深埋综放工作面过集中煤柱矿压规律及防治技术

深埋综放工作面过集中煤柱矿压规律及防治技术

魏宏斌

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摘要：近年来，随着煤炭需求和开采力度的不断加大，煤层主采煤层的开采，局部埋深超过450m，由于地质构造、工作面布置方式等因素的影响，煤层开采时遗留了一些煤柱，造成下煤层工作面在通过此类煤柱附近的开采范围内发生压架事故、支架活柱短时间急剧大幅下缩、支架立柱爆缸、漏顶、片帮严重等剧烈的来压现象，影响工作面的安全回采。

关键词：深埋综放工作面；集中煤柱；矿压规律；防治技术

引言

在我国煤炭资源开采的过程中，开采煤层逐步由浅部转移至深部。因此，部分煤矿面临多煤层开采情况时，上煤层近距离甚至极近距离煤柱影响下煤层巷道布置及工作面矿压显现存在等问题。若工作面布置位置或液压支架选型不合理，将出现工作面强矿压显现乃至压架事故等问题，严重制约工作面的安全开采。受上覆遗留煤柱在底板岩层中传递支承应力的影响，下煤层回采巷道及工作面会发生不同程度的失稳破坏。

1集中煤柱概况

综放工作面在机尾推进至580.2m处，工作面辅运顺槽副帮向工作面131．5m(机尾至工作面92号支架处)范围内上覆22107综采工作面跳采遗留集中煤柱，煤柱沿推进方向长度341m，影响推进范围580．2～921．2m。在集中煤柱影响范围内，工作面埋深450～470m，与2－2煤层间距70～75m，回采段煤层直接顶岩性为砂质泥岩，厚度4～12m；老顶岩性为细粒砂岩，厚度14～24m;底板岩性为砂质泥岩。

2巷道围岩应力变化规律

工作面一次采动后,不同区段煤柱宽度下二次采动期间巷道围岩垂直应力，分析可知:①工作面回采以后,巷道围岩垂直应力场随着区段煤柱宽度的不同而发生比较大的变化,巷道围岩的垂直应力值具有一定的变化规律,巷道两帮垂直应力值由2.5MPa增大为8MPa左右,顶板垂直应力值从5MPa增大为15MPa,底板垂直应力值从5MPa增大为12MPa,由此可见,煤柱宽度增大后,1105N工作面进风巷围岩垂直应力的影响范围也随之增大;②煤柱宽度由4m增大为24m的过程中,区段煤柱内垂直应力峰值发生明显变化,其数值由7.5MPa增大为20MPa。由巷道围岩垂直应力云图（图1.2.3.4）得到的垂直应力曲线。分析可知,1105N工作面开挖以后,巷道围岩垂直应力随着区段煤柱与进风巷巷帮的距离变化而产生不同的变化规律,垂直应力分布规律大体表现为以下2种情况:①煤柱宽度为4~8m时,垂直应力集中在煤柱体中部,煤柱内垂直应力曲线呈单峰三角形分布,垂直应力峰值和影响范围都较小,巷道围岩变形量较大,若考虑留设小煤柱,结合矿井防漏风及防灭火情况,煤柱宽度应大于5m小于8m;②煤柱宽度大于10m时,垂直应力主要集中在煤柱体两侧3~5m处,随着煤柱宽度的增大,在煤柱体中间出现较为平整的应力稳定区,该稳压区范围逐渐变宽,煤柱两侧应力峰值逐渐变小且相差也越来越小。

图1煤回采后垂直应力云图

图2进入煤柱时垂直应力云图

图3煤柱下垂直应力云图

图4出煤柱时应力云图

3矿压监测结果分析

表1是工作面位于集中煤柱上方期间的逐段压力特性，从表1可以看出，无论是在压力期间还是在非压力期间，工作面中部的支撑载荷都必须大于头部两端。工作面支架在煤柱保压期间的平均工作阻力达到16924kN，动载系数1.42，特别是保压期间工作面中部支架的平均工作阻力18448kN，已超过工作面支架的额定工作阻力，为42.00%，压力大，、强图5显示了浓煤柱工作面交叉时压力表现的特征。从图5中可以看出，煤柱进、出过程中工作面压力明显高于其他阶段，工作面进、出煤柱过程中支架的平均工作阻力为17021kN，占支架额定工作阻力的94.6%，导致抗压强度大。工作面煤柱出口阶段压力强度增加尤为明显，现场显示煤壁助力深度达到800 ~ 1000mm，安全阀大部分打开，个别情况下出现射流，支架柱下200 ~ 600mm，出现较强的现场压力。因此，煤柱过流期间的土压力异常大，必须采取有力措施，防止压架事故的发生。

