强矿压下工作面动载矿压显现规律及控制技术研究

韩文广

（晋能控股煤业集团马脊梁矿，山西 大同 037003）

1 概况

晋能控股煤业集团马脊梁矿8107 综采工作面位于C3#层一盘区，沿煤层底板布置，工作面运输巷长2519 m，回风巷长2603 m，开切眼长243 m。8107 工作面煤层结构复杂，煤层厚度4.65～8.33 m/6.20 m，含3～7 层夹矸，厚0.15～0.65 m，夹矸岩性多为炭质泥岩、高岭土，局部煌斑岩侵入，影响较小，可采性指数1，变异系数15.1%。煤层倾角1°～2.5°，平均1.5°，属近水平煤层。煤层基本顶为厚度6.93 m 的砾岩，直接顶为厚度2.94 m 的高岭岩；直接底为厚度3.26 m 高岭岩，基本底为厚度9.80 m 的粗砂岩。8107 工作面北东依次为3 煤主运巷、3 煤辅助运巷、盘区回风巷，南东为8105工作面采空区，北西及南西为实煤区。上覆14-2#煤为采空区。8107 工作面从东向西依次布置有辅运巷道、主运巷道、回风巷道Ⅰ、回风巷道Ⅱ，如图1。

图1 8107 工作面巷道布置示意图

2 矿压显现特征分析

2.1 区域划分

8107 工作面上覆采空区的情况较为复杂，根据矿压显现特征的不同将8107 工作面上覆采空区分为张树沟上坡段、张树沟下坡段、14-2#煤采空区、集中煤柱前和集中煤柱后共五个区域，分布示意图如图2。

图2 8107 工作面上覆采空区区域位置分布示意图

2.2 矿压显现规律

通过记录8107 工作面过张树沟上坡段、张树沟下坡段、14-2#煤采空区、集中煤柱后和集中煤柱前区域内各时段的工作面矿压显现实测数据，汇总为表1。

通过分析表1 数据，8107 工作面通过上述五个区域期间时矿压显现主要特征如下：

表1 8107 工作面过不同区域时矿压显现特征情况表

（1）过集中煤柱前期间，工作面周期平均来压步距为13.99 m，平均来压持续长度为3.30 m，整体来看表现为：来压步距较小，持续长度较短，来压步距呈上部和下部小、中部大的特点。

（2）过集中煤柱后期间，工作面周期平均来压步距为15.64 m，平均来压持续长度为4.01 m，整体来看表现为：来压步距较小，持续长度较短，来压步距呈上部小、中部和下部大的特点。对比过集中煤柱前期间，来压步距和持续长度要略大，分析原因为过集中煤柱后区域受到上覆集中煤柱压力的影响。

（3）过14-2#煤采空区期间，工作面周期平均来压步距为13.03 m，平均来压持续长度为3.64 m，整体来看表现为：来压步距较小，持续长度较短，来压步距呈上部和下部大、中部小的特点。

（4）过张树沟下坡段期间，工作面周期平均来压步距为17.95 m，平均来压持续长度为2.65 m，整体来看表现为：来压步距较长（在五个阶段中最长），持续长度较短，来压步距呈上部和下部大、中部小的特点。

（5）过张树沟上坡段期间，工作面周期平均来压步距为17.49 m，平均来压持续长度为4.06 m，整体来看表现为：来压步距较长（在五个阶段中排第二），持续长度较短，来压步距呈上部和下部大、中部小的特点。

分析表1 数据可知，8107 工作面在过集中煤柱前期间、集中煤柱后期间、14-2#煤采空区期间、张树沟上坡段期间的微震事件平均能量和微震事件能量均方差均较大，在8107 工作面推进至以上阶段时，基于积聚应力集中释放的因素，矿压显现强度大。8107 工作面在过张树沟下坡段期间的微震事件平均能量和微震事件能量均方差均较小，基于工作面顶板近水平挤压影响形成稳定的铰接结构，矿压显现强度减弱，工作面不易发生压架安全事故。8107 工作面过不同区域的来压强度关系为：过集中煤柱后期间>过集中煤柱前期间>过张树沟上坡段期间>过张树沟下坡段期间>过14-2#煤采空区期间。

3 矿压控制技术研究

3.1 控制技术方案

针对8107 工作面在过集中煤柱前期间矿压显现剧烈、易出现压架事故的问题，提出了两种控制技术方案[1-6]。

3.1.1 充填治理方案

对8107 工作面上覆采空区进行注浆充填治理。方案为：充填面积约24 034 m3，布置钻孔665 个，孔间距20 m，孔深80 m，累计钻孔53 200 m，总注浆量为24 868 m3。

3.1.2 定向钻孔爆破治理方案

对8107 工作面上覆采空区进行定向钻孔爆破卸压。在8107 工作面推进距集中煤柱相应位置时，布置一定数量的钻孔，沿着工作面推进方向实施松动爆破，让采空区基本顶产生裂隙，加速顶板跨落。炮孔布置示意图如图3。

图3 工作面炮孔布置示意图（m）

3.2 方案对比选择

充填治理方案和定向钻孔爆破治理方案均能够降低8107 工作面过上覆集中煤柱区域的矿压显现强度，工作面动载强度降低，卸压作用理想，两种技术方案从技术实现上都是可行的。

成本核算结果表明：注浆充填治理方案共需约7500 万元，而定向钻孔爆破治理方案仅需要约150万元。定向钻孔爆破治理方案治理8107 工作面上覆采空区问题具有较好的经济性，因此确定采用定向钻孔爆破集中煤柱的方法。

3.3 定向钻孔爆破治理技术的实施

根据表1 数据，掌握了8107 工作面上覆采空区集中煤柱压力区的分布情况，定向钻孔爆破位置确定在工作面距集中煤柱40 m 处，钻孔数量18 个，孔间距14 m，孔深76 m，钻孔角度36°，累计钻孔1368 m，炮孔垂深47 m，孔径为94 mm，炮孔呈“一”字型布置，装药长度24 m，封孔长度52 m，炸药单耗0.35 kg/m3，各钻孔装药总量260 kg，最小抵抗线为8 m。集中煤柱爆破结构示意图如图4。

图4 集中煤柱爆破结构示意图（m）

4 效果评价

矿压监测结果表明：对集中煤柱进行定向钻孔爆破治理后，矿压显现强度明显降低。8107 工作面在过集中煤柱区域期间，仅发生一次较大工作面顶板整体来压事件，平均来压步距7.23 m，来压持续长度约2.01 m，来压期间微震事件平均能量为1.12×105J，数量3 个；该期间没有出现压架事故。定向钻孔爆破治理控制技术有效地提高了8107 工作面顶板的稳定性，保障了8107 工作面开采的安全性和可靠性。