神东矿区房采采空区下综采工作面动载矿压防治技术

肖剑儒

(神华神东煤炭集团石圪台煤矿，陕西 榆林 719000)

神东矿区房采采空区下综采工作面动载矿压防治技术

肖剑儒

(神华神东煤炭集团石圪台煤矿，陕西 榆林 719000)

摘要：神东矿区早期由于设备、回采工艺及历史原因等采用了房柱式开采。该工艺回采率低，遗留了大量煤柱，造成下层煤开采时矿压显现剧烈并存在有毒有害气体，严重影响采掘安全。鉴于此，阐述了房柱式采空区下综采工作面动载矿压的形成机理，可概括为3个阶段：①上覆房采煤柱受二次采动影响发生崩解破坏，顶板出现裂隙和弯曲下沉；②下分层综采工作面的破坏裂隙扩展至整个岩层；③上覆残留煤柱的回旋断裂与下分层综采工作面周期来压叠加，形成动载矿压。总结了安全掘进和回采的技术方案，主要包括3方面：①设计初期，合理布置采掘工作面位置；②回采时采用微震监测、矿压监测、地表裂隙与沉降观测的技术措施；③采用的工程措施主要有残留煤柱爆破、地表预裂技术及采空区充填。

关键词：房采采空区；强制放顶；动载矿压；矿压监测；防治技术

神府东胜矿区位于榆林市神木县北部、府谷县西部，伊金霍洛旗及东胜市的南部和准格尔旗的西南部，地处乌兰木伦河和窟野河的两侧，矿区南北长约38～90km，东西宽约35～55km，面积约3481km2，地质储量354亿t。

地质构造简单、埋藏浅、煤质优良是神东矿区煤层赋存的典型特征[1]。早期为了投资少、见效快或是历史原因采用了房柱式开采，遗留了大量煤柱，致使下水平或下层煤开采时，上部采空区或煤柱大面积叠加冒落，形成剧烈动载矿压，且覆岩裂隙导通地表易造成涌水溃砂及采空区自燃发火等难题，给工作面人员和设备造成重大威胁。因此研究房采采空区下综采工作面动载矿压的防治对现综采工作面的安全回采意义重大。

1神东矿区房采采空区现状及危害

1.1神东矿区房采采空区现状

神东矿区房采采空区主要由两部分组成：一部分为早期采用房式、柱式或房柱式开采形成的采空区；另一部分为1995年以后神东引进连采配套设备和旺格维利采煤工艺所形成的旺采采空区[2-3]。

截至2014年，神东矿区的寸草塔二矿、石圪台煤矿、上湾煤矿、大柳塔煤矿、哈拉沟煤矿、榆家梁煤矿、寸草塔一矿等14座煤矿已有房采采空区超过155处，面积达3000万m2以上，其中大柳塔煤矿房采采空区面积最大，约占24%。房采采空区积水量达870.85万m3，塌陷面积超过132.68万m2，调查统计见表1。

表1　神东矿区房采采空区参数统计

1)房采区域大都位于井田边界、煤层可采边界、火烧区边界等不规则块段或是赋存相对不稳定区域；与综采工作面相比，设备投资低，投产时间短，能实现采掘合一，出煤快，经济效益显著。

2)房采区域煤柱留设大，采区回采率低[4-5]。神东矿区早期采用的房柱式采煤法，一般按采6m留6m或者采8m留8m，回采工艺见图1。后期采用的旺格维利开采方法，采出率一般为45%～58%，回收煤柱时采出率可达69.3%～83.4%，不同煤厚工作面采出率统计见表2。该工艺特点为：工作面先采用前进式掘进两条平巷，分别作为辅运平巷和胶运平巷，之后采用后退式在平巷的左、右翼掘进支巷。区段内支巷布置完毕后，采用迈步式行走液压支架支撑支巷及支巷间联巷，对支巷两翼煤柱进行双翼回采并采用全部垮落法管理采空区顶板。

3)通风条件差，进回风并列布置，通风构筑物多，漏风量大。

图1　神东早期房柱式采煤工艺示意图

煤层厚厚度采出率/%面积采出率/%工作面采出率/%3100.0076.383.383.599.0075.479.65498.0071.675.234.596.0065.468.24594.0066.865.125.490.0063.264.135.883.3262.563.90678.3661.858.21

