综采工作面过上覆煤柱技术研究

李玉芝

(山西中钢煤业有限公司，山西 吕梁 033400)

0 引言

近距离煤层是指煤层间距较小、互相之间开采影响较大的煤层，一般对近距离煤层开采多采用下行开采方式，这是因为煤层开采对顶板的破坏影响要远远大于底板[1-2]。现在大多数煤矿在开采中通过在工作面的一侧留设一定宽度的煤柱来减弱本工作面的回采对相邻巷道稳定性的影响，因此在近距离煤层开采中，当上层煤开采过后，采空区遗留有多处煤柱，这些煤柱的周围往往是高应力聚集区[3-5]。此时对下层煤进行开采，顶板由于上层煤开采的原因，岩层已受到一定程度的破坏，加之上层煤柱在底板岩层(下层煤顶板)形成的高应力集中，下层煤开采矿压显现明显，并且随时有可能出现动压现象，影响工作面的正常回采[6-8]。针对近距离煤层过上覆煤柱导致动压影响大的问题，以山西上榆泉煤矿近距离煤层开采条件为基础，对动压、压架等现象的机理进行了分析，提出了下层煤工作面过上覆煤柱的技术措施，从而保证下层煤开采的安全，研究结果对其他相似条件的矿井有一定的指导意义。

1 工作面概况

山西上榆泉煤矿43302综采工作面主采4-3煤层，煤层厚度平均1.7 m，煤层倾角平均1°～3°，工作面东侧为已经回采完毕的43303工作面，西侧为正在掘进回采巷道的43301工作面。43302工作面分为43302-1工作面与43302-2工作面两部分进行回采，工作面长度均为355 m，43302-1工作面推进长度为1 750 m，43302-2工作面推进长度为680 m，两开采工作面中间为5条矸石排运巷，各工作面的布置关系如图1所示。

图1 工作面布置图

43302综采工作面上方为4-2煤，煤层间距平均为18 m，4-2煤平均厚度1.65 m，煤层埋深平均为100 m，43302工作面上方存在上覆4-2煤42202工作面回采后遗留有开切眼煤柱及巷道保护煤柱，其宽度均为20 m，巷道保护煤柱与43302-1工作面机尾水平距离约为65.4 m。

2 工作面矿压显现规律分析

目前，43302工作面东侧的43303工作面已经回采完毕，其上方同样存在采空区煤柱，43302-1工作面已推进715 m。43303工作面及43302-1工作面回采段矿压显现规律对43302工作面后续开采具有重要的借鉴意义。

2.1 43303工作面矿压显现

通过对43303工作面矿压显现进行分析和总结，其矿压显现具有以下特征。

来压周期：工作面在推进过程中，来压呈现大、小周期来压现象，顶板有台阶下沉情况，基本顶呈现“O”型断裂，工作面初次来压步距为39.2 m，周期来压步距平均为21.8 m。

来压区域：沿工作面方向来压有一定差异，即工作面中部区域来压比较明显，特别是在靠近上覆采空区煤柱一侧来压强度明显增大，而在端头位置来压并不明显。

不同位置的来压现象：工作面正常推进过程中，靠近上覆煤柱区域的支架工作阻力较高，顶板岩层比较破碎，支架前移比较困难。当工作面推进距离上方煤柱约6 m时开始来压，来压强度明显增大且部分液压支架出现压死现象。

2.2 43302-1工作面矿压显现

43302-1工作面共推进715 m，沿工作面方向呈现分段式来压特征，即工作面中部60#～85#支架率先来压，随后两侧支架来压，来压期间煤壁片帮现象严重，工作面顶板局部出现冒顶现象，冒顶深度为0.5～0.9 m，工作面多处液压支架安全阀开启，支架载荷在38～47 MPa范围内。工作面初次来压步距为38.4 m，周期来压步距平均为20.7 m。

分析43303工作面和43302-1工作面的来压特征可知，来压强度大主要是由于在工作面上方存在与工作面推进方向平行的煤柱，这些煤柱与本层煤的顶板形成次生顶板结构，在下层煤开采影响下，煤柱结构受到破坏，极易出现动载现象从而导致下层煤工作面来压剧烈、支架压死等情况。因此43302工作面后续开采时，需要合理确定工作面推进速度及支架工作阻力，并对影响工作面安全的遗留煤柱采取处置措施，避免出现压架等情况。

3 下层煤过上覆煤柱措施研究

根据对43303工作面的矿压分析可知，工作面在推进至与上覆煤柱距离为6 m时来压比较剧烈，因此，从工作面进煤柱前、进煤柱中以及出煤柱时3个阶段提出工作面开采安全技术措施。

