房式采空区下非来压期间异常矿压机理及对策研究

李少刚

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

房式采空区下非来压期间异常矿压机理及对策研究

李少刚1,2

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

针对西部矿区某矿房式采空区下工作面综采发生的异常矿压问题，利用现场实测和理论分析并基于异常矿压特征，通过分析残留煤柱上方支承压力分布规律、残留煤柱稳定性，对其发生机理及相应对策进行了研究。结果表明：工作面顶板初次破断前、初次破断时残留煤柱所受支承压力较大时，将发生残留煤柱连锁失稳现象；若顶板初次破断时残留煤柱保持稳定但当残留煤柱受到采场上方及采场后方2个跨度内覆岩形成的叠加支承压力较大时，也将发生残留煤柱连锁失稳现象；煤柱失稳后煤柱顶板对层间岩层产生动载作用，残留煤柱连锁失稳发生在未来压期间、层间仅0～1层关键层时，将诱发本文所述异常矿压；残留煤柱连锁失稳发生在来压期间时，可能诱发压架灾害。基于上述研究提出了爆破煤柱、充填采空区、适当减慢推进速度等措施。

房式采空区；异常矿压显现；残留煤柱；动载作用；控制对策

我国西部矿区在大规模开采前多采用房式开采，在遗留大量集中煤柱的同时也在煤房中遗留了大量的残留煤柱。随着开采强度的不断加大，不同矿井先后进入了房式采空区下回采状态，房式采空区煤房中的残留煤柱大大增加了下方长壁工作面开采的难度，出现了一系列矿压问题，其中西部某矿在房式采空区残留煤柱下工作面回采时，未来压期间采场也呈现出了较强烈的矿压显现特征，为便于说明，本文将该类矿压问题称为异常矿压。由于房式采空区下长壁工作面易发生不同类型的顶板灾害[1-7]，并给工作面的安全生产带来较大危害，因此充分认识房式采空区下回采期间遇到的各类矿压问题具有重要的意义。

目前，相关学者[8]研究了房式采空区下工作面顶板结构及支架受力情况，并据此解释了相应的矿压问题，一些学者[3,5,9]认为长壁工作面推出上覆房式采空区集中煤柱期间，若支承压力导致采场前方房式采空区残留煤柱发生连锁失稳，则采场上方的煤柱顶板将随前方失稳煤柱垮落的覆岩一起迅速运动并对采场上方的层间岩层产生动载作用，从而导致工作面发生压架灾害。一些学者提出了该类压架灾害的防治措施[5,6,9]，但这些成果强调了集中煤柱对矿压问题中的作用，故重点围绕集中煤柱展开的研究，而对本文所述在煤房中的残留煤柱下回采时非来压期间的异常矿压尚没有清晰的认识，且该矿压问题发生机理及相应的对策也有待系统的研究。本文基于西部某矿02和03工作面，通过现场实测及理论分析，对房式采空区下工作面非来压期间的异常矿压特征进行分析，并据此研究其发生机理及相应对策，为现场的安全高效生产提供理论及技术支撑。

1 工程概况

西部某矿目前长壁回采的盘区采高约为4m，倾角1～3°，平均埋深110m，盘区上方为房式采空区，其煤层厚度3.7～5.5m不等，采空区与长壁工作面间平均层间距为36m，采空区已形成较长时间，盘区内覆岩关键层(22m厚细粒砂岩)情况如图1所示，后续为便于说明将长壁工作面与上覆房式采空区间的岩层也称为层间岩层，可以看出工作面上覆仅一层关键层，位于层间岩层中且属于工作面基本顶。其中02及03工作面是盘区内相邻的已采完工作面，工作面走向长度均为1870m，02工作面倾向长度160m，03工作面倾向长度340m，支架额定工作阻力为18000kN。

图1 岩层柱状

2 房式采空区下异常矿压特征研究

2.1 异常矿压显现特征

西部某矿02和03工作面异常矿压均发生在初次来压后、第一次周期来压前。在2个工作面中部分别选取3个典型的支架，根据现场实测数据获得2个工作面初次来压及异常矿压期间支架阻力情况，如图2所示。其中，03工作面异常矿压主要表现在机尾侧，因此图2(b)中工作面中部支架并未呈现相应的矿压显现。