1.2神东矿区房采采空区危害

神东矿区早期开采遗留的房采采空区范围广，信息不详，大部分矿区第一层主采煤层已基本开采完，现正回采第二层主采煤层。由于上下煤层间距小，开采时相互影响大，房采采空区造成下层煤开采时矿压显现剧烈，对地表建筑物、构筑物及重要输电线路等造成重大安全隐患[6-7]。

1.2.1房柱采空区造成采掘安全隐患

1)房采采空区遗留的大量煤柱，随着下煤层长壁开采时，周期来压与上覆房采采空区煤柱破坏、顶板垮落时的冲击压力叠加，可能引起工作面动载矿压的发生，造成支架压死、顶板切落等事故。

同时，突然垮塌的高速气浪和冲击波可能会冲毁密闭，造成冲击性灾害危险，甚至造成矿震。

2)房采采空区下布置综采工作面，存在溃水、溃沙危险。同时，采空区漏风易造成有毒有害气体聚集、涌出，引起残留煤柱及煤房浮煤自然发火，严重影响下方煤层的安全开采。如哈拉沟煤矿22119、22211采空区、上湾煤矿东翼Ⅰ区采空区、22211-22215 边角煤采空区与综采采空区相连(总积水量约410万m3)。采空区煤柱垮落波及含水层及地表，造成水土流失，不利于生态保护。

1.2.2房柱采空区威胁地表建筑物、构筑物、高压线塔、公路

当煤层埋深较浅时，煤柱垮落可能造成地表突然塌陷，对重要的建筑物、构筑物威胁较大。根据对神东房采采空区的统计，至少有超过15处地表存在重要的建筑物或构筑物、高压线塔等，有超过30处房采采空区地表存在通信塔或高压线塔，有超过16处房采采空区地表均为一级、二级或矿区公路。如：①哈拉沟煤矿22103P 采空区、柳塔煤矿W2Ⅱ301-304采空区对应地表均为1处炸药库；②寸草塔二矿302 采空区对应地表存在布尔台煤矿工业广场两栋宿舍楼、1栋办公楼等；③柳塔煤矿一盘区集中东辅运大巷房采采空区对应地表集装站等密集建筑物；④石圪台煤矿、大柳塔煤矿、补连塔煤矿、保德煤矿等房采采空区对应地表建有零星民居或建筑物，若不及时进行采采空区地表的充填、加固或改线，安全隐患较大。

2房采采空区下综采工作面动载矿压机理

神东矿区早期房柱式采煤工艺采出率低，随着煤层开采面积不断增大，坚硬顶板悬露面积相应增大，导致房式残留煤柱及其顶板内产生了巨大的切应力，当其下布置综采工作面进行回采时，残留煤柱及顶板受二次采动影响。在超前支撑应力作用下，上覆房采煤柱逐渐崩解破碎，导致顶板弯曲下沉并将压力传递至地表造成地表超前裂隙的产生，随着下层综采工作面继续推进，后方采空区悬顶面积进一步增大，支架立柱所受压力也急剧增加，当弯曲应力及破断距离超过其极限时，即发生顶板破断。基本顶形成的周期来压与工作面上覆房采残留煤柱回旋断裂所形成的应力叠加，形成顶板沿煤壁切落直达地表的切冒型动载矿压[8-10]。

该动载矿压的形成过程可概括为3个阶段：①上覆房采煤柱受二次采动影响发生崩解破坏，顶板出现弯曲下沉；②下分层综采工作面悬顶面积大，产生破坏裂隙并扩展至整个岩层；③下分层综采工作面周期来压与上覆残留煤柱回旋断裂应力叠加，形成动载矿压。其失稳机理如图2所示。

图2　房柱式采空区下综采工作面顶板失稳原理示意图

3房采采空区安全开采技术方案

3.1科学设计，提前谋划，合理布置工作面位置

设计初期提前考虑房采采空区对下煤层综采工作面影响，尽量躲开房采采空区，避免其与工作面推进方向垂直。为防止顶板来压时出现直接顶切冒事故，要合理控制采高，减小顶板压力[11-12]。

