部分压裂区域顶板有断裂声响，水泵产生压力降4～10 MPa；④压裂期间，钻孔附近顶板局部锚索淋水、临孔出水等现象，卸压后钻孔大量涌水。

在现场观测的基础上，对孔内进行窥视，结果表明各压裂点均有水力裂隙分布，压裂达到预期效果，钻孔水力压裂裂隙如图5。

4 切顶卸压效果验证与矿压显现分析

对2-2 煤层高位顶板压裂的基础上，31106 工作面在出煤柱期间依据已有工程经验[17-18]辅助采取了工作面调斜、快速推进、增大初撑力等手段，工作面矿压显现显著改善。

图5 钻孔水力压裂裂隙Fig.5 The hydraulic fracture propagation in the borehole

遗留煤柱上方未压裂与已压裂情况下，来压时的支架压力平均值分别为43.43 MPa 和35.10 MPa，空顶支架数量分别为7 架和2 架；压裂后出现局部来压，支架平均压力降低15%～20%，仅部分支架开启安全阀；遗留煤柱上方水力切顶降低了块体B 失稳后的动压显现，改善了工作面煤帮和顶板的破碎区发育，压裂效果显著。