工作面过集中煤柱压架机理及防治技术

毕博韬

(神东煤炭集团 石圪台煤矿，陕西 榆林 719000)

1 工程概况

31201综采工作面是石圪台煤矿二盘区的首采工作面，工作面宽度311.4 m，走向推进长度1 865 m，主采31号煤，煤层平均厚度3.9 m。上覆基岩厚度48～120 m，埋深110～140 m。工作面布置了156架ZY18000/25/45D型掩护式液压支架，支护强度为1.52 MPa。煤层直接顶为中粒砂岩和砂质泥岩，平均厚度4.2 m，基本顶为中、细粒砂岩，平均厚度为12.3 m；直接底为粉砂岩、砂质泥岩，平均厚度3.2 m。

31201工作面上部为2-2号煤层，已经被小煤窑偷采，层间距平均34 m。根据现有资料，上覆存在多个采空区和多条集中煤柱，开采不详。工作面上覆采空区及煤柱赋存情况如图1所示。回采过程中，通过其中一条集中煤柱时发生了切顶事故，在约20 s内，工作面超过100架支架整体下沉，下沉量最大达到1.5 m，事故给矿井安全生产造成了极大损失。为了避免过集中煤柱期间给矿井继续造成损失，特对工作面过集中煤柱矿压机理进行分析，并提出相应的防治措施。

2 工作面过集中煤柱压架机理分析

工作面进入上覆集中煤柱时，顶板移动特征如图2所示，随着工作面的回采，31煤层的基本顶岩块V破断、回转、垮落，引起上覆集中煤柱发生破坏，进而造成集中煤柱上方形成的稳定顶板岩块III发生失稳，如果基本顶岩块III的垮落与31煤层基本顶岩块V的垮落重合，即2号煤层的基本顶同时失稳作用于31煤工作面，形成强烈的冲击，造成工作面压架。

图1 31201工作面上覆采空区及煤柱赋存情况

图2 工作面进集中煤柱时顶板移动特征

工作面出上覆集中煤柱时，顶板移动特征如图3所示，随着工作面继续回采，31煤层基本顶岩块V就会随着回采开始破断、回转，当变形达到一定程度时，会影响到上覆集中煤柱的稳定性，当集中煤柱破坏失稳时，其上方形成稳定结构的I、II岩块发生失稳，对下31煤层工作面产生冲击作用，集中煤柱越宽，其控制的顶板岩层面积越大，形成的冲击压力越强，当两煤层基本顶同时失稳作用于31煤工作面时，往往会引发压架事故。

图3 工作面出集中煤柱时顶板移动特征

3 过集中煤柱综合防治技术

根据集中煤柱压架机理分析，结合工作面上覆集中煤柱的具体情况，通过提前实施爆破、缩短工作面长度并辅以放缓生产组织、合理避压等措施来防治过集中煤柱期间压架事故。

3.1 煤柱爆破技术

从地表采用提前预裂爆破集中煤柱，对煤柱提前进行弱化失稳处理，对煤柱及其周围顶板提前进行爆破卸压，使煤柱及其控制的顶板岩层提前破坏、垮落，减弱工作面过集中煤柱期间顶板岩层对工作面造成的冲击。

由地表向集中煤柱及周边岩层进行钻孔、装药、爆破。爆破设计如图4所示，根据相关爆破理论[1-2]，计算得出煤柱钻孔孔深76 m，装药长度16 m，单孔药量560 kg；周边岩层爆破孔距离煤柱钻孔间距15 m，装药长度10 m，单孔装药量350 kg。所有炸药均选用乳化炸药。

图4 爆破设计示意(m)

3.2 缩短工作面长度

根据国内外学者研究成果可知[3-5]，工作面长度与周期来压强弱呈正比，工作面长度越长，来压强度越强，反之来压强度越弱。为了缓解工作面来压强度，在31202工作面设计时将原计划367 m缩短到180 m，最大限度地缩短工作面长度，降低了覆岩运动破坏范围和影响程度。

3.3 控制推进速度

控制工作面推进速度，若工作面推进速度较快，基本顶悬顶较大，顶板断裂释放的弹性能增大。而减缓工作面推进速度，一方面可以降低储存在岩层中的弹性能；另一方面可以使集中煤柱提前失稳，由于失稳的位置处于工作面前方实体煤，因此对工作面的影响将大大减弱。

3.4 合理避压

现场采取避压、让压措施，在通过煤柱过程中要密切关注工作面压力情况，当工作面矿压征兆明显(工作面片帮、漏矸严重，煤壁变酥软，个别区域出现淋水等)，采取停机避压措施，待工作面顶板周期来压结束后或矿压得到一定程度释放后再推进，此时上覆集中煤柱上覆稳定的岩层发生剧烈运动、失稳，工作面基本顶提前断裂，可大大降低发生动载矿压的概率。

4 工程实践

现场对31202工作面进行缩面处理，工作面由原来367 m缩短到了180 m，配备相同型号的支架，在通过上覆集中煤柱时，压力明显下降，压力峰值集中在12 500～14 000 kN，远低于31201工作面压力峰值(超过工作阻力)，来压期间动载系数为1.37，片帮深度仅为300～400 mm，来压期间安全阀开启率仅为40%，立柱未见明显下沉，整个工作面回采期间并未发生强烈来压而造成的压架事故。

考虑到经济效益等因素，在31203工作面设计时，并未缩短工作面长度，而是对煤柱进行爆破处理。爆破前后矿压对比如图5所示。

图5 工作面过煤柱期间集中煤柱爆破前后矿压特征

从图中可以明显看出，实施爆破后，过煤柱期间矿压强度明显下降。实施爆破后过煤柱期间之周期来压平均工作阻力为15 578 kN，是未实施爆破时的0.85。实施爆破后，现场矿压显现也明显减轻，来压期间局部安全阀开启，片帮范围缩小，片帮深度为400～500 mm，立柱下沉量仅为300～500 mm。整个过煤柱期间并未出现立柱瞬间下沉现象，安全阀喷射现象。说明提前爆破煤柱对于有效防治压架效果明显。

5 结 语

1) 以石圪台煤矿31201工作面压架事故为背景，通过理论分析，得出了工作面进上覆集中煤柱和出集中煤柱时的覆岩移动特点，说明了过煤柱期间压架机理。

2) 在压架机理分析结果的基础上，提出了提前实施爆破、缩短工作面长度并辅以放缓生产组织、合理避压等措施来防治过集中煤柱期间压架事故。

3) 通过现场采用爆破煤柱、缩短工作面长度等措施，过集中煤柱期间压力明显减弱，有效避免了压架事故的发生。