残煤复采工作面矿压显现规律的研究

任志峰(1.太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024；2.大同煤矿集团 生产技术处，山西 大同 037003)

“残煤”主要指矿井早期开采过程中损失的煤量，包括采区开采损失、地质损失、永久煤柱与报损煤量等。目前，我国残煤复采的类型多为垂直方向上下分层类型的复采，对于此类复采工作面，根据残留煤柱位置尺寸的不同，可将顶板分为3种状态，上覆为完全空区的状态，上覆煤柱与工作面呈纵跨状态，上覆煤柱与工作面呈横跨状态。旧采残留煤柱集中应力会向底煤传递，传递深度及大小不同，造成其下部不同深度煤层破坏情况不同，对复采工作面影响较大。故分析此类跨煤柱复采工作面开采矿压显现规律，尤其是工作面进出煤柱过程中压力的变化是现阶段类似条件下复采工作面安全高效开采的关键技术之一。

1 工作面概况

大同煤矿集团云冈矿12#层410盘区煤层厚度6.47 m，顶板岩性多为粉砂岩，含植物化石；底板以细粒砂岩、砂质泥岩为主。受小煤窑巷柱式开采影响，12#煤层沿顶上分层2.3 m厚破坏较严重，沿底4.17 m厚较完整，8107复采工作面沿12#煤层底板布置，倾向长度97 m，可采走向长度465 m，采高2.3 m.

根据小窑开采时间、开采空间和顶板岩性等参数推断，8107复采工作面存在以下4种顶板状态：1) 实体煤区。2) 顶板未垮落的完全空区。3) 顶板垮落未充满空区。4) 顶板垮落充满空区。

2 8107复采工作面探测结果分析

采用物理探测技术与打超前探测钻孔相结合的方法对8107复采工作面上覆残留煤柱-空区的相对位置以及空区中积水、积气情况进行探测，根据探测结果及时采取措施，确保工作面的安全高效回采。

2.1 物探结果分析

本次物探针对回风巷和运输巷侧帮共进行了5组三极测深，另外针对两巷道尾部密闭正前方分别进行了一组三极超前探，探测结果见图1. 结果如下：

1) 图1中蓝色区域(①代表蓝色区域)为低电阻异常区，可能为旧采残留空区或是此区域岩石由于旧采采动影响较为破碎，顶板岩层积水此处汇集所致。建议后期对图中异常区加密钻孔重点探测，工作面回采过程中应对异常区加强水文地质观测。

2) 据图1中两巷密闭正前方超前探测成果分析，在运输巷密闭正前方27 m处，回风巷密闭正前方76 m处各有一低电阻异常区。

图1 8107复采工作面物探成果图

2.2 8107复采工作面钻孔探测分析

为了进一步掌握8107工作面上方残煤赋存状况，在已有物探成果的基础上采用工作面超前钻探的方法确定工作面上方残煤及空区的分布情况。探测钻孔布置方式如下：

利用锚杆钻机由工作面煤壁顶端以斜向上30°～60°的方向打超前钻孔，钻孔长度2～8 m，沿工作面倾向每10 m布置一个钻孔。若探得终孔为空则在此附近打较为密集的钻孔确定空巷准确位置，钻孔间距由10 m调整为2 m，钻孔示意图见图2.

图2 工作面探测钻孔布置示意图

综合分析物探和钻探结果得出，8107复采工作面上分层残留煤柱与空区的位置关系：上分层残留煤柱-空区分布以工作面中部为界呈两种分布状态。

工作面中部以东区域内共分布8条空巷，其中5条空巷大致呈平行状态且与工作面斜交角度为30°，空巷宽度均比较小，均在3 m左右。中部以西区域内分布有长短不一，宽度不同的空巷11条，空巷呈不规则分布，且空巷的跨度比较大，空巷最小跨度为3 m，最大跨度达20 m. 距开切眼约220 m范围均存在空区。

3 矿压观测方案及结果

3.1 矿压观测方案

在工作面内布置3条测线，位于工作面上部、中部、下部。上线布置在工作面8#、9#支架，中线布置在工作面32#、33#支架，下线布置在61#、62#支架(工作面共布置70个支架)。以上布置测线的6个支架上均安装KJ232-2F2型矿用压力采集分站，对该工作面矿压进行实时在线监测。

3.2 矿压观测结果

本次矿压观测期间工作面从40 m推进至177 m，共完成216个循环，共经历了9～11次周期来压。受上分层旧采残留“空区-煤柱”的影响，8107复采工作面老顶来压步距和来压强度比正常开采时综采工作面大。由于工作面上方特殊的地质条件，故本工作面的矿压实测应重点观测进出煤柱时的压力显现数据。

