近直立煤层群水平分段综放开采充填卸压防冲研究

摘要：目前近直立煤层开采冲击地压防治措施主要有爆破、水压致裂、建立保护层等，或破坏层间岩柱和顶底板，或难以解决大采深情况下的层间岩柱应力集中问题，且会导致较大的地表沉降。以乌东煤矿为工程背景，针对近直立煤层群水平分段综放开采方法，提出了充填采空区技术，以支护层间岩柱及顶底板，降低开采分段周围煤岩体的应力集中现象。设计了3 种充填方案：方案1 为第一开采分段采空区使用高强度材料充填，其余分段采用普通材料充填；方案2 为第一开采分段采空区使用高强度材料充填，其余分段交替采用高强度材料和普通材料充填；方案3 为每一分段采空区均使用高强度材料充填。通过数值模拟研究了3 种充填方案的卸压防冲效果，结果表明：与未充填相比，3 种充填方案下层间岩柱最大垂直应力分别下降25.07%，26.57%，29.23%，下一分段煤体最大水平应力分别下降10.63%，10.79%，12.34%。综合考虑卸压效果和经济效益，优选间隔充填的方案3。指出可结合高应力区域实时智能监测技术，及时支撑层间岩柱，减少层间岩柱及下分段煤体的应力集中，防止冲击地压发生。

关键词：综放开采；近直立煤层；冲击地压防治；充填开采；充填卸压；层间岩柱；应力分布

中图分类号：TD823.7 文献标志码：A

0 引言

我国煤炭储量大，煤层赋存形式复杂多样，其中急倾斜煤层占我国探明煤炭储量的20% 左右[1]。煤层倾角大于85°的急倾斜煤层称为近直立煤层，在内蒙古和新疆地区分布较广[2-3]。国家能源集团新疆能源有限责任公司乌东煤矿属急倾斜近距离煤层群，包含27 层可采煤层，是典型的近直立煤层群，采用较成熟的水平分段综放开采技术[4-6]。近年来，随着开采深度加大，出现较强冲击地压现象，对煤矿安全生产造成危害，亟需解决。

目前对于近直立煤层群开采应力集中和动力灾害控制的研究主要分为3 大类。第1 类是基于地质研究和评价模型进行危险区域划分及监测。陈建强等[7]、袁崇亮等[8]利用微震和钻孔应力监测数据，对工作面微震事件进行定性与时空定量监测，构建了相应的动态评价方法。杜涛涛等[9]采用PASAT−M便携微震仪和ARAMIS M/E 微震监测系统进行致灾因素识别。张宏伟等[10]建立了冲击地压地质动力条件评价方法及指标，并结合数值计算方法确定了采动对能量密度的影响。第2 类是基于近直立煤层开采冲击地压机理，提出爆破、水压致裂等弱化煤岩体手段。钟涛平等[11]提出了弱化工作面两侧顶底板岩层和下方煤体的应力调控防冲方法。崔峰等[12]构建了岩柱和顶板力学模型，确定了300 m 采深作为冲击灾害发生的临界值，提出现场实施岩柱、顶板爆破及煤体注水等措施。吴振华等[13]认为顶板变形挤压和岩柱撬转共同作用产生的高静应力条件是导致冲击地压发生的主要原因，提出了爆破综合卸压措施。李安宁等[14]认为层间岩柱的夹持力是形成冲击力源的关键因素，提出在夹持煤体中掘进爆破卸压巷道措施。蓝航[15]用“撬杆效应”来解释煤岩冲击地压的力源，提出了结合爆破和高压注水的冲击地压防治方案。第3 类是基于冲击地压机理，提出建立保护层的防冲措施。欧阳振华等[16]、荣海等[17]提出了自保护卸压防控方法，重点研究了该方法在首采煤层的卸压效果。高明仕等[18]提出通过减小顶板破断时的悬顶尺寸，来破坏煤岩体的完整性，从而避免冲击地压发生。

目前针对近直立煤层开采冲击地压防治的措施中，爆破、水压致裂等卸压手段会使层间岩柱及顶底板产生破坏，形成大块顶底板，随着开采深度增加使采空区结构逐渐复杂，不利于长期开采的安全性；建立保护层的方法对于浅埋区域开采有较好的保护作用，但随着开采深度增加，难以降低岩柱的应力集中，层间岩柱易发生破断。另外，上述措施均会造成较大的地表沉降问题，对生态环境不利。

本文以乌东煤矿为例，针对近直立煤层群水平综放开采方法，设计了充填卸压方案，通过充填采空区对近直立煤层综放开采层间岩柱及顶底板产生支护作用，减缓顶板及层间岩柱倾倒现象，并降低开采分段周围煤岩体的应力集中，维持采场稳定性，同时减小地表沉降，保证岩层运动稳定有序。

1 工程背景

1.1 矿井地质条件

乌东煤矿位于新疆乌鲁木齐矿区。早期的构造运动和博格达峰的抬升对地层造成了强烈影响，导致地层受挤压扭转，在煤层开采区域出现水平应力大于垂直应力的现象，水平最大主应力为垂直应力的1.74～1.90 倍。乌东煤矿南采区位于八道湾向斜南翼，煤岩层倾角为86～89°，呈北东—南西向分布。

乌东煤矿南采区目前主采B3+6 煤层和B1+2 煤层。2 个煤层之间有厚度为50～101 m 的大岩柱，岩柱从东向西逐渐变宽。目前采用水平分段综放开采技术，采放比为1∶8，阶段采高为25 m，割煤高度为3.2 m，放煤高度为22.8 m。采用全部垮落法管理顶板，采空区被黄土和顶板岩柱剥落的岩石碎块充填。地面标高为+765～ +815 m， 现阶段开采工作面水平标高为+425 m； 阶段高度为25 m（+425～+450 m），开采深度为300～400 m。2 个煤层交替开采，B3+6 煤层开采速度大于B1+2 煤层，同一水平下B1+2 煤层先被开采。随着采深增加，形成了近直立悬顶结构和近直立岩柱结构，如图1 所示。