深埋综放工作面出集中煤柱矿压规律及防治技术

万新通，张少平，杨正伟

(1.国能神东煤炭集团有限责任公司布尔台煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.国能神东煤炭集团有限责任公司高端设备研发中心，陕西 神木 719315)

0 引言

近年来，随着煤炭需求和开采力度的不断加大，神东矿区各大矿井已相继进入4-2煤、5-2煤层主采煤层的开采，局部埋深超过450 m，由于地质构造、工作面布置方式等因素的影响，煤层开采时遗留了一些煤柱，造成下煤层工作面在推出此类煤柱附近的开采范围内发生压架事故、支架活柱短时间急剧大幅下缩、支架立柱爆缸、漏顶、片帮严重等剧烈的来压现象，影响工作面的安全回采。因此，分析集中煤柱影响区域回采过程中矿压显现强烈的原因及其管控措施受到工程技术人员的关注。基于此，文章以布尔台煤矿42108工作面为例，结合相邻工作面出集中煤柱矿压显现情况总结分析，出煤柱期间上层煤顶板垮落对工作面回采的影响，提出针对性的管控措施。

1 42108工作面及煤柱概况

1.1 工作面概况

布尔台煤矿42108工作面位于4-2煤一盘区，工作面回采3-1煤、4-2煤分叉复合煤层，分叉区煤厚4.0 m，复合区煤厚4.65～7.3 m，平均6.1 m，工作面推进长度4 728.4 m，工作面长313.2 m，设计采高3.7 m，放煤高度2.4 m。工作面沿煤层倾斜布置，沿走向推进，采用走向长壁后退式采煤方法。

1.2 集中煤柱概况

42108综放工作面在机尾推进至580.2 m处，工作面辅运顺槽副帮向工作面131.5 m(机尾至工作面92号支架处)范围内上覆22107综采工作面跳采遗留集中煤柱，煤柱沿推进方向长度341 m，影响推进范围580.2～921.2 m。在集中煤柱影响范围内，工作面埋深450～470 m，与2-2煤层间距70～75 m，回采段煤层直接顶岩性为砂质泥岩，厚度4～12 m；老顶岩性为细粒砂岩，厚度14～24 m；底板岩性为砂质泥岩，具体位置如图1所示。

图1 煤柱示意Fig.1 Schematic diagram of coal pillar

2 出煤柱矿压规律分析

根据4-2煤地质钻孔综合柱状图，利用数值模拟软件建立过集中煤柱模型。

模型尺寸：模型大小为200 m×2 m×121 m，其中煤柱设置为40 m。

模型选择：本构模型选择为摩尔-库伦模型。

模型块体：根据矿内钻孔资料，选择模型块体、节理参数。

施加边界条件：4-2煤埋深平均按450 m，需要在模型Z方向上施加均布载荷即垂直地应力Hγ=8.7 MPa。

计算分析：计算过程如图2～7所示。

图2 建立模型、网格划分Fig.2 Modeling and meshing

图3 初始平衡垂直应力云图Fig.3 Initial vertical stress nephogram

图4 2-2煤回采后垂直应力云图Fig.4 Vertical stress nephogram after mining of No.2-2 coal seam

图5 进入煤柱时垂直应力云图Fig.5 Vertical stress nephogram when entering coal pillar

图6 煤柱下垂直应力云图Fig.6 Vertical stress nephogram under coal pillar

图7 出煤柱时应力云图Fig.7 Vertical stress nephogram when leaving out coal pillar

通过以上应力云图可以看出，工作面在进入集中煤柱附近时工作面应力明显增加，并有增大趋势，在煤柱下回采工作面压力相对稳定，但在距出煤柱线区域煤柱对工作面影响再次增加，应力集中明显，因此，出集中煤柱期间工作面应力集中最为明显。

3 理论模型分析

工作面在通过上覆煤柱的过程中，相比进煤柱阶段和煤柱区下的回采，出煤柱附近矿压显现较强烈[1-4]。这显然与出煤柱阶段上覆岩层的活动规律密切相关。

工作面逐渐向煤柱边界推进，煤柱上方关键层将逐步发生周期性破断回转运动，岩块之间相互铰接，最终会在出煤柱边界形成如图8(a)所示的三铰式拱形铰接结构。根据库兹涅佐夫的理论，铰接岩块间的三铰结构必须满足中间节点高于两端节点时，结构才能够保持稳定。而对于出煤柱阶段关键块体形成的拱形铰接结构，其中间节点低于两端节点。所以，此结构是不稳定的，只有靠下部未离层岩层的支撑作用才能保持平衡，压力作用在关键层上，导致下层工作面在回采过程中矿压显现剧烈。

