綜采工作面過上覆煤柱技術(shù)研究

李玉芝

(山西中鋼煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033400)

0 引言

近距離煤層是指煤層間距較小、互相之間開采影響較大的煤層，一般對近距離煤層開采多采用下行開采方式，這是因為煤層開采對頂板的破壞影響要遠遠大于底板[1-2]?，F(xiàn)在大多數(shù)煤礦在開采中通過在工作面的一側(cè)留設(shè)一定寬度的煤柱來減弱本工作面的回采對相鄰巷道穩(wěn)定性的影響，因此在近距離煤層開采中，當(dāng)上層煤開采過后，采空區(qū)遺留有多處煤柱，這些煤柱的周圍往往是高應(yīng)力聚集區(qū)[3-5]。此時對下層煤進行開采，頂板由于上層煤開采的原因，巖層已受到一定程度的破壞，加之上層煤柱在底板巖層(下層煤頂板)形成的高應(yīng)力集中，下層煤開采礦壓顯現(xiàn)明顯，并且隨時有可能出現(xiàn)動壓現(xiàn)象，影響工作面的正?；夭蒣6-8]。針對近距離煤層過上覆煤柱導(dǎo)致動壓影響大的問題，以山西上榆泉煤礦近距離煤層開采條件為基礎(chǔ)，對動壓、壓架等現(xiàn)象的機理進行了分析，提出了下層煤工作面過上覆煤柱的技術(shù)措施，從而保證下層煤開采的安全，研究結(jié)果對其他相似條件的礦井有一定的指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

山西上榆泉煤礦43302綜采工作面主采4-3煤層，煤層厚度平均1.7 m，煤層傾角平均1°～3°，工作面東側(cè)為已經(jīng)回采完畢的43303工作面，西側(cè)為正在掘進回采巷道的43301工作面。43302工作面分為43302-1工作面與43302-2工作面兩部分進行回采，工作面長度均為355 m，43302-1工作面推進長度為1 750 m，43302-2工作面推進長度為680 m，兩開采工作面中間為5條矸石排運巷，各工作面的布置關(guān)系如圖1所示。

圖1 工作面布置圖

43302綜采工作面上方為4-2煤，煤層間距平均為18 m，4-2煤平均厚度1.65 m，煤層埋深平均為100 m，43302工作面上方存在上覆4-2煤42202工作面回采后遺留有開切眼煤柱及巷道保護煤柱，其寬度均為20 m，巷道保護煤柱與43302-1工作面機尾水平距離約為65.4 m。

2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

目前，43302工作面東側(cè)的43303工作面已經(jīng)回采完畢，其上方同樣存在采空區(qū)煤柱，43302-1工作面已推進715 m。43303工作面及43302-1工作面回采段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對43302工作面后續(xù)開采具有重要的借鑒意義。

2.1 43303工作面礦壓顯現(xiàn)

通過對43303工作面礦壓顯現(xiàn)進行分析和總結(jié)，其礦壓顯現(xiàn)具有以下特征。

來壓周期：工作面在推進過程中，來壓呈現(xiàn)大、小周期來壓現(xiàn)象，頂板有臺階下沉情況，基本頂呈現(xiàn)“O”型斷裂，工作面初次來壓步距為39.2 m，周期來壓步距平均為21.8 m。

來壓區(qū)域：沿工作面方向來壓有一定差異，即工作面中部區(qū)域來壓比較明顯，特別是在靠近上覆采空區(qū)煤柱一側(cè)來壓強度明顯增大，而在端頭位置來壓并不明顯。

不同位置的來壓現(xiàn)象：工作面正常推進過程中，靠近上覆煤柱區(qū)域的支架工作阻力較高，頂板巖層比較破碎，支架前移比較困難。當(dāng)工作面推進距離上方煤柱約6 m時開始來壓，來壓強度明顯增大且部分液壓支架出現(xiàn)壓死現(xiàn)象。

2.2 43302-1工作面礦壓顯現(xiàn)

43302-1工作面共推進715 m，沿工作面方向呈現(xiàn)分段式來壓特征，即工作面中部60#～85#支架率先來壓，隨后兩側(cè)支架來壓，來壓期間煤壁片幫現(xiàn)象嚴重，工作面頂板局部出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，冒頂深度為0.5～0.9 m，工作面多處液壓支架安全閥開啟，支架載荷在38～47 MPa范圍內(nèi)。工作面初次來壓步距為38.4 m，周期來壓步距平均為20.7 m。

分析43303工作面和43302-1工作面的來壓特征可知，來壓強度大主要是由于在工作面上方存在與工作面推進方向平行的煤柱，這些煤柱與本層煤的頂板形成次生頂板結(jié)構(gòu)，在下層煤開采影響下，煤柱結(jié)構(gòu)受到破壞，極易出現(xiàn)動載現(xiàn)象從而導(dǎo)致下層煤工作面來壓劇烈、支架壓死等情況。因此43302工作面后續(xù)開采時，需要合理確定工作面推進速度及支架工作阻力，并對影響工作面安全的遺留煤柱采取處置措施，避免出現(xiàn)壓架等情況。

3 下層煤過上覆煤柱措施研究

根據(jù)對43303工作面的礦壓分析可知，工作面在推進至與上覆煤柱距離為6 m時來壓比較劇烈，因此，從工作面進煤柱前、進煤柱中以及出煤柱時3個階段提出工作面開采安全技術(shù)措施。

