近直立煤層群水平分段綜放開采充填卸壓防沖研究

摘要：目前近直立煤層開采沖擊地壓防治措施主要有爆破、水壓致裂、建立保護層等，或破壞層間巖柱和頂底板，或難以解決大采深情況下的層間巖柱應力集中問題，且會導致較大的地表沉降。以烏東煤礦為工程背景，針對近直立煤層群水平分段綜放開采方法，提出了充填采空區技術，以支護層間巖柱及頂底板，降低開采分段周圍煤巖體的應力集中現象。設計了3 種充填方案：方案1 為第一開采分段采空區使用高強度材料充填，其余分段采用普通材料充填；方案2 為第一開采分段采空區使用高強度材料充填，其余分段交替采用高強度材料和普通材料充填；方案3 為每一分段采空區均使用高強度材料充填。通過數值模擬研究了3 種充填方案的卸壓防沖效果，結果表明：與未充填相比，3 種充填方案下層間巖柱最大垂直應力分別下降25.07%，26.57%，29.23%，下一分段煤體最大水平應力分別下降10.63%，10.79%，12.34%。綜合考慮卸壓效果和經濟效益，優選間隔充填的方案3。指出可結合高應力區域實時智能監測技術，及時支撐層間巖柱，減少層間巖柱及下分段煤體的應力集中，防止沖擊地壓發生。

關鍵詞：綜放開采；近直立煤層；沖擊地壓防治；充填開采；充填卸壓；層間巖柱；應力分布

中圖分類號：TD823.7 文獻標志碼：A

0 引言

我國煤炭儲量大，煤層賦存形式復雜多樣，其中急傾斜煤層占我國探明煤炭儲量的20% 左右[1]。煤層傾角大于85°的急傾斜煤層稱為近直立煤層，在內蒙古和新疆地區分布較廣[2-3]。國家能源集團新疆能源有限責任公司烏東煤礦屬急傾斜近距離煤層群，包含27 層可采煤層，是典型的近直立煤層群，采用較成熟的水平分段綜放開采技術[4-6]。近年來，隨著開采深度加大，出現較強沖擊地壓現象，對煤礦安全生產造成危害，亟需解決。

目前對于近直立煤層群開采應力集中和動力災害控制的研究主要分為3 大類。第1 類是基于地質研究和評價模型進行危險區域劃分及監測。陳建強等[7]、袁崇亮等[8]利用微震和鉆孔應力監測數據，對工作面微震事件進行定性與時空定量監測，構建了相應的動態評價方法。杜濤濤等[9]采用PASAT?M便攜微震儀和ARAMIS M/E 微震監測系統進行致災因素識別。張宏偉等[10]建立了沖擊地壓地質動力條件評價方法及指標，并結合數值計算方法確定了采動對能量密度的影響。第2 類是基于近直立煤層開采沖擊地壓機理，提出爆破、水壓致裂等弱化煤巖體手段。鐘濤平等[11]提出了弱化工作面兩側頂底板巖層和下方煤體的應力調控防沖方法。崔峰等[12]構建了巖柱和頂板力學模型，確定了300 m 采深作為沖擊災害發生的臨界值，提出現場實施巖柱、頂板爆破及煤體注水等措施。吳振華等[13]認為頂板變形擠壓和巖柱撬轉共同作用產生的高靜應力條件是導致沖擊地壓發生的主要原因，提出了爆破綜合卸壓措施。李安寧等[14]認為層間巖柱的夾持力是形成沖擊力源的關鍵因素，提出在夾持煤體中掘進爆破卸壓巷道措施。藍航[15]用“撬桿效應”來解釋煤巖沖擊地壓的力源，提出了結合爆破和高壓注水的沖擊地壓防治方案。第3 類是基于沖擊地壓機理，提出建立保護層的防沖措施。歐陽振華等[16]、榮海等[17]提出了自保護卸壓防控方法，重點研究了該方法在首采煤層的卸壓效果。高明仕等[18]提出通過減小頂板破斷時的懸頂尺寸，來破壞煤巖體的完整性，從而避免沖擊地壓發生。

目前針對近直立煤層開采沖擊地壓防治的措施中，爆破、水壓致裂等卸壓手段會使層間巖柱及頂底板產生破壞，形成大塊頂底板，隨著開采深度增加使采空區結構逐漸復雜，不利于長期開采的安全性；建立保護層的方法對于淺埋區域開采有較好的保護作用，但隨著開采深度增加，難以降低巖柱的應力集中，層間巖柱易發生破斷。另外，上述措施均會造成較大的地表沉降問題，對生態環境不利。

本文以烏東煤礦為例，針對近直立煤層群水平綜放開采方法，設計了充填卸壓方案，通過充填采空區對近直立煤層綜放開采層間巖柱及頂底板產生支護作用，減緩頂板及層間巖柱傾倒現象，并降低開采分段周圍煤巖體的應力集中，維持采場穩定性，同時減小地表沉降，保證巖層運動穩定有序。

1 工程背景

1.1 礦井地質條件

烏東煤礦位于新疆烏魯木齊礦區。早期的構造運動和博格達峰的抬升對地層造成了強烈影響，導致地層受擠壓扭轉，在煤層開采區域出現水平應力大于垂直應力的現象，水平最大主應力為垂直應力的1.74～1.90 倍。烏東煤礦南采區位于八道灣向斜南翼，煤巖層傾角為86～89°，呈北東—南西向分布。

烏東煤礦南采區目前主采B3+6 煤層和B1+2 煤層。2 個煤層之間有厚度為50～101 m 的大巖柱，巖柱從東向西逐漸變寬。目前采用水平分段綜放開采技術，采放比為1∶8，階段采高為25 m，割煤高度為3.2 m，放煤高度為22.8 m。采用全部垮落法管理頂板，采空區被黃土和頂板巖柱剝落的巖石碎塊充填。地面標高為+765～ +815 m， 現階段開采工作面水平標高為+425 m； 階段高度為25 m（+425～+450 m），開采深度為300～400 m。2 個煤層交替開采，B3+6 煤層開采速度大于B1+2 煤層，同一水平下B1+2 煤層先被開采。隨著采深增加，形成了近直立懸頂結構和近直立巖柱結構，如圖1 所示。