图8 工作面出煤柱阶段关键块体运动示意Fig.8 Movement of key blocks when working face leaving out coal pillar

煤柱下回采过程中，关键层会在煤柱边界破断形成“砌体梁”式的铰接结构，并承担着其所控制的那部分岩层的载荷。在下煤层工作面推出煤柱边界的过程中，此结构的断裂岩块必然会产生进一步的回转运动；由于煤柱上方关键块体相对回转运动传递的过大载荷才造成了块体“砌体梁”结构的滑落失稳，从而导致工作面顶板直接沿断裂线切落，导致矿压显现强烈，工作面片帮加剧、顶板破碎、安全阀开启、立柱下沉，甚至出现压架事故[5-13]。

因此，工作面在推出上煤柱边界时，煤层间关键层破断块体结构的滑落失稳是必然的。正是由于煤柱上方关键块体相对回转运动传递的过大载荷才造成了E块体“砌体梁”结构的滑落失稳，从而导致工作面顶板直接沿断裂线切落，工作面顶板压力增加。

4 42108综放工作面出煤柱管控措施

4.1 管控措施

基于对综放工作面出煤柱矿压规律分析，结合42108综放面具体的生产条件，提出以下控制措施。

多手段矿压监测：①采用微震对于回采范围内的岩体破坏(裂)情况进行监测，根据每日微震事件的总数量、总能量指标对工作面来压情况进行预测、预报；②通过锚索(锚杆)应力监测、围岩应力依据应力变化情况对工作面压力情况进行预测、预报；③支架数据上传系统除能及时反映工作面支架工作阻力是否满足要求，还可以通过支架压力数据分析工作面周期来压步距、来压强度，指导工作面安全生产。

施工卸压孔：采用施工泄压孔来释放围岩应力，降低矿压显现强度。在42108辅运顺槽对正帮煤体施工孔径200 mm，孔距5 m，倾角0°～3°，孔深20 m的卸压孔。

顶板弱化：采用定向长钻孔双封单卡多点拖动式分段水力压裂顶板弱化技术，弱化顶板强度，降低顶板完整性，预防顶板大面积悬顶突然垮落对工作面产生的冲击。

支架质量：确保支架工况良好，保证支架安全阀质量，及时检查和更换损坏安全阀，一方面确保支架对顶板的支护作用，另一方面支架工作阻力达到安全阀开启值时能及时开启，保护设备安全。

拉移距离与时间：加强辅运顺槽超前支架拉移距离及拉移时间的管理，保证工作面超前支护质量。

支护强度：根据支护强度计算，并结合相邻工作面回采经验，合理采用φ28.6 mm×8 000 mm锚索对巷道顶、帮进行补强支护。

4.2 对比相邻工作面矿压情况

42107工作面出集中煤柱柱2.0 m时，工作面来压支架最大工作阻力可达到51 MPa，工作面煤壁片帮加剧，顶板破碎；工作面出煤柱11.0 m开始，工作面支架工作阻力再次增加，工作面整体呈现来压趋势，支架载荷较大，最大压力可达到59.8 MPa，来压期间，80%支架载荷达到48 MPa以上，工作面推进8刀后工作面压力才恢复正常，并且42107辅运顺槽帮鼓最大1.5 m，顶底板移近量最大1 m。

采取多项针对性措施后，42108工作面出集中煤柱期间来压步距为1 216 m，来压步距相对稳定，来压期间工作面呈现局部来压，未出现工作面整体来压显现，且来压期间支架平均工作阻力32.6 MPa，支架工作阻力达到40 MPa以上的占16%，支架最大工作阻力为52 MPa，工作面来压持续3～5刀，工作面来压强度、持续时间较42107工作面明显缓解，且42108辅运顺槽围岩变形量在300～400 mm范围相对42107辅运顺槽也大幅度降低。

综上所述，通过以上措施有效弱化了顶板，降低了来压强度，缩小了来压周期，提高了矿压预测、预报的准确性，确保了42108工作面出煤柱阶段未发生冒顶、压架等顶板事故。

5 结语

出煤柱期间上层煤顶板失稳、回转，压力传递至回采煤层易导致出煤柱期间矿压显现剧烈。

针对出集中煤柱矿压显现强烈所采取卸压孔、水力压裂等措施，缩短了工作面来压步距，降低了来压强度，确保安全生产。

多手段进行矿压观测，提高了预测、预报能力，为防止顶板事故发生起到了积极作用。