结合现场情况本次矿压观测主要针对不同状态的顶板进行数据实测：1) 顶板为采空区的状态。2) 顶板为煤柱的状态。3) 进出煤柱过程的状态。8107复采工作面在回采期间来压特征较为明显，但来压步距规律性不强，这是因为来压步距受到顶板上覆遗留煤柱的大小、位置等因素的影响；由于上分层为已开采的老空区，煤柱边缘形成应力集中点，故此类型的复采工作面矿压规律与传统综采工作面相比有一定的特殊性。不同测线支架整架的载荷随着顶板上覆不同状态而变化规律曲线见图3.

图3 测点支架随顶板不同状态时载荷的变化规律曲线图

3.2.1采空区下压力观测结果及分析

支架位于采空区下方时其工作阻力均较小。整架平均工作阻力值仅905 kN·架-1。支架工作阻力前柱大于后柱。后柱工作阻力平均值为190 kN·架-1，仅为前柱工作阻力值的72.2%. 顶板上覆为空区状态时周期来压强度整体偏低，来压步距增大。

3.2.2残留煤柱下压力观测结果及分析

1) 支架位于煤柱下方时其所测的工作阻力值相较于空区下方的所测值大。整架平均工作阻力值为1 832 kN·架-1。结合以上数据可知，煤柱下方工作阻力值约为空区下方支架工作阻力值的2倍。支架工作阻力前柱大于后柱，后柱工作阻力的平均值为384 kN·架-1，仅为前柱工作阻力值的71.6%.

2) 顶板上覆煤柱宽度较大时，其正下方工作面支架工作阻力小于两侧支架工作阻力值；顶板上覆煤柱宽度较小时，其正下方支架工作阻力达到最大。煤柱下回采时，工作面周期来压强度较大，煤壁出现片帮。

3.2.3进出煤柱过程中压力观测结果及分析

1) 支架在进出煤柱时，顶板压力显现明显，煤壁片帮冒顶严重，片帮宽度达到1.5 m. 工作面进入顶板为空区后，顶板压力明显减弱。

2) 复采工作面进入煤柱下方3～10 m时，支架工作阻力突然增大。分析各测线数据可知：8#支架进入煤柱约7 m时，其支架载荷增大至2 348 N，32#支架进入煤柱约9 m时，其支架载荷增大至2 376 kN，61#支架进入煤柱约4 m时，其支架载荷增大至2 873 kN. 以上各测线支架在进入煤柱下方小于10 m的距离均达到了较大值。

3) 复采工作面距离3～5 m出煤柱时，支架工作阻力再次增大，且最大值比进煤柱期间的最大值大。分析32#支架数据可知，距离3 m出煤柱时，工作面压力增大至最大值3 662 kN，此值约为进煤柱时工作阻力最大值的1.5倍。

4) 复采工作面在通过煤柱的过程中，各测线支架工作阻力值在进煤柱阶段表现为前柱大于后柱，而在出煤柱阶段表现为后柱大于前柱。分析8#支架的实测数据可知，支架在进煤柱阶段前柱工作阻力峰值是后柱工作阻力峰值的1.86倍，但在出煤柱时，前柱工作阻力峰值仅为后柱工作阻力峰值的45%.

5) 复采工作面通过煤柱的过程中，受到进出煤柱集中应力的影响，各测线支架的工作阻力会出现急剧增大甚至超过周期来压峰值的情况，使得工作面周期来压强度、来压步距没有明显的特征，因此一般情况下难以准确给出工作面的周期来压值。

4 结 论

通过对8107复采工作面的矿压观测，并对记录数据进行计算分析可知：

复采工作面在推进过程中，其支架工作阻力整体表现为前柱大于后柱。当顶板为采空区时，测线支架工作阻力后柱仅为前柱的72.2%；当顶板为煤柱时，测线支架工作阻力后柱仅为前柱的71.6%；但工作面在出煤柱过程中，支架工作阻力表现为后柱大于前柱，后柱工作阻力峰值约为前柱工作阻力峰值的1.6倍。

复采工作面通过煤柱的过程中，进入煤柱3～10 m的距离，工作面顶板来压明显；随着工作面的继续推进，支架压力逐渐降低；距离3～5 m出煤柱时，支架工作阻力再次增大，且最大值约为进煤柱期间的最大值的1.5倍。

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