布爾臺煤礦42107工作面強礦壓顯現規律及其防治

楊俊哲，何 江，宋桂軍，王崧瑋

(1.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木，719315；2.中國礦業大學 礦業工程學院 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

神東礦區布爾臺煤礦一盤區42煤開采深度僅400m左右，但工作面回采過程中煤壁片幫嚴重，多次出現液壓支架爆缸等強礦壓顯現。同時工作面來壓期間，超前巷道礦壓顯現也十分強烈，曾多次出現單體支柱瞬間大范圍折斷等現象[1-3]。工作面礦壓顯現規律研究一直是煤礦開采研究的熱點。工作面礦壓顯現規律主要采用支架監測數據進行分析得到。已有研究表明通過工作面支架工作阻力分析[4-6]，可以有效反映礦壓顯現規律，但結合工作面支架工作阻力探索強礦壓顯現規律方面的研究還比較少，且缺乏有效分析模式和分析方法。工作面強礦壓控制方面，對于由于臨近采空區懸頂導致的強礦壓，一般采取爆破或水力壓裂的辦法對懸空頂板實施預裂弱化，以便于頂板垮落，避免或減弱強礦壓顯現[7-9]，但頂板弱化參數需要基于特定條件進行設計，因此也需要對礦壓顯現規律進行研究。

由于工作面液壓支架電液控制系統記錄的支架工作阻力監測數據的數據量極大，給礦壓規律分析帶來了極大困難。采用軟件編程的方法，實現了工作面礦壓規律的直觀分析，得出了礦壓分布規律，結合工作面地質及開采條件，分析了強礦壓產生的原因，并提出防控措施，為現場強礦壓防治提供參考。

1 工作面概況

布爾臺煤礦42107綜放工作面開采42煤。采深由開切眼至終采線為430～370m，與上覆已開采的22煤層間距為45～78m，22煤厚度3.0～3.5m。工作面巖層賦存條件見表1。工作面設計長度300.3m，走向長度4807.9m，采高3.7m，放煤3.2m，采放比為1∶0.86。42107工作面為一采區第7個工作面，與42106工作面采空區隔離煤柱寬25m。42煤工作面與上覆22煤工作面交錯布置，22煤區段煤柱位于42煤工作面中部。42107綜放工作面機頭推進至582.7m處，上覆22107-1綜采工作面跳采遺留一塊集中煤柱。當工作面機尾推進至654.6m處，上覆22106-1綜采工作面跳采遺留集中煤柱沿推進方向長度201.0m，影響推進范圍654.6～855.6m。由于工作面開切眼與兩巷不垂直，工作面運輸巷先期多推進12.7m，至工作面垂直于回采巷道。42107工作面布置如圖1所示。42107工作面選用的液壓支架參數見表2。工作面支架采用電液控制系統進行控制，對支架工作阻力等參數進行連續監測。

表1 42107工作面巖層賦存條件

圖1 42107工作面區域采掘工程平面布置(m)

表2 工作面液壓支架基本參數

2 工作面礦壓顯現規律

42107工作面于2018年1月26日開始生產，至2月12日，工作面推進約130m。采用VB.NET軟件編程技術，連接獲取液壓支架電液控制系統監測的液壓支架工作阻力數據，提取每個工作循環每架液壓支架最大工作阻力，繪制工作面液壓支架最大阻力隨日期及推進度之間的關系如圖2所示。其中2月6日工作面來壓期間一天中各支架循環最大阻力沿工作面分布如圖3所示。由圖2、圖3可知：

圖2 液壓支架最大工作阻力分布與推進距離關系

圖3 2月6日工作面各支架循環最大阻力沿工作面分布情況

1)1月28日，工作面機頭推進約25m、機尾推進約4m，采空區直接頂從工作面第30號支架附近開始初次垮落。至1月29日早班，直接頂初次垮落至第12號支架處，向工作面中部垮落至第60號支架附近。隨著工作面進一步推進，直接頂垮落范圍逐步向機尾發展。當機尾頂板出現明顯運動時，機尾推進距離大致也為25m。

2)直接頂初次垮落后，隨著工作面推進工作面局部范圍出現周期性來壓，來壓步距10～15m。來壓范圍主要位于工作面中上部靠近運輸巷一側。來壓強度逐漸增強，從36MPa逐漸增大至50MPa以上。說明在此期間，工作面頂板單位時間內，頂板下沉量增大，活動性增強。

3)當工作面推進至55～75m范圍時，工作面出現整體性來壓，來壓范圍14～144號支架對應范圍，來壓最為明顯的范圍為22～128號支架。來壓強度達到48MPa以上，超過了液壓支架的額定載荷，多數支架出現泄壓閥開啟。此次來壓后，工作面來壓強度有所緩和，表明此次來壓應為老頂初次來壓。

4)老頂初次來壓后，工作面來壓趨于穩定，且來壓范圍除兩端頭外，基本呈現出工作面整體周期性來壓的狀態。周期來壓步距10～20m。表明工作面初期機頭機尾推進度不一致對工作面礦壓顯現的影響基本消除，工作面已處于正常來壓階段。

