近距離煤層跨煤柱開采技術在煤峪口礦的應用

安平華

(大同煤礦集團 煤峪口礦，山西 大同 037041)

伴隨礦井開采深度的增加，煤峪口侏羅系煤層開采殆盡，14#層410盤區現階段為該礦唯一的主采盤區，410盤區14#層煤與上覆11-12#合并層層間距較小，僅為2.5～14.8 m，屬近距離開采煤層，這給14#層回采帶來極大的安全隱患[1-3]. 工作面在上覆煤層采空區及殘留煤柱的影響區域內容易出現應力集中、礦壓顯現等情況，易引發工作面壓架及大面積冒頂事故[4]，嚴重制約了本煤層的安全開采[5]. 許多國內外學者對淺埋煤層開采過程的礦壓做了大量的研究，取得許多前瞻性理論成果。張百勝[6]等采用數值模擬得出了煤柱支撐壓力在下覆煤層頂板的分布規律，得出巷道結構在非均勻荷載下出現局部破壞，為近距離下部煤層回采時巷道布置提供了指導；王路軍[7]等根據上覆主關鍵層破斷后巖體的回轉運動對下覆層工作面來壓周期的影響方面進行了研究；鞠金峰[8]等從控制關鍵塊體的回轉運動的角度，研究了下煤層工作面在煤柱下方區域時發生動壓荷載礦壓顯現防治對策。本文在上述理論研究的基礎上，通過采用數值模擬結合工程實測的研究方法，分析了上覆殘留煤柱內應力分布規律及其在底板內應力的傳遞規律，制定了有效的防范措施，保證了工作面回采期間安全生產，避免了大面積斷面漏頂及壓架事故[9-10]的發生，對相似條件下工作面安全回采具有重要的參考意義。

1 工作面地質概況

煤峪口礦井田位于山西省大同市南西,地處大同市礦區煤峪口村。井田從東向北西方向呈不規則狹長的馬鞍形，東西長為10.5 km，南北寬為1.8 km. 井田面積為15.154 5 km2，現開采14#層。其中81012工作面位于14#層410盤區中部，西與410盤區皮帶巷、軌道巷、回風巷相連，東為隔礦界煤柱，其余方向均為實煤。工作面傾向長度為173.4 m，走向長度為998 m，回采面積為173 053.2 m2，煤層平均厚度為2.3 m,煤層結構簡單。工作面直接頂為深灰色粉砂巖與細粒砂巖互層，膠結較堅硬，平均厚度為3.9 m，基本頂為灰白色細砂巖，節理發育，均厚2.1 m.

81012工作面基巖厚度48～120 m，上覆為11-12#合并層81012綜放工作面采空區，11-12#層81010、81012工作面留設20 m煤柱，具體位置見圖1.煤層綜合柱狀見圖2.

圖1 工作面上覆煤柱位置布置圖

圖2 煤層綜合柱狀圖

2 上覆煤柱應力分布規律

依據14#層81012工作面實際布置情況，采用UDEC數值模擬軟件建立模型。模型長度150 m，高度100 m，將模型的左、右、下部邊界固定鉸支，上部邊界為自由邊界，設置大小為5 MPa的均布載荷模型，見圖3. 采用摩爾—庫侖本構模型進行數值計算。

圖3 數值計算模型圖

數值模擬得出14#號上覆煤層煤柱造成底板應力分布，見圖4.上覆煤柱在14#層頂板一定范圍內形成應力增高區，同時在遠離煤柱一定范圍形成應力降低區。從圖4b)可得出，11-12#層煤柱造成底板應力增高區約30 m，遠大于11-12#層與14#層層間距，煤柱下方區域應力集中程度自中間向兩側遞減。殘留煤柱集中應力影響到工作面圍巖穩定性，易發生片幫、冒頂及壓架事故[11].