图2 初次来压期间支架阻力

从图2中可以看出，02工作面初次来压步距为60.3m，来压持续长度为2.2m，来压强度为18240kN，动载系数为1.55，03工作面初次来压步距为63.7m，来压持续长度为9.65m，来压强度为18240kN，动载系数为1.58。此外，现场观测发现，02工作面初次来压期间，局部支架安全阀有开启、立柱无明显下缩，工作面中部的局部区域漏矸高度达0.5m。03工作面初次来压期间，局部支架安全阀有开启、立柱下缩0.3m，整个工作面煤壁全部片帮，片帮深度达1.2m，中部大范围支架漏矸高度达1.5m。这说明现有的支架在该房式采空区下初次来压期间作用偏小，但并未发生压架灾害。

随着工作面继续推进，工作面初次来压逐步结束，在发生第一次周期来压前，2个工作面分别呈现了一定的强烈矿压显现。其中，02工作面异常矿压显现情况如图2(a)所示，期间直接顶破碎严重，中部11个支架安全阀开启；03工作面异常矿压时机头侧30个支架持续片帮，片帮深度为0.8m，机尾侧10个支架载荷为18380kN。

2.2 异常矿压发生期间覆岩运动特征

为了分析工作面回采期间覆岩运动情况，在02和03工作面对应地表分别布置测站，每日观测地表裂隙发育情况，观测结果如图3所示。从图3可以看出，工作面发生初次来压后地表新增裂隙主要集中在采场后方，工作面发生异常矿压后地表新增裂隙主要集中在采场前方且裂隙前段距采场距离较远，这说明异常矿压发生前采场前方的房式采空区残留煤柱整体上仍保持稳定；异常矿压发生后采场前方大面积残留煤柱均失稳。

图3 初次来压后地表裂隙发育情况

2.3 异常矿压原因初步分析

通过以上分析可以看出，房式采空区下工作面初次来压期间，整体来说采场前方房式采空区残留煤柱保持稳定；初次来压结束后非周期来压期间工作面呈现一定的矿压显现，且伴随采场前方大面积残留煤柱均出现失稳现象，而失稳煤柱诱发顶板运动必将对层间岩层产生相应的力学作用。据此推断，初次来压结束后的非来压期间，采场前方大面积房式采空区残留煤柱失稳，失稳煤柱顶板运动对层间岩层的力学作用导致了本文所述异常矿压的发生。

为了进一步分析该类异常矿压的发生原因，下面将继续通过理论分析开展研究。

3 房式采空区下异常矿压机理研究

西部矿区具有埋藏浅、基岩薄、地表松散层厚等特点，此外开采实践表明，西部矿区煤层回采后覆岩破断一般直达地表。由于西部矿井可采煤层多，因此长壁工作面与上覆房式采空区层间距一般较小，可认为层间仅0～2层关键层，因此工作面顶板破断后层间岩层将随工作面顶板的破断及时破断；由于工作面覆岩自下而上破断需要一定的时间，因此，受某些因素影响西部矿井工作面上方岩层未必均能及时破断至地表。因此后续的结构模型均针对层间岩层厚度较小、仅0～2层关键层、工作面顶板破断后层间岩层随工作面顶板及时破断，且采场覆岩破断可能直通地表也可能未及时直通地表等情况开展研究。

3.1 残留煤柱上方支承压力分布规律

工作面自切眼推进的过程中，采场后方将形成一定跨度的悬露覆岩。为便于计算，关键层理论中往往认为各层位岩层两侧固支端位置对齐[9]，如图4所示。实际上，当下部关键层弯曲变形程度较小时，受上下位岩层的夹持作用，各层位软弱岩层弯曲变形程度将更小，因此其两侧固支端并不与下方关键层对齐，而是偏向悬露岩体内部，如图4所示。房式采空区上方悬露覆岩的存在将导致采空区残留煤柱承受一定的支承压力作用，由于两侧固支端实际位置外侧岩体未发生变形及运动，因此岩层固支端位置及其外侧逐步受到支承压力作用。

