神東礦區房采采空區下綜采工作面動載礦壓防治技術

肖劍儒

(神華神東煤炭集團石圪臺煤礦，陜西 榆林 719000)

神東礦區房采采空區下綜采工作面動載礦壓防治技術

肖劍儒

(神華神東煤炭集團石圪臺煤礦，陜西 榆林 719000)

摘要：神東礦區早期由于設備、回采工藝及歷史原因等采用了房柱式開采。該工藝回采率低，遺留了大量煤柱，造成下層煤開采時礦壓顯現劇烈并存在有毒有害氣體，嚴重影響采掘安全。鑒于此，闡述了房柱式采空區下綜采工作面動載礦壓的形成機理，可概括為3個階段：①上覆房采煤柱受二次采動影響發生崩解破壞，頂板出現裂隙和彎曲下沉；②下分層綜采工作面的破壞裂隙擴展至整個巖層；③上覆殘留煤柱的回旋斷裂與下分層綜采工作面周期來壓疊加，形成動載礦壓。總結了安全掘進和回采的技術方案，主要包括3方面：①設計初期，合理布置采掘工作面位置；②回采時采用微震監測、礦壓監測、地表裂隙與沉降觀測的技術措施；③采用的工程措施主要有殘留煤柱爆破、地表預裂技術及采空區充填。

關鍵詞：房采采空區；強制放頂；動載礦壓；礦壓監測；防治技術

神府東勝礦區位于榆林市神木縣北部、府谷縣西部，伊金霍洛旗及東勝市的南部和準格爾旗的西南部，地處烏蘭木倫河和窟野河的兩側，礦區南北長約38～90km，東西寬約35～55km，面積約3481km2，地質儲量354億t。

地質構造簡單、埋藏淺、煤質優良是神東礦區煤層賦存的典型特征[1]。早期為了投資少、見效快或是歷史原因采用了房柱式開采，遺留了大量煤柱，致使下水平或下層煤開采時，上部采空區或煤柱大面積疊加冒落，形成劇烈動載礦壓，且覆巖裂隙導通地表易造成涌水潰砂及采空區自燃發火等難題，給工作面人員和設備造成重大威脅。因此研究房采采空區下綜采工作面動載礦壓的防治對現綜采工作面的安全回采意義重大。

1神東礦區房采采空區現狀及危害

1.1神東礦區房采采空區現狀

神東礦區房采采空區主要由兩部分組成：一部分為早期采用房式、柱式或房柱式開采形成的采空區；另一部分為1995年以后神東引進連采配套設備和旺格維利采煤工藝所形成的旺采采空區[2-3]。

截至2014年，神東礦區的寸草塔二礦、石圪臺煤礦、上灣煤礦、大柳塔煤礦、哈拉溝煤礦、榆家梁煤礦、寸草塔一礦等14座煤礦已有房采采空區超過155處，面積達3000萬m2以上，其中大柳塔煤礦房采采空區面積最大，約占24%。房采采空區積水量達870.85萬m3，塌陷面積超過132.68萬m2，調查統計見表1。

表1　神東礦區房采采空區參數統計

1)房采區域大都位于井田邊界、煤層可采邊界、火燒區邊界等不規則塊段或是賦存相對不穩定區域；與綜采工作面相比，設備投資低，投產時間短，能實現采掘合一，出煤快，經濟效益顯著。

2)房采區域煤柱留設大，采區回采率低[4-5]。神東礦區早期采用的房柱式采煤法，一般按采6m留6m或者采8m留8m，回采工藝見圖1。后期采用的旺格維利開采方法，采出率一般為45%～58%，回收煤柱時采出率可達69.3%～83.4%，不同煤厚工作面采出率統計見表2。該工藝特點為：工作面先采用前進式掘進兩條平巷，分別作為輔運平巷和膠運平巷，之后采用后退式在平巷的左、右翼掘進支巷。區段內支巷布置完畢后，采用邁步式行走液壓支架支撐支巷及支巷間聯巷，對支巷兩翼煤柱進行雙翼回采并采用全部垮落法管理采空區頂板。

3)通風條件差，進回風并列布置，通風構筑物多，漏風量大。

圖1　神東早期房柱式采煤工藝示意圖

煤層厚厚度采出率/%面積采出率/%工作面采出率/%3100.0076.383.383.599.0075.479.65498.0071.675.234.596.0065.468.24594.0066.865.125.490.0063.264.135.883.3262.563.90678.3661.858.21