由圖4 a)可得出，上覆煤柱水平應力降低區為遠離煤柱7 m以后區域，即在回采期間工作面2#—20#架處于煤柱應力集中區，尤其是7#—14#來壓顯現較為強烈，并出現步距壓力顯現，顯現步距14 m左右。以平均工作阻力計來壓動載系數1.2～1.4，平均強度不大；以最大瞬時工作阻力計來壓動載系數1.4～1.6，強度非常大，最大動壓荷載約為30 MPa，具有瞬時沖擊傾向，即基本頂懸板在近煤壁前方發生瞬時斷裂引起，如若工作面在初次及周期來壓時，工作面支架初撐力不足及支架工作面阻力不夠時，易造成工作面發生漏頂及壓架事故。

3 現場實測結果分析

基于上述模擬，利用工作面回采期間壓力記錄儀實時監測頂板壓力情況。本工作面共布置9條測線，分別在6#、11#、21#、36#、51#、66#、88#、95#、111#支架上各安裝一塊YHY60(B)礦用本安型數字壓力計(礦壓記錄儀)，并在其余支架上各安裝一塊YHY60(A) 礦用本安型數字壓力計(雙針表)，對工作面進行頂板動態連續監測，取81012工作面正常生產期間的數據進行分析，見圖5.

由圖5可知，工作面11#支架附近應力顯現明顯，工作面呈現周期來壓，來壓步距約15 m，工作面在周期來壓時，煤柱下方礦壓顯現劇烈，最大支護阻力約為30 MPa，現場實測結果符合模擬結果。

4 回采期間預防壓架、漏頂事故措施

圖4 煤柱應力分布規律圖

圖5 工作面支架壓力曲線圖

4.1 提高支架初撐力

統計分析，提高支架初撐力，增強支架在采場有效支護能力，能夠有效避免頂板在采場支護范圍提前離層，防止頂板懸臂梁超前煤壁斷裂，減輕機道頂煤受壓破碎，避免產生端面漏頂。

4.2 提高支架完好率

在煤柱應力集中區，即1#—20#采用新支架支護，其余為修復支架。同時要加強檢修力度，對工作面支架立柱、液管、操作閥及泵站進行全面檢查，及時維修、更換，杜絕支架“跑、冒、滴、漏、竄”及自降現象，確保綜采工作面支架支護有效，防止頂板提前離層壓迫頂煤，產生端面漏頂。

4.3 帶壓超前移架

工作面生產過程中，按規程與崗位工種規范要求進行循環作業，杜絕非正規作業。1#—20#支架必須帶壓超前移架，其他范圍要及時追機移架，嚴禁大面積、長時間超空頂作業，保證有效端面距。當機道頂板破碎，壓力顯現較大時，要加快工作面推進速度，移架后頂梁前加單體增強支護，保證采場有效支護。

當機道頂板破碎嚴重，移架困難時，應從架間隙及煤壁前方打眼注射馬麗散對破碎頂煤進行加固，并制定專項措施。

4.4 其他措施

在工作面進行回采前，對綜采工作面所有設備，液壓支架及乳化液泵站的液壓系統管路、連接銷子及安全閥進行檢修，保證工作面設備在過上覆集中煤柱期間處于正常狀態[12].加強工作面過上覆煤柱期間的工程質量管理，嚴格執行安全技術措施。

5 結 論

1) 通過對81012工作面上覆煤柱應力分布規律研究，得出14#層頂板形成應力降低區距煤柱的水平距離為7 m， 11-12#層煤柱造成底板破壞深度達 30 m.

2) 工作面2#—20#架范圍處于煤柱應力集中區，工作面4～38 m受到殘留煤柱影響，尤其是7#—14#來壓顯現較為強烈，并出現步距壓力顯現，顯現步距15 m左右。

3) 回采期間通過采用提高支架初撐力，加強工作面支護，提高支架完好率，帶壓超前移架等措施保證了工作面安全回采。

參 考 文 獻

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