強礦壓下工作面動載礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及控制技術(shù)研究

韓文廣

（晉能控股煤業(yè)集團馬脊梁礦，山西 大同 037003）

1 概況

晉能控股煤業(yè)集團馬脊梁礦8107 綜采工作面位于C3#層一盤區(qū)，沿煤層底板布置，工作面運輸巷長2519 m，回風(fēng)巷長2603 m，開切眼長243 m。8107 工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度4.65～8.33 m/6.20 m，含3～7 層夾矸，厚0.15～0.65 m，夾矸巖性多為炭質(zhì)泥巖、高嶺土，局部煌斑巖侵入，影響較小，可采性指數(shù)1，變異系數(shù)15.1%。煤層傾角1°～2.5°，平均1.5°，屬近水平煤層。煤層基本頂為厚度6.93 m 的礫巖，直接頂為厚度2.94 m 的高嶺巖；直接底為厚度3.26 m 高嶺巖，基本底為厚度9.80 m 的粗砂巖。8107 工作面北東依次為3 煤主運巷、3 煤輔助運巷、盤區(qū)回風(fēng)巷，南東為8105工作面采空區(qū)，北西及南西為實煤區(qū)。上覆14-2#煤為采空區(qū)。8107 工作面從東向西依次布置有輔運巷道、主運巷道、回風(fēng)巷道Ⅰ、回風(fēng)巷道Ⅱ，如圖1。

圖1 8107 工作面巷道布置示意圖

2 礦壓顯現(xiàn)特征分析

2.1 區(qū)域劃分

8107 工作面上覆采空區(qū)的情況較為復(fù)雜，根據(jù)礦壓顯現(xiàn)特征的不同將8107 工作面上覆采空區(qū)分為張樹溝上坡段、張樹溝下坡段、14-2#煤采空區(qū)、集中煤柱前和集中煤柱后共五個區(qū)域，分布示意圖如圖2。

圖2 8107 工作面上覆采空區(qū)區(qū)域位置分布示意圖

2.2 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

通過記錄8107 工作面過張樹溝上坡段、張樹溝下坡段、14-2#煤采空區(qū)、集中煤柱后和集中煤柱前區(qū)域內(nèi)各時段的工作面礦壓顯現(xiàn)實測數(shù)據(jù)，匯總為表1。

通過分析表1 數(shù)據(jù)，8107 工作面通過上述五個區(qū)域期間時礦壓顯現(xiàn)主要特征如下：

表1 8107 工作面過不同區(qū)域時礦壓顯現(xiàn)特征情況表

（1）過集中煤柱前期間，工作面周期平均來壓步距為13.99 m，平均來壓持續(xù)長度為3.30 m，整體來看表現(xiàn)為：來壓步距較小，持續(xù)長度較短，來壓步距呈上部和下部小、中部大的特點。

（2）過集中煤柱后期間，工作面周期平均來壓步距為15.64 m，平均來壓持續(xù)長度為4.01 m，整體來看表現(xiàn)為：來壓步距較小，持續(xù)長度較短，來壓步距呈上部小、中部和下部大的特點。對比過集中煤柱前期間，來壓步距和持續(xù)長度要略大，分析原因為過集中煤柱后區(qū)域受到上覆集中煤柱壓力的影響。

（3）過14-2#煤采空區(qū)期間，工作面周期平均來壓步距為13.03 m，平均來壓持續(xù)長度為3.64 m，整體來看表現(xiàn)為：來壓步距較小，持續(xù)長度較短，來壓步距呈上部和下部大、中部小的特點。

（4）過張樹溝下坡段期間，工作面周期平均來壓步距為17.95 m，平均來壓持續(xù)長度為2.65 m，整體來看表現(xiàn)為：來壓步距較長（在五個階段中最長），持續(xù)長度較短，來壓步距呈上部和下部大、中部小的特點。

（5）過張樹溝上坡段期間，工作面周期平均來壓步距為17.49 m，平均來壓持續(xù)長度為4.06 m，整體來看表現(xiàn)為：來壓步距較長（在五個階段中排第二），持續(xù)長度較短，來壓步距呈上部和下部大、中部小的特點。