1.2神東礦區房采采空區危害

神東礦區早期開采遺留的房采采空區范圍廣，信息不詳，大部分礦區第一層主采煤層已基本開采完，現正回采第二層主采煤層。由于上下煤層間距小，開采時相互影響大，房采采空區造成下層煤開采時礦壓顯現劇烈，對地表建筑物、構筑物及重要輸電線路等造成重大安全隱患[6-7]。

1.2.1房柱采空區造成采掘安全隱患

1)房采采空區遺留的大量煤柱，隨著下煤層長壁開采時，周期來壓與上覆房采采空區煤柱破壞、頂板垮落時的沖擊壓力疊加，可能引起工作面動載礦壓的發生，造成支架壓死、頂板切落等事故。

同時，突然垮塌的高速氣浪和沖擊波可能會沖毀密閉，造成沖擊性災害危險，甚至造成礦震。

2)房采采空區下布置綜采工作面，存在潰水、潰沙危險。同時，采空區漏風易造成有毒有害氣體聚集、涌出，引起殘留煤柱及煤房浮煤自然發火，嚴重影響下方煤層的安全開采。如哈拉溝煤礦22119、22211采空區、上灣煤礦東翼Ⅰ區采空區、22211-22215 邊角煤采空區與綜采采空區相連(總積水量約410萬m3)。采空區煤柱垮落波及含水層及地表，造成水土流失，不利于生態保護。

1.2.2房柱采空區威脅地表建筑物、構筑物、高壓線塔、公路

當煤層埋深較淺時，煤柱垮落可能造成地表突然塌陷，對重要的建筑物、構筑物威脅較大。根據對神東房采采空區的統計，至少有超過15處地表存在重要的建筑物或構筑物、高壓線塔等，有超過30處房采采空區地表存在通信塔或高壓線塔，有超過16處房采采空區地表均為一級、二級或礦區公路。如：①哈拉溝煤礦22103P 采空區、柳塔煤礦W2Ⅱ301-304采空區對應地表均為1處炸藥庫；②寸草塔二礦302 采空區對應地表存在布爾臺煤礦工業廣場兩棟宿舍樓、1棟辦公樓等；③柳塔煤礦一盤區集中東輔運大巷房采采空區對應地表集裝站等密集建筑物；④石圪臺煤礦、大柳塔煤礦、補連塔煤礦、保德煤礦等房采采空區對應地表建有零星民居或建筑物，若不及時進行采采空區地表的充填、加固或改線，安全隱患較大。

2房采采空區下綜采工作面動載礦壓機理

神東礦區早期房柱式采煤工藝采出率低，隨著煤層開采面積不斷增大，堅硬頂板懸露面積相應增大，導致房式殘留煤柱及其頂板內產生了巨大的切應力，當其下布置綜采工作面進行回采時，殘留煤柱及頂板受二次采動影響。在超前支撐應力作用下，上覆房采煤柱逐漸崩解破碎，導致頂板彎曲下沉并將壓力傳遞至地表造成地表超前裂隙的產生，隨著下層綜采工作面繼續推進，后方采空區懸頂面積進一步增大，支架立柱所受壓力也急劇增加，當彎曲應力及破斷距離超過其極限時，即發生頂板破斷。基本頂形成的周期來壓與工作面上覆房采殘留煤柱回旋斷裂所形成的應力疊加，形成頂板沿煤壁切落直達地表的切冒型動載礦壓[8-10]。

該動載礦壓的形成過程可概括為3個階段：①上覆房采煤柱受二次采動影響發生崩解破壞，頂板出現彎曲下沉；②下分層綜采工作面懸頂面積大，產生破壞裂隙并擴展至整個巖層；③下分層綜采工作面周期來壓與上覆殘留煤柱回旋斷裂應力疊加，形成動載礦壓。其失穩機理如圖2所示。

圖2　房柱式采空區下綜采工作面頂板失穩原理示意圖

3房采采空區安全開采技術方案

3.1科學設計，提前謀劃，合理布置工作面位置

設計初期提前考慮房采采空區對下煤層綜采工作面影響，盡量躲開房采采空區，避免其與工作面推進方向垂直。為防止頂板來壓時出現直接頂切冒事故，要合理控制采高，減小頂板壓力[11-12]。