此外，应适当加快工作面推进速度，使煤层超前支承压力峰值更靠近煤壁，减小覆岩运动造成的围岩破坏范围。

3.2技术措施

3.2.1矿压观测

为准确地掌握房采采空区下综采工作面的矿压显现规律，实时监测顶板压力，可在工作面范围内安装KJ25-F矿用本安型压力监测分站、KJ25-Z信号转换器及钻孔应力计，采用KJ110N型矿压在线监测系统、结合人工记录支架压力表数据的形式对工作面矿压情况进行监测。

以液压支架、工作面主运顺槽、回风顺槽、采空区矿压监测系统为基础，组成完整的矿压监测系统，24小时监测由于工作面的采动引起的煤柱应力集中释放情况，综合分析矿压活动与工作面回采推进的规律性，采用安全保障措施，尽量减少人员在该区的停留，确保井下作业人身安全。

3.2.2地表沉降观测

地表移动观测是在采动过程中，定期重复地测定观测线上各测点在不同时期内空间位置的变化。观测过程中要及时地记录和描述地表出现的裂缝，塌陷的形态和时间，及时记载相应工作面位置、推进速度、采高、顶板陷落等有关情况。

根据工作面开采进度分析地表下沉、变形与工作面相对位置的关系规律，得出受房采采空区及集中煤柱影响下地表岩移规律并预测接回采工作面的地表岩移趋势和结果。

3.3工程措施

3.3.1残留煤柱爆破技术

残留煤柱爆破是采用装药放炮方法将房采采空区顶板或煤柱强制切断，在老顶初次来压或周期来压前改变顶板的夹持状态，提前释放煤柱上方所集聚的能量，以减弱顶板垮落破坏时产生的动载矿压。

该技术与工作面支架载荷、采高、工作面推进长度、工作面倾向长度、上覆围岩情况等因素有关，一般认为，在距工作面推进位置前方40～50m的残留煤柱前后平行布置2～3排强放孔，孔间距为10～15m，实施残留煤柱爆破可有效防治出煤柱时的动载矿压叠加。

煤柱爆破可分为地面和井下；按照钻孔长度可分为短钻孔爆破和长钻孔爆破。

3.3.2房采煤柱地表分段预裂技术

神东矿区上水平煤层埋深一般在50～80m，早期开采的房柱式采空区大都位于上水平，开采情况不详，给下煤层综采工作面的回采造成安全隐患。为了提前释放残留煤柱压力，在地表每隔15～25m分段施工90mm的预裂孔，排距20m，布置2～3排，孔深以不打通房采煤柱为准，提前对房采范围内煤柱进行预裂松动爆破。其布置如图3所示。

图3　采煤柱地表分段预裂爆破示意图

3.3.3分段充填房采采空区残留煤柱

房采采空区充填是利用注砂或玛丽散等高分子材料对采空区进行加固。充填体对围岩的作用主要有两点：①随工作面推进，充填体不断充填已采出空间，相当于减低了采高，减弱了顶板来压期间的剧烈显现程度；②充填体增加了上覆房采集中煤柱的受力面积，将基本顶破断运动的载荷均布化，避免造成下分层综采工作面周期来压与上覆煤柱回旋压力的叠加，支架受力稳定。

4工程实践及成效分析

4.1房柱采空区下首采面矿压显现及异常原因分析

31201工作面为石圪台煤矿下水平31煤首采工作面，该面上覆有22煤原天隆房采采空区，采空区以三组平行于工作面的集中煤柱进行隔离。工作面走向长度为1865m倾向长度为311.4m，煤层厚度3.0～4.4m，平均4.0m。

该面于2013年8月开始回采，在推进773m期间共出现三次压力异常区域，见表3。

分析原因为：回采工作面上方约37m(9.25倍采高)存在不规则22煤房采采空区，工作面三次来压异常均处于进、出上覆22煤房采集中煤柱区域。受31201综采工作面回采采动影响，集中煤柱失稳破坏，形成动载矿压。