5)工作面兩端頭正常階段機頭1到15～20號支架無明顯壓力，機尾130～149號支架無明顯壓力。老頂初次來壓階段工作面機頭、機尾來壓范圍有所增大。

3 強礦壓顯現機理

42107工作面來壓主要表現為工作面中部來壓，工作面兩端來壓不明顯。尤其工作面機尾液壓支架壓力不明顯，而臨空側超前巷道底鼓變形嚴重。工作面機尾頂板壓力作用于區段煤柱，受煤柱支承的約束，頂板不易下沉變形。因此，在一個采煤循環中液壓支架難以形成較高的工作阻力。工作面機頭出現15～20架支架壓力不明顯，表明機頭靠近下一工作面實體煤對30～40m范圍端頭頂板形成良好約束，同時表明工作面頂板較為堅硬穩定，采空區實體煤側形成了懸頂結構，懸頂結構最大長度達到20m左右。這也說明臨空側巷道壓力顯現明顯的原因之一是臨空側堅硬頂板懸頂[11]。從力學平衡的角度分析，如果端頭支架不能承載足夠工作阻力，懸頂結構的重力將轉移到區段煤柱和超前煤體上，從而導致超前工作面兩巷應力集中程度極高，表現為超前巷道，尤其臨空側巷道幫鼓及底鼓嚴重[12]。

由于22煤工作面區段煤柱處于42107工作面中部，上覆遺留煤柱應力集中通過層間堅硬巖層傳遞，整體傳遞至工作面中部。同時由于層間距較大，以及層間巖層較為堅硬，42107工作面中部應力并未在上覆遺留煤柱正下方小范圍集中顯現，而在巖層傳導作用下對工作面中部較大范圍形成影響。42107工作面長度達到300.3m，工作面長度較大，工作面中部覆巖受工作面兩端煤柱及實體煤的約束較小，覆巖發生初次破斷后，工作面中部巖體懸頂結構可看作三面懸空的懸臂梁結構，工作面中部覆巖穩定性差，容易變形下沉作用于工作面支架，從而導致工作面中部壓力顯現明顯。

4 強礦壓防治方案

4.1 防治方法

根據布爾臺煤礦42107工作面強礦壓顯現機理，該工作面強礦壓的主控因素為42煤與22煤之間的堅硬巖層形成的臨空側懸頂、42煤遺留煤柱區形成的集中應力。另外區段間寬煤柱留設對超前巷道強礦壓顯現有較大影響。針對性提出布爾臺煤礦一盤區強礦壓防治方法。

工作面超前兩巷沿走向對頂板進行水力壓裂或頂板深孔爆破，減小采空區懸頂面積，從而減弱臨空側煤柱及實體煤應力集中，有效預防工作面超前巷道強烈礦壓顯現。由于頂板爆破存在一定安全隱患，爆破躲炮時間長，對生產產生影響等，綜合考慮選擇水力壓裂處理頂板。水力壓裂鉆孔長度30m，仰角均為50°，鉆孔間距15m。煤柱側壓裂孔與巷道軸向的夾角為10°，實體煤側壓裂孔垂直巷道正幫布置。壓裂孔直徑56mm，孔內每3m壓裂一次，煤層段不實施壓裂。壓裂工藝分三步進行：①采用鉆機施工鉆孔；②利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達到封孔目的，封孔壓力12～16MPa；③連接高壓泵實施壓裂。

圖4 頂板水力壓裂方案

對于工作面中部22煤遺留煤柱區域礦壓控制，根據礦壓理論，為了減少頂板下沉，減弱頂板對工作面支架的擠壓作用，可減少該區域頂煤放出量，增加采空區冒矸對頂板的支撐作用，同時可加強支架支護質量管理，控制礦壓顯現。

4.2 防治效果分析

4月1日至4月5日工作面過22煤上覆遺留煤柱區液壓支架最大工作阻力分布與推進度的關系如圖5所示。對比圖2、圖5分析可知，當工作面處于上覆遺留煤柱下開采時，工作面整體壓力有所增大，工作面支架工作阻力較為均衡。靠近運輸巷的機頭部支架工作阻力較小的區域沒有明顯變化，說明機頭處采空區懸頂范圍變化不大，而靠近回風巷的機尾一側，由于進行了頂板水力壓裂，機尾支架工作阻力較小的范圍明顯減小，從10～15架減少至5架左右，表明機尾部頂板懸頂范圍明顯減小。通過頂板水力壓裂，有效弱化了頂板巖層，減小頂板懸頂，從而減小由于頂板懸露導致的工作面超前及煤柱區應力集中。

圖5 過上覆遺留煤柱區液壓支架最大工作阻力分布

通過實施頂板水力壓裂及工作面礦壓管理，42107工作面順利推過了上覆22煤遺留煤柱區域。42107工作面回采過程中，回風巷礦壓顯現明顯比相鄰42106工作面礦壓顯現減弱，未出現強礦壓顯現。工作面礦壓顯現對比分析表明，42107工作面強礦壓控制起到了明顯效果。

5 結 論

1)42107工作面從機頭向機尾逐步來壓，直接頂初次垮落步距約25m。工作面周期來壓步距10～15m。

2)工作面老頂初次來壓步距約為55～75m，來壓范圍為14～144號支架對應工作面范圍，來壓最為明顯的范圍為22～128號支架，來壓強度達到48MPa以上。

3)工作面兩端受到煤柱和實體煤的約束作用，頂板處于懸頂狀態，工作面兩端頭正常階段機頭1到15～20號支架無明顯壓力，機尾130～149號支架無明顯壓力。工作面中部受22煤遺留區段煤柱集中應力作用，容易變形下沉作用于工作面支架，導致工作面中部壓力顯現明顯。

4)采用水力壓裂切斷采空區邊沿懸頂，弱化工作面機尾側頂板，有效減弱了工作面超前段回風巷壓力顯現；工作面中部22煤遺留煤柱區域采用加強支架支護質量管理，減少放煤量等措施，減小了頂板對支架的作用，有效控制了工作面礦壓顯現。