3.1 工作面進入煤柱前

當(dāng)下層煤工作面進入上覆采空區(qū)遺留煤柱前，工作面采取的安全技術(shù)措施如下。

調(diào)整工作面采高：當(dāng)下層煤推進至與上覆煤柱的距離為10～50 m時，工作面可適當(dāng)進行臥底與割頂，將工作面采高調(diào)整為2.1 m，割頂0.2 m，臥底0.2 m，增大液壓支架的初撐力，提高支架與頂板的接觸程度，有利于頂板的維護。

改變進刀角度:當(dāng)工作面推進至與煤柱距離為30 m時，將工作面進刀角度進行調(diào)整，由于43302工作面機頭位置上方無煤柱存在，且支架工作阻力比較穩(wěn)定，因此機頭段應(yīng)超前15 m，直到工作面完全通過煤柱，然后將工作面開采角度調(diào)整回到正常情況。

增加微震監(jiān)測：微震監(jiān)測可以找到頂板巖層破斷來壓時產(chǎn)生位移的位置，能夠?qū)敯暹\移情況進行記錄，從而得到頂板來壓對周圍巖體的影響范圍。43302工作面采用KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)，在工作面運輸與回風(fēng)順槽各布置一個測站，測點自與切眼距離為720 m時開始布置，每個測點之間的距離為50 m。

監(jiān)測地表位移：為確定43302工作面回采對地表巖層的影響情況，需定期對地表沉陷情況進行監(jiān)測、統(tǒng)計，根據(jù)地表巖層的沉陷位移情況確定工作面上覆煤柱載荷釋放情況。

對上覆煤柱進行爆破預(yù)裂:煤柱爆破預(yù)裂的目的是釋放煤柱所儲存的能量，減弱煤柱對底板的應(yīng)力集中影響，防止工作面動載效應(yīng)的出現(xiàn)。當(dāng)工作面推進至與上覆煤柱距離為20 m時停止回采，在工作面煤壁處沿工作面傾斜方向向頂板打預(yù)裂炮孔，炮孔間距為5 m，與水平夾角為45°，炮孔深度為25 m，工作面共打70個炮孔。

3.2 工作面進入煤柱中

當(dāng)下層煤工作面進入上覆采空區(qū)煤柱時，工作面采取的安全技術(shù)措施如下。

動壓現(xiàn)象：保證43302工作面在進入上覆煤柱時能夠連續(xù)回采，防止出現(xiàn)停采導(dǎo)致煤柱載荷積蓄，形成動壓現(xiàn)象。

來壓預(yù)測：配備專業(yè)人員對工作面礦壓情況、地表巖層位移情況進行觀測分析，采用礦壓預(yù)警系統(tǒng)對工作面推進至不同位置的來壓情況進行預(yù)測。

頂板支護：當(dāng)經(jīng)過頂板比較破碎、工作面液壓支架工作阻力較大區(qū)域時，應(yīng)加快工作面推進速度，并對頂板進行補強支護。

3.3 工作面出煤柱時

當(dāng)工作面即將通過上覆煤柱時，仍有可能出現(xiàn)動壓現(xiàn)象，此時應(yīng)繼續(xù)保證工作面采高較大，提高支架初撐力，并時刻對工作面礦壓顯現(xiàn)情況進行觀測，若工作面支架工作阻力恢復(fù)正常情況，則可將工作面采高調(diào)整至正常的1.7 m。

3.4 效果分析

43302工作面長度為355 m，增加了過上覆采空區(qū)煤柱的難度，但在采取上述措施后工作面成功通過上覆煤柱，詳細情況如下：過煤柱前機頭端超前機尾15.8 m，工作面機尾處來壓強度明顯降低，煤壁片幫現(xiàn)象減輕，并且過煤柱過程中無冒頂現(xiàn)象出現(xiàn)。將工作面采高調(diào)整至2.1 m后，支架與頂板接觸效果良好，支架初撐力增大后，頂板完整度提高，支架前移較為平穩(wěn)，并且過煤柱過程中無壓架現(xiàn)象發(fā)生。在采取爆破預(yù)裂卸壓后，工作面支架載荷有了一定程度的降低，工作面開采過程中無動壓現(xiàn)象出現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文以山西上榆泉煤礦地質(zhì)開采條件為基礎(chǔ)，對綜采工作面過上覆采空區(qū)時的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了研究，并提出了43302工作面后續(xù)開采的安全技術(shù)措施。

(1)43303工作面初次來壓步距為39.2 m，周期來壓步距平均為21.8 m；43302-1工作面共推進715 m，初次來壓步距為38.4 m，周期來壓步距平均為20.7 m。沿工作面方向呈現(xiàn)分段式來壓特征，即工作面中部率先來壓，隨后兩側(cè)來壓，工作面來壓劇烈，存在支架壓死現(xiàn)象。

(2)針對工作面在進上覆煤柱前、進入煤柱中以及出煤柱時3個階段，制定了改變采高、調(diào)斜、上覆煤柱爆破預(yù)裂以及加快工作面推進速度等措施，以確保工作面能夠安全通過上覆煤柱。

(3)現(xiàn)場實踐表明，在工作面采取過上覆煤柱措施后，工作面來壓強度有了明顯降低，工作面片幫、冒頂?shù)痊F(xiàn)象顯著減少，并且整個過煤柱過程中無支架壓死現(xiàn)象，表明該措施具有較好的效果。