堅硬頂板工作面礦壓顯現及煤柱應力控制技術

吳 疆

(同煤集團朔州煤電公司小峪煤礦，山西 懷仁 038300)

1 工程條件

現場監測地點選擇晉華宮煤礦8709工作面及8709工作面煤柱，8709工作面開采侏羅系11#煤層，走向長度650 m，傾斜長度190 m，面內煤層埋深376.7 m～407.4 m，平均392 m，煤層厚度0.8 m～3.35 m，平均3.0 m，煤層賦存穩定，結構簡單。工作面內地質構造及水文條件簡單，頂底板為細砂巖、中細砂巖，致密堅硬，詳見表1。工作面采用綜合機械化走向長壁后退式全部垮落采煤法，選用ZZ6000/17/37B型支撐掩護式支架支護工作面頂板，該支架頂梁長3.6 m，前探梁長1.0 m，采煤機截深0.8 m，最大控頂距為5.74 m，最小控頂距為4.94 m，最小端面距為0.34 m，最大端面距為1.14 m。工作面共布置136個支架，從皮帶巷(2709巷)到軌道巷(5709巷)依次編號為1#～136#。8709工作面布置及煤層賦存條件與8707工作面基本相同，采用雙巷布置，煤柱另一側為已采8707工作面采空區，煤柱寬度24 m。

表1 8709工作面頂底板特征

工作面礦壓監測采用山東省尤洛卡自動化裝備股份有限公司生產的KJ216綜采支架壓力計算機監測系統，該儀器能自動記錄各分機壓力。沿工作面推進方向布置3個測區7條測線，選擇7個支架進行監測，即,頭部10#架,尾部120#架，中部30#、45#、60#、80#、100#架。其余每個支架安裝1個直讀式壓力表，在工作面最后1個支架的進液管安裝一塊壓力表，監測液壓系統的末端壓力。

在所留煤柱側的幫上設置3個測站，如圖1所示，在測站內使用錨桿鉆機鉆孔，每個測站布置4個鉆孔，鉆孔間距為3 m，直徑為56 mm，距巷道底板1.5 m～2.0 m，斜向上1°～20°。1#、2#測站內各鉆孔深度分別為3、5、7、9 m；3#測站各鉆孔深度分別為2、4、6、8 m，隨著工作面的推進每2 h自動記錄一次鉆孔應力。

圖1 鉆孔應力計測站布置圖

2 工作面來壓步距及強度分析

2.1 支架初撐力分布特征

綜采工作面液壓支架在升起支護頂板時，其立柱下腔液體壓力達到泵站壓力時支架對頂板所產生的初始支護力為支架初撐力[1-3]。選取2013年10月4日至12月4日8709工作面各側線液壓支架工作阻力監測數據，分析液壓支架初撐力分布特征，僅列出頭部10#、中部60#、尾部120#支架結果，如圖2所示。

圖2 液壓支架初撐力分布特征

由圖2可知，8709工作面支架初撐力近似呈正態分布，根據要求支架初撐力為3 200 kN，各測線處支架初撐力的合格率分別為55.61%、53.69%、48.37%、40.24%、39.58%、53.84%和58.72%。由此，液壓支架初撐力在工作面兩端頭附近較高，工作面中部較低，說明兩端頭附近較中部好，但初撐力整體偏低，不利于對頂板的支護，需要采取一定措施提高液壓支架初撐力。

2.2 本頂周期來壓步距確定

表2 基本頂周期來壓步距統計表

2.3 工作面來壓強度分析

8709工作面非來壓期間，支架循環末阻力較小，一般為4 500 kN～6 000 kN，為支架額定工作阻力的75%～100%。周期來壓期間有一定的動載現象，最大循環末阻力為8 026 kN，超出支架額定工作阻力33.77%，工作面動載系數約為1.34～1.78，平均為1.56。通過分析可知，8709工作面所選支架額定工作阻力偏小，需要重新選擇更高工作阻力的支架。

3 煤柱應力分析

隨著8709工作面推進，實時監測并記錄煤柱處鉆孔應力計讀數的變化，以測點距工作面距離為橫坐標、鉆孔應力計讀數為縱坐標，繪制二者關系曲線，各測站監測結果分別如第169頁圖3所示。

由圖3可知，工作面距測站超過40 m時，煤柱內的應力基本保持穩定；距測站小于40 m時，隨著工作面的推進，煤柱內的應力逐漸增大；當距測站12 m～18 m時，煤柱內的應力達到最大，平均值為15 MPa，應力集中系數達到2，隨后，煤柱內的應力逐漸減小。由此可知，8709工作面超前支承壓力影響范圍為工作面前方0 m～40 m，峰值位于工作面前方12 m～18 m，工作面超前支承壓力較大，系開采影響與上部煤柱應力集中影響共同導致。

4 煤柱應力控制技術

采用深孔卸壓爆破技術對煤柱(承壓較大)進行弱化處理，改善煤巖體的物理力學性質，將工作面頂板壓力轉移到深部煤巖體內，能夠有效減小應力集中，達到防治沖擊地壓的目的[5]。

4.1 現場實施方案

考慮到現場生產狀況，結合現場實測，選取工作面前方40 m以外的地方對保護煤柱進行卸壓爆破。由現場壓力分析可知，8707工作面與8709工作面區段煤柱應力呈“雙峰”對稱分布，兩側為塑性區，寬度約為4 m，中部為應力升高的彈性區，是煤柱的主要承載區，關乎煤柱的穩定。考慮到煤層傾角較小，可近似看作水平煤層處理。

1) 鉆孔布置：在煤柱上水平布置鉆孔，孔深為12 m，考慮到有效影響半徑為2.5 m，每5 m布置一個鉆孔，煤柱端頭各留10 m，使用電煤鉆打孔，麻花鉆桿的直徑為38 mm，鉆頭的直徑為42 mm，圖4為鉆孔布置圖。

2) 裝藥：裝藥長度為孔長減去5.5 m～6.0 m，裝藥后應裝入長度不小于0.4 m的水炮泥，水炮泥外側還應充填長度不小于2 m的封口炮泥，由于煤柱兩幫4 m范圍內已經處于卸壓狀態，孔深為12 m，則實際孔深為8 m。裝藥長度為5.5 m，選用3號煤礦許用筒形炸藥，每個藥卷重150 g，直徑為38 mm，長為150 mm，采用瞬發電雷管起爆。每個孔需要37個藥卷，即每孔的裝藥長度為5.5 m，裝藥量為5.5 kg，裝入0.5 m的水炮泥，填充2 m長的炮泥，用電雷管起爆。

圖3 測站監測煤柱應力變化曲線

圖4 鉆孔布置圖

4.2 結果分析

圖5為爆破前、后煤柱垂直應力分布圖，由圖5可知，爆破前煤柱整體處于高應力狀態，爆破后煤柱整體應力降低，煤柱最大應力由25 MPa降低為10.5 MPa，為爆破前的42%，煤柱應力由“雙峰”分布轉換為“單峰”分布，煤柱整體卸壓效果較好。

圖5 煤柱下方垂直應力分布

5 結論

本文針對區段煤柱引起的強礦壓顯現問題，采用深孔卸壓爆破技術對區段煤柱進行弱化處理，改善了煤巖體的物理力學性質。現場監測表明，爆破后煤柱下方垂直應力大幅度降低，為爆破前的42%。爆破有效減小了煤柱應力集中，達到防治沖擊地壓的目的。