4.2房柱式采空区下动载矿压防治技术

综合理论分析及现场工程实践，该工作面动载矿压控制技术主要包括KJ768微震实时监测、地表裂隙与沉降观测、矿压监测、集中煤柱强制放顶等，具体如图4所示。

4.2.1微震实时监测

在31201工作面的回风及胶运顺槽各布置8个可移动式拾震器，间距25m；在集中煤柱上方的地表设4个固定式测点，间距60m，共布置20个拾震器。

每天设专人对微震数据进行搜集和分析，通过对微震事件发生的位置、总能量及数量和的多次统计，总结得出22煤动载矿压能量极大值及31煤周期来压的判定指标，如表4所示。

表3　工作面3次矿压异常情况统计

图4　房柱式采空区下动载矿压防治技术图

煤层微震预警数量/≥微震预警能量/≥31煤154.20e+522煤318.00e+5

4.2.2矿压监测分析

使用采集器每天提取尤洛卡观测数据与人工记录的方式相结合，并及时将观测数据录入矿压分析系统，分析工作面的周期来压步距、来压强度与动载系数、来压持续时间与长度以及支架的增阻特性等。压力数据分析及来压特征统计见图5。

4.2.3地表裂隙及沉降观测

在31201工作面地表，沿倾向布置编号为C-L 的10条岩移观测线，每条测线上再布设5个测点。通过每天搜集和整理得到的地表裂隙及沉降数据，及时总结并预测工作面推进过程中31煤及22煤的顶板下沉破断情况，地表裂隙观测结果见图6。

图5　矿压数据计算结果表

图6　地表裂隙及沉降观测图

4.2.4上覆22煤残留煤柱爆破技术

为避免工作面推进至上覆2-2煤第三组集中煤柱时再次发生动载矿压，提前破坏残留煤柱及顶板的完整性，将集聚的大量弹性能释放。根据矿压预测结果，在距第三段集中煤柱40m时，对其进行强制爆破，具体方案及爆破施工工艺如下：在残留煤柱及顶板上共布置炮孔22个，炮孔间距14m，排距15m，孔深48～66m。采用煤矿专用钻机打眼，开孔直径50mm，终孔后用94mm钻头扩孔。

爆破方法为毫秒微差正向爆破，一次装药，一次打眼，由两侧向中部进行。炸药采用乳胶基质与敏化剂混合，采用BQF-100型封孔器进行封孔，利用BCJ-5M型装药机进行装药，施工工艺见图7。

图7　上覆22煤残留煤柱爆破施工工艺

根据地表裂隙及下沉观测，超前工作面55m范围内22煤残留煤柱及顶板已下沉、断裂，其中集中煤柱位置地表下沉约0.9m，基本达到预计的爆破预裂效果。

5结论

1)神东矿区房采采空区主要由两部分组成：一部分为早期采用房柱式采煤工艺形成的采空区；另一部分为1995年后引进旺格维利采煤法所形成的采空区。

2)房采工艺采出率低，对下分层采掘造成安全隐患，威胁地表建筑物、构筑物及重要输电线路等。

3)房柱式采空区下安全掘进和回采的技术方案主要包括三方面：①设计初期，合理布置采掘工作面位置；②回采时的技术措施主要有微震监测、矿压监测、地表裂隙与沉降观测；③工程措施主要有残留煤柱的爆破、地表预裂技术和采空区充填。

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The control technology of dynamic mine strate pressure of full-mechanized mining face under gob left by room and pillar mining in Shendong mining area

XIAO Jian-ru

(Shigetai Mine，Shenhua Shendong Group Co.，Yulin 719000，China)

Abstract:Due to equipment，mining process and historical reasons，the room and pillar mining had been more widely adopted in Shendong mining area.The process of extraction rate is low，left a large amount of coal pillar.Violent pressure，toxic and harmful gases occurred under gob left by room and pillar mining，which seriously affected the mining safety.Given this，the mechanism of formation is expounded and can be summarized into three stages：the room pillar happened disintegrating failure influenced by second mining coal，roof cracks and bending down，damage fracture of lower slice full-mechanized mining face extended to the whole rock formations.The cyclotron fracture of overlying pillar residue and periodic roof pressure of lower slice full-mechanized mining face are superimposed，forming a dynamic load pressure.Three points are mainly talked about the technical solution of safe driving and extraction：reasonable decorate working face location，using microseismic monitoring technology，mine pressure monitoring，surface crack and subsidence observation，the engineering measures are mainly residual pillar surface pre-splitting blasting technology and goaf filling.

Key words：gob left by room and pillar mining；forced caving；dynamic mine strate pressure；mine pressure monitoring；control technique

收稿日期：2015-09-05

作者简介：肖剑儒(1975-)，男，内蒙古乌兰察布人，高级工程师，现任神华神东煤炭集团有限公司石圪台煤矿总工程师。

中图分类号：TD323

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)03-0076-05