此外，應適當加快工作面推進速度，使煤層超前支承壓力峰值更靠近煤壁，減小覆巖運動造成的圍巖破壞范圍。

3.2技術措施

3.2.1礦壓觀測

為準確地掌握房采采空區下綜采工作面的礦壓顯現規律，實時監測頂板壓力，可在工作面范圍內安裝KJ25-F礦用本安型壓力監測分站、KJ25-Z信號轉換器及鉆孔應力計，采用KJ110N型礦壓在線監測系統、結合人工記錄支架壓力表數據的形式對工作面礦壓情況進行監測。

以液壓支架、工作面主運順槽、回風順槽、采空區礦壓監測系統為基礎，組成完整的礦壓監測系統，24小時監測由于工作面的采動引起的煤柱應力集中釋放情況，綜合分析礦壓活動與工作面回采推進的規律性，采用安全保障措施，盡量減少人員在該區的停留，確保井下作業人身安全。

3.2.2地表沉降觀測

地表移動觀測是在采動過程中，定期重復地測定觀測線上各測點在不同時期內空間位置的變化。觀測過程中要及時地記錄和描述地表出現的裂縫，塌陷的形態和時間，及時記載相應工作面位置、推進速度、采高、頂板陷落等有關情況。

根據工作面開采進度分析地表下沉、變形與工作面相對位置的關系規律，得出受房采采空區及集中煤柱影響下地表巖移規律并預測接回采工作面的地表巖移趨勢和結果。

3.3工程措施

3.3.1殘留煤柱爆破技術

殘留煤柱爆破是采用裝藥放炮方法將房采采空區頂板或煤柱強制切斷，在老頂初次來壓或周期來壓前改變頂板的夾持狀態，提前釋放煤柱上方所集聚的能量，以減弱頂板垮落破壞時產生的動載礦壓。

該技術與工作面支架載荷、采高、工作面推進長度、工作面傾向長度、上覆圍巖情況等因素有關，一般認為，在距工作面推進位置前方40～50m的殘留煤柱前后平行布置2～3排強放孔，孔間距為10～15m，實施殘留煤柱爆破可有效防治出煤柱時的動載礦壓疊加。

煤柱爆破可分為地面和井下；按照鉆孔長度可分為短鉆孔爆破和長鉆孔爆破。

3.3.2房采煤柱地表分段預裂技術

神東礦區上水平煤層埋深一般在50～80m，早期開采的房柱式采空區大都位于上水平，開采情況不詳，給下煤層綜采工作面的回采造成安全隱患。為了提前釋放殘留煤柱壓力，在地表每隔15～25m分段施工90mm的預裂孔，排距20m，布置2～3排，孔深以不打通房采煤柱為準，提前對房采范圍內煤柱進行預裂松動爆破。其布置如圖3所示。

圖3　采煤柱地表分段預裂爆破示意圖

3.3.3分段充填房采采空區殘留煤柱

房采采空區充填是利用注砂或瑪麗散等高分子材料對采空區進行加固。充填體對圍巖的作用主要有兩點：①隨工作面推進，充填體不斷充填已采出空間，相當于減低了采高，減弱了頂板來壓期間的劇烈顯現程度；②充填體增加了上覆房采集中煤柱的受力面積，將基本頂破斷運動的載荷均布化，避免造成下分層綜采工作面周期來壓與上覆煤柱回旋壓力的疊加，支架受力穩定。

4工程實踐及成效分析

4.1房柱采空區下首采面礦壓顯現及異常原因分析

31201工作面為石圪臺煤礦下水平31煤首采工作面，該面上覆有22煤原天隆房采采空區，采空區以三組平行于工作面的集中煤柱進行隔離。工作面走向長度為1865m傾向長度為311.4m，煤層厚度3.0～4.4m，平均4.0m。

該面于2013年8月開始回采，在推進773m期間共出現三次壓力異常區域，見表3。

分析原因為：回采工作面上方約37m(9.25倍采高)存在不規則22煤房采采空區，工作面三次來壓異常均處于進、出上覆22煤房采集中煤柱區域。受31201綜采工作面回采采動影響，集中煤柱失穩破壞，形成動載礦壓。