分析表1 數(shù)據(jù)可知，8107 工作面在過集中煤柱前期間、集中煤柱后期間、14-2#煤采空區(qū)期間、張樹溝上坡段期間的微震事件平均能量和微震事件能量均方差均較大，在8107 工作面推進至以上階段時，基于積聚應(yīng)力集中釋放的因素，礦壓顯現(xiàn)強度大。8107 工作面在過張樹溝下坡段期間的微震事件平均能量和微震事件能量均方差均較小，基于工作面頂板近水平擠壓影響形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，礦壓顯現(xiàn)強度減弱，工作面不易發(fā)生壓架安全事故。8107 工作面過不同區(qū)域的來壓強度關(guān)系為：過集中煤柱后期間>過集中煤柱前期間>過張樹溝上坡段期間>過張樹溝下坡段期間>過14-2#煤采空區(qū)期間。

3 礦壓控制技術(shù)研究

3.1 控制技術(shù)方案

針對8107 工作面在過集中煤柱前期間礦壓顯現(xiàn)劇烈、易出現(xiàn)壓架事故的問題，提出了兩種控制技術(shù)方案[1-6]。

3.1.1 充填治理方案

對8107 工作面上覆采空區(qū)進行注漿充填治理。方案為：充填面積約24 034 m3，布置鉆孔665 個，孔間距20 m，孔深80 m，累計鉆孔53 200 m，總注漿量為24 868 m3。

3.1.2 定向鉆孔爆破治理方案

對8107 工作面上覆采空區(qū)進行定向鉆孔爆破卸壓。在8107 工作面推進距集中煤柱相應(yīng)位置時，布置一定數(shù)量的鉆孔，沿著工作面推進方向?qū)嵤┧蓜颖?，讓采空區(qū)基本頂產(chǎn)生裂隙，加速頂板跨落。炮孔布置示意圖如圖3。

圖3 工作面炮孔布置示意圖（m）

3.2 方案對比選擇

充填治理方案和定向鉆孔爆破治理方案均能夠降低8107 工作面過上覆集中煤柱區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)強度，工作面動載強度降低，卸壓作用理想，兩種技術(shù)方案從技術(shù)實現(xiàn)上都是可行的。

成本核算結(jié)果表明：注漿充填治理方案共需約7500 萬元，而定向鉆孔爆破治理方案僅需要約150萬元。定向鉆孔爆破治理方案治理8107 工作面上覆采空區(qū)問題具有較好的經(jīng)濟性，因此確定采用定向鉆孔爆破集中煤柱的方法。

3.3 定向鉆孔爆破治理技術(shù)的實施

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，掌握了8107 工作面上覆采空區(qū)集中煤柱壓力區(qū)的分布情況，定向鉆孔爆破位置確定在工作面距集中煤柱40 m 處，鉆孔數(shù)量18 個，孔間距14 m，孔深76 m，鉆孔角度36°，累計鉆孔1368 m，炮孔垂深47 m，孔徑為94 mm，炮孔呈“一”字型布置，裝藥長度24 m，封孔長度52 m，炸藥單耗0.35 kg/m3，各鉆孔裝藥總量260 kg，最小抵抗線為8 m。集中煤柱爆破結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。

圖4 集中煤柱爆破結(jié)構(gòu)示意圖（m）

4 效果評價

礦壓監(jiān)測結(jié)果表明：對集中煤柱進行定向鉆孔爆破治理后，礦壓顯現(xiàn)強度明顯降低。8107 工作面在過集中煤柱區(qū)域期間，僅發(fā)生一次較大工作面頂板整體來壓事件，平均來壓步距7.23 m，來壓持續(xù)長度約2.01 m，來壓期間微震事件平均能量為1.12×105J，數(shù)量3 個；該期間沒有出現(xiàn)壓架事故。定向鉆孔爆破治理控制技術(shù)有效地提高了8107 工作面頂板的穩(wěn)定性，保障了8107 工作面開采的安全性和可靠性。