图4 关键层及其上覆软弱岩层固支端

工作面上方悬露顶板达到初次来压步距时，顶板逐步发生破断、回转运动，层间上层位未破断岩层所受夹持作用减小，其两侧实际固支端位置必将向外部的采场侧移动，因而上层位未破断岩层悬露跨度将有所增大，支承压力也将向采场侧残留煤柱偏移且该残留煤柱所受支承压力有所增大，在层间岩层回转幅度较大而残留煤柱覆岩未破断时，该残留煤柱所受支承压力最大，随着残留煤柱覆岩的破断，残留煤柱所受支承压力逐步减小。

初次来压后工作面顶板逐步发生周期来压，残留煤柱将继续受到支承压力作用，一般地，若上一个来压步距范围内覆岩已充分破断，周期来压时残留煤柱所受支承压力将小于初次来压期间支承压力，但是若上一个来压步距范围覆岩未充分破断前工作面已进入下一个步距内回采，此时无论下一个步距范围内工作面顶板是否破断，残留煤柱都将受到2个破断跨度范围内覆岩形成的叠加支承压力作用。工作面顶板周期性破断期间，随着顶板的破断、回转，支承压力也必将向采场侧残留煤柱偏移且支承压力有所增大，在层间岩层回转幅度较大而残留煤柱覆岩未破断时，残留煤柱所受支承压力最大。

3.2 残留煤柱稳定性分析

根据以往学者研究，支承压力作用下房式采空区残留煤柱稳定性判据[4]为

(1)

式中，w为残留煤柱保持时必须满足的内部弹性核宽度，m；a为房式采空区残留煤柱尺寸，m；q为弹性基础所受载荷，MPa；σm是残留煤柱压缩应力峰值，Pa。

工作面回采过程中，若残留煤柱所受支承压力较大且不满足公式(1)要求，则其将发生连锁失稳[10～15]。因此，如图4所示每一个四周被集中煤柱支撑的残留煤柱区域均将具有两种状态：一是区域内残留煤柱始终保持稳定，不发生连锁失稳；二是残留煤柱发生连锁失稳，区域内残留煤柱将全部失稳。

3.3 异常矿压机理分析

若工作面发生初次来压时残留煤柱所受支承压力较小且满足公式(1)要求，则在上一个来压步距范围内覆岩已充分破断的条件下，工作面顶板发生周期来压时残留煤柱所受支承压力也必将满足公式(1)要求，此时残留煤柱将始终保持稳定，显然此时不会发生本文所述类型矿压问题。

若工作面顶板初次破断前及初次破断时，残留煤柱所受支承压力不满足公式(1)的要求，则残留煤柱将发生连锁失稳；若顶板初次破断时满足公式(1)要求，但上一个来压步距范围覆岩未充分破断前工作面已进入下一个来压步距范围内回采，残留煤柱受到2个破断跨度范围内覆岩形成的叠加支承压力作用后不满足公式(1)要求，残留煤柱也将发生连锁失稳。由于房式采空区形成后煤柱覆岩逐步产生大量裂隙，因此如图5所示煤柱失稳后已破断的A，B层位及未破断的C层位裂隙较发育的岩层均将快速垮落，并对层间岩层产生动载作用。显然，若残留煤柱连锁失稳发生在非来压期间且层间仅有0～1层关键层，工作面必然呈现相应的矿压显现，即本文所述异常矿压；若残留煤柱连锁失稳发生在初次来压或者周期来压期间，结合文献[4]研究可知，此时将可能发生压架灾害。

图5 残留煤柱失稳后覆岩结构形态

4 房式采空区下异常矿压对策分析

结合以上分析可知，本文异常矿压问题易转化为压架灾害，对矿井的安全生产是一个重大隐患，因此有必要对其控制对策进行研究。

结合第4节分析可知，无论是压架灾害还是本文所述异常矿压，煤柱失稳后煤柱顶板对层间岩层的动载作用是导致矿压问题的关键，据此提出了以促进、阻止房式采空区残留煤柱覆岩运动为思路的对策。