4.2房柱式采空區下動載礦壓防治技術

綜合理論分析及現場工程實踐，該工作面動載礦壓控制技術主要包括KJ768微震實時監測、地表裂隙與沉降觀測、礦壓監測、集中煤柱強制放頂等，具體如圖4所示。

4.2.1微震實時監測

在31201工作面的回風及膠運順槽各布置8個可移動式拾震器，間距25m；在集中煤柱上方的地表設4個固定式測點，間距60m，共布置20個拾震器。

每天設專人對微震數據進行搜集和分析，通過對微震事件發生的位置、總能量及數量和的多次統計，總結得出22煤動載礦壓能量極大值及31煤周期來壓的判定指標，如表4所示。

表3　工作面3次礦壓異常情況統計

圖4　房柱式采空區下動載礦壓防治技術圖

煤層微震預警數量/≥微震預警能量/≥31煤154.20e+522煤318.00e+5

4.2.2礦壓監測分析

使用采集器每天提取尤洛卡觀測數據與人工記錄的方式相結合，并及時將觀測數據錄入礦壓分析系統，分析工作面的周期來壓步距、來壓強度與動載系數、來壓持續時間與長度以及支架的增阻特性等。壓力數據分析及來壓特征統計見圖5。

4.2.3地表裂隙及沉降觀測

在31201工作面地表，沿傾向布置編號為C-L 的10條巖移觀測線，每條測線上再布設5個測點。通過每天搜集和整理得到的地表裂隙及沉降數據，及時總結并預測工作面推進過程中31煤及22煤的頂板下沉破斷情況，地表裂隙觀測結果見圖6。

圖5　礦壓數據計算結果表

圖6　地表裂隙及沉降觀測圖

4.2.4上覆22煤殘留煤柱爆破技術

為避免工作面推進至上覆2-2煤第三組集中煤柱時再次發生動載礦壓，提前破壞殘留煤柱及頂板的完整性，將集聚的大量彈性能釋放。根據礦壓預測結果，在距第三段集中煤柱40m時，對其進行強制爆破，具體方案及爆破施工工藝如下：在殘留煤柱及頂板上共布置炮孔22個，炮孔間距14m，排距15m，孔深48～66m。采用煤礦專用鉆機打眼，開孔直徑50mm，終孔后用94mm鉆頭擴孔。

爆破方法為毫秒微差正向爆破，一次裝藥，一次打眼，由兩側向中部進行。炸藥采用乳膠基質與敏化劑混合，采用BQF-100型封孔器進行封孔，利用BCJ-5M型裝藥機進行裝藥，施工工藝見圖7。

圖7　上覆22煤殘留煤柱爆破施工工藝

根據地表裂隙及下沉觀測，超前工作面55m范圍內22煤殘留煤柱及頂板已下沉、斷裂，其中集中煤柱位置地表下沉約0.9m，基本達到預計的爆破預裂效果。

5結論

1)神東礦區房采采空區主要由兩部分組成：一部分為早期采用房柱式采煤工藝形成的采空區；另一部分為1995年后引進旺格維利采煤法所形成的采空區。

2)房采工藝采出率低，對下分層采掘造成安全隱患，威脅地表建筑物、構筑物及重要輸電線路等。

3)房柱式采空區下安全掘進和回采的技術方案主要包括三方面：①設計初期，合理布置采掘工作面位置；②回采時的技術措施主要有微震監測、礦壓監測、地表裂隙與沉降觀測；③工程措施主要有殘留煤柱的爆破、地表預裂技術和采空區充填。

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The control technology of dynamic mine strate pressure of full-mechanized mining face under gob left by room and pillar mining in Shendong mining area

XIAO Jian-ru

(Shigetai Mine，Shenhua Shendong Group Co.，Yulin 719000，China)

Abstract:Due to equipment，mining process and historical reasons，the room and pillar mining had been more widely adopted in Shendong mining area.The process of extraction rate is low，left a large amount of coal pillar.Violent pressure，toxic and harmful gases occurred under gob left by room and pillar mining，which seriously affected the mining safety.Given this，the mechanism of formation is expounded and can be summarized into three stages：the room pillar happened disintegrating failure influenced by second mining coal，roof cracks and bending down，damage fracture of lower slice full-mechanized mining face extended to the whole rock formations.The cyclotron fracture of overlying pillar residue and periodic roof pressure of lower slice full-mechanized mining face are superimposed，forming a dynamic load pressure.Three points are mainly talked about the technical solution of safe driving and extraction：reasonable decorate working face location，using microseismic monitoring technology，mine pressure monitoring，surface crack and subsidence observation，the engineering measures are mainly residual pillar surface pre-splitting blasting technology and goaf filling.

Key words：gob left by room and pillar mining；forced caving；dynamic mine strate pressure；mine pressure monitoring；control technique

收稿日期：2015-09-05

作者簡介：肖劍儒(1975-)，男，內蒙古烏蘭察布人，高級工程師，現任神華神東煤炭集團有限公司石圪臺煤礦總工程師。

中圖分類號：TD323

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)03-0076-05