3.1 工作面进入煤柱前

当下层煤工作面进入上覆采空区遗留煤柱前，工作面采取的安全技术措施如下。

调整工作面采高：当下层煤推进至与上覆煤柱的距离为10～50 m时，工作面可适当进行卧底与割顶，将工作面采高调整为2.1 m，割顶0.2 m，卧底0.2 m，增大液压支架的初撑力，提高支架与顶板的接触程度，有利于顶板的维护。

改变进刀角度:当工作面推进至与煤柱距离为30 m时，将工作面进刀角度进行调整，由于43302工作面机头位置上方无煤柱存在，且支架工作阻力比较稳定，因此机头段应超前15 m，直到工作面完全通过煤柱，然后将工作面开采角度调整回到正常情况。

增加微震监测：微震监测可以找到顶板岩层破断来压时产生位移的位置，能够对顶板运移情况进行记录，从而得到顶板来压对周围岩体的影响范围。43302工作面采用KJ768微震监测系统，在工作面运输与回风顺槽各布置一个测站，测点自与切眼距离为720 m时开始布置，每个测点之间的距离为50 m。

监测地表位移：为确定43302工作面回采对地表岩层的影响情况，需定期对地表沉陷情况进行监测、统计，根据地表岩层的沉陷位移情况确定工作面上覆煤柱载荷释放情况。

对上覆煤柱进行爆破预裂:煤柱爆破预裂的目的是释放煤柱所储存的能量，减弱煤柱对底板的应力集中影响，防止工作面动载效应的出现。当工作面推进至与上覆煤柱距离为20 m时停止回采，在工作面煤壁处沿工作面倾斜方向向顶板打预裂炮孔，炮孔间距为5 m，与水平夹角为45°，炮孔深度为25 m，工作面共打70个炮孔。

3.2 工作面进入煤柱中

当下层煤工作面进入上覆采空区煤柱时，工作面采取的安全技术措施如下。

动压现象：保证43302工作面在进入上覆煤柱时能够连续回采，防止出现停采导致煤柱载荷积蓄，形成动压现象。

来压预测：配备专业人员对工作面矿压情况、地表岩层位移情况进行观测分析，采用矿压预警系统对工作面推进至不同位置的来压情况进行预测。

顶板支护：当经过顶板比较破碎、工作面液压支架工作阻力较大区域时，应加快工作面推进速度，并对顶板进行补强支护。

3.3 工作面出煤柱时

当工作面即将通过上覆煤柱时，仍有可能出现动压现象，此时应继续保证工作面采高较大，提高支架初撑力，并时刻对工作面矿压显现情况进行观测，若工作面支架工作阻力恢复正常情况，则可将工作面采高调整至正常的1.7 m。

3.4 效果分析

43302工作面长度为355 m，增加了过上覆采空区煤柱的难度，但在采取上述措施后工作面成功通过上覆煤柱，详细情况如下：过煤柱前机头端超前机尾15.8 m，工作面机尾处来压强度明显降低，煤壁片帮现象减轻，并且过煤柱过程中无冒顶现象出现。将工作面采高调整至2.1 m后，支架与顶板接触效果良好，支架初撑力增大后，顶板完整度提高，支架前移较为平稳，并且过煤柱过程中无压架现象发生。在采取爆破预裂卸压后，工作面支架载荷有了一定程度的降低，工作面开采过程中无动压现象出现。

4 结论

本文以山西上榆泉煤矿地质开采条件为基础，对综采工作面过上覆采空区时的矿压显现规律进行了研究，并提出了43302工作面后续开采的安全技术措施。

(1)43303工作面初次来压步距为39.2 m，周期来压步距平均为21.8 m；43302-1工作面共推进715 m，初次来压步距为38.4 m，周期来压步距平均为20.7 m。沿工作面方向呈现分段式来压特征，即工作面中部率先来压，随后两侧来压，工作面来压剧烈，存在支架压死现象。

(2)针对工作面在进上覆煤柱前、进入煤柱中以及出煤柱时3个阶段，制定了改变采高、调斜、上覆煤柱爆破预裂以及加快工作面推进速度等措施，以确保工作面能够安全通过上覆煤柱。

(3)现场实践表明，在工作面采取过上覆煤柱措施后，工作面来压强度有了明显降低，工作面片帮、冒顶等现象显著减少，并且整个过煤柱过程中无支架压死现象，表明该措施具有较好的效果。