(1)爆破煤柱 若工作面上方房式采空区残留煤柱已全部失稳，且煤柱覆岩已运动充分，此时工作面将不会受到上覆动载作用，提前爆破集中煤柱或者小煤柱而促进残留煤柱失稳可以实现。

(2)充填房式采空区 若工作面回采时采场上方残留煤柱始终保持稳定，此时工作面也将不会受到上覆动载作用，充填房式采空区可以实现。

(3)适当减慢推进速度 由于覆岩的破断需要一定的时间，工作面推进速度减慢可以促进覆岩的运动及裂隙的扩展，从而促进顶板提前破断，因而覆岩破断跨度将减小，并可以避免残留煤柱受到2个破断跨度内覆岩形成的叠加支承压力作用，此时采场前方残留煤柱所受支承压力减小、煤柱稳定性增强，工作面将不会受到上覆动载作用。

因此，西部矿区在后续的开采实践中应加强对本文所述异常矿压的认识，并从以上3点来控制顶板，避免房式采空区下工作面回采诱发的异常矿压直接转化为压架灾害。

5 结 论

本文研究的是房式采空区下综采工作面非来压期间的异常矿压机理及特征，与西部矿区常见的大、小周期来压现象不同，结合现场实测数据与理论分析，得出结论如下：

(1)现场实测结果发现，西部某矿房式采空区下工作面初次来压期间，采场前方煤柱保持稳定，初次来压后在非来压期间发生异常矿压时，采场前方大面积残留煤柱失稳，据此推断残留煤柱失稳导致了异常矿压的发生。

(2)研究了残留煤柱所受支承压力分布规律；若工作面顶板初次破断前、初次破断时残留煤柱所受支承压力较大，残留煤柱将发生连锁失稳；若顶板初次破断时残留煤柱保持稳定，但上一个来压步距范围覆岩未充分破断前工作面已进入下一个来压步距范围内回采，残留煤柱受到的2个跨度内覆岩形成的叠加支承压力较大时残留煤柱也将发生连锁失稳；煤柱失稳后煤柱顶板将对层间岩层产生动载作用，残留煤柱连锁失稳发生在未来压期间、层间仅0～1层关键层时，将诱发本文所述异常矿压；残留煤柱连锁失稳发生在来压期间时，可能诱发压架灾害，据此可知，本文所述异常矿压易转化为压架灾害。

(3)基于异常矿压发生机理，为避免本文所述异常矿压转化为压架灾害，给出了爆破煤柱、充填采空区、适当减慢推进速度等措施。

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[责任编辑：于健浩]

Study of Countermeasures and Abnormal Pressure Principle During Non Pressure Period Under Room and Pillar Goaf

LI Shao-gang1,2

(1.Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization State Key Laboratory(China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

To abnormal pressures problem during fully mechanized working face mining under room and pillar goaf of one coal mine in the western mining area，based on abnormal pressures characters and practical test and theory analysis， then abutment pressure distribution law of residual coal pillar upper and coal pillar stability were analyzed，it’s occurrence mechanism and countermeasures were studied. The results showed that residual coal pillar would failure as abutment pressure was larger，when the first breakdown appearedin the roof，residual coal pillar maintaining stability during the first breakdown，but the superposition abutment pressure that formed upper of the working face and overburden within two spans backward of working face was larger，then residual coal pillar would failure，dynamic loading would appeared in interlayers of rock stratum，which formed by coal pillar roof after coal pillar failure，residual coal pillar chain failure appeared in non pressures period，the number key stratum was only 0～1 between inter layers，then abnormal pressure would appeared,pressurizing of hydraulic support disaster would appeared as residual coal pillar chain failure appeared during pressuring period，the following countermeasures as coal pillar blasting，goaf filling and decrease advancing speed were put forward. Key words：room and pillar goaf；abnormal pressure；residual coal pillar；dynamic loading；countermeasures

2016-12-11

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.021

国家自然科学基金资助项目(51564004、51674142)

李少刚(1980-)，男，山东潍坊人，副研究员，博士，从事采矿安全方面研究工作。

李少刚.房式采空区下非来压期间异常矿压机理及对策研究[J].煤矿开采，2017，22(3)：70-74.

TD323

A

1006-6225(2017)03-0070-05