图5工作面过集中煤柱期间矿压显现特征

4优化支护参数确定

根据单侯矿目前煤柱留设情况,确定单侯矿工作面与工作面间的区段煤柱宽度为22m。在此基础上,用正交模拟确定进风巷的锚杆与锚索长度、间排距等可靠的支护参数。根据模拟结果,当煤柱宽度取22m时,确定进风巷支护参数。巷道全断面布置13根高强度螺纹钢锚杆,顶板锚杆直径不变,为20mm,长度由2.2m增大为2.4m,两帮锚杆直径由16mm变为20mm,长度由2m增大为2.2m,巷道内锚杆间排距均设计为800mm×800mm,底角锚杆距巷道底板300mm，呈50°向下打设;根据工作面附近钻孔资料显示,巷道伪顶与直接顶的厚度之和为6.46m,直接顶上覆岩层岩性为7.4m的粉砂质泥岩,目前单侯矿进风巷顶板锚索选取的长度为9m,综合考虑锚固体自身的稳定性、承载能力以及经济适用性,确定顶板锚索长度为8.5m即可满足支护需求,锚索布置形式,间排距减小为1600mm×1600mm。

5煤柱破坏与应力数值模拟

数值模拟是基于煤岩样品的物理力学参数和煤岩本构力学模型，并根据实际生产条件建立FLAC三维数值模型。数值模拟模型的几何尺寸为长度(x)×宽度(y)×高度(z)=400m×300m×143m。考虑到煤层整体几乎水平，建立为水平煤岩模型。根据岩性和完整性，岩层分为七组工程地质岩石，即石灰岩、细砂岩、石质岩、砂石、砂岩、中砂岩和三个煤，从上到下分为16层。4#模拟煤层厚度为3.5m，煤层顶板72.5m，地面60.5m分为369，600单元和427，243节点，模型的上部松散层和基岩层被等效荷载模拟所取代，模型的侧面限制水平运动，模型的下部限制垂直运动。仿真过程中，采用莫尔库仑塑料本构模型和莫尔库仑断裂准则计算煤层底板的破坏特性。模拟开挖尽可能符合场地的开采条件。开采后上部地层破裂倒塌，煤柱区域抗拔区过载重力，导致煤柱侧压力明显集中，进一步超过了煤柱的最终承载力，导致塑料失效。

6理论模型分析

工作面在通过上覆煤柱的过程中，相比进煤柱阶段和煤柱区下的回采，出煤柱附近矿压显现较强烈。这显然覆岩层的活动规律密切相关。工作面逐渐向煤柱边界推进，煤柱上方关键层将逐步发生周期性破断回转运动，岩块之间相互铰接，最终会在出煤柱边界形成三铰式拱形铰接结构。根据库兹涅佐夫的理论，铰接岩块间的三铰结构必须满足中间节点高于两端节点时，结构才能够保持稳定。而对于出煤柱阶段关键块体形成的拱形铰接结构，其中间节点低于两端节点。所以，此结构是不稳定的，只有靠下部未离层岩层的支撑作用才能保持平衡，压力作用在关键层上，导致下层工作面在回采过程中矿压显现剧烈。煤柱下回采过程中，关键层会在煤柱边界破断形成“砌体梁”式的铰接结构，并承担着其所控制的那部分岩层的载荷。在下煤层工作面推出煤柱边界的过程中，此结构的断裂岩块必然会产生进一步的回转运动;由于煤柱上方关键块体相对回转运动传递的过大载荷才造成了块体“砌体梁”结构的滑落失稳，从而导致工作面顶板直接沿断裂线切落，导致矿压显现强烈，工作面片帮加剧、顶板破碎、安全阀开启、立柱下沉，甚至出现压架事故。因此，工作面在推出上煤柱边界时，煤层间关键层破断块体结构的滑落失稳是必然的。正是由于煤柱上方关键块体相对回转运动传递的过大载荷才造成了“砌体梁”结构的滑落失稳，从而导致工作面顶板直接沿断裂线切落，工作面顶板压力增加。

结束语

出煤柱期间，上煤顶板不稳定，转动，向煤层传递压力容易导致出煤柱压力的强烈表现。超集中煤柱段压力现象分为煤柱前、过煤柱后、过煤柱后三个阶段，工作面在进出煤柱边缘压力明显，现场协助深度较大，尤其是在煤柱出口阶段，煤柱受开采影响的浓度有破坏、承载力损失、煤柱上方顶板脱落为保证工程质量好，上板平整，支架位置更好。

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