殘煤復采工作面礦壓顯現規律的研究

任志峰(1.太原理工大學 采礦工藝研究所，山西 太原 030024；2.大同煤礦集團 生產技術處，山西 大同 037003)

“殘煤”主要指礦井早期開采過程中損失的煤量，包括采區開采損失、地質損失、永久煤柱與報損煤量等。目前，我國殘煤復采的類型多為垂直方向上下分層類型的復采，對于此類復采工作面，根據殘留煤柱位置尺寸的不同，可將頂板分為3種狀態，上覆為完全空區的狀態，上覆煤柱與工作面呈縱跨狀態，上覆煤柱與工作面呈橫跨狀態。舊采殘留煤柱集中應力會向底煤傳遞，傳遞深度及大小不同，造成其下部不同深度煤層破壞情況不同，對復采工作面影響較大。故分析此類跨煤柱復采工作面開采礦壓顯現規律，尤其是工作面進出煤柱過程中壓力的變化是現階段類似條件下復采工作面安全高效開采的關鍵技術之一。

1 工作面概況

大同煤礦集團云岡礦12#層410盤區煤層厚度6.47 m，頂板巖性多為粉砂巖，含植物化石；底板以細粒砂巖、砂質泥巖為主。受小煤窯巷柱式開采影響，12#煤層沿頂上分層2.3 m厚破壞較嚴重，沿底4.17 m厚較完整，8107復采工作面沿12#煤層底板布置，傾向長度97 m，可采走向長度465 m，采高2.3 m.

根據小窯開采時間、開采空間和頂板巖性等參數推斷，8107復采工作面存在以下4種頂板狀態：1) 實體煤區。2) 頂板未垮落的完全空區。3) 頂板垮落未充滿空區。4) 頂板垮落充滿空區。

2 8107復采工作面探測結果分析

采用物理探測技術與打超前探測鉆孔相結合的方法對8107復采工作面上覆殘留煤柱-空區的相對位置以及空區中積水、積氣情況進行探測，根據探測結果及時采取措施，確保工作面的安全高效回采。

2.1 物探結果分析

本次物探針對回風巷和運輸巷側幫共進行了5組三極測深，另外針對兩巷道尾部密閉正前方分別進行了一組三極超前探，探測結果見圖1. 結果如下：

1) 圖1中藍色區域(①代表藍色區域)為低電阻異常區，可能為舊采殘留空區或是此區域巖石由于舊采采動影響較為破碎，頂板巖層積水此處匯集所致。建議后期對圖中異常區加密鉆孔重點探測，工作面回采過程中應對異常區加強水文地質觀測。

2) 據圖1中兩巷密閉正前方超前探測成果分析，在運輸巷密閉正前方27 m處，回風巷密閉正前方76 m處各有一低電阻異常區。

圖1 8107復采工作面物探成果圖

2.2 8107復采工作面鉆孔探測分析

為了進一步掌握8107工作面上方殘煤賦存狀況，在已有物探成果的基礎上采用工作面超前鉆探的方法確定工作面上方殘煤及空區的分布情況。探測鉆孔布置方式如下：

利用錨桿鉆機由工作面煤壁頂端以斜向上30°～60°的方向打超前鉆孔，鉆孔長度2～8 m，沿工作面傾向每10 m布置一個鉆孔。若探得終孔為空則在此附近打較為密集的鉆孔確定空巷準確位置，鉆孔間距由10 m調整為2 m，鉆孔示意圖見圖2.

圖2 工作面探測鉆孔布置示意圖

綜合分析物探和鉆探結果得出，8107復采工作面上分層殘留煤柱與空區的位置關系：上分層殘留煤柱-空區分布以工作面中部為界呈兩種分布狀態。

工作面中部以東區域內共分布8條空巷，其中5條空巷大致呈平行狀態且與工作面斜交角度為30°，空巷寬度均比較小，均在3 m左右。中部以西區域內分布有長短不一，寬度不同的空巷11條，空巷呈不規則分布，且空巷的跨度比較大，空巷最小跨度為3 m，最大跨度達20 m. 距開切眼約220 m范圍均存在空區。

3 礦壓觀測方案及結果

3.1 礦壓觀測方案

在工作面內布置3條測線，位于工作面上部、中部、下部。上線布置在工作面8#、9#支架，中線布置在工作面32#、33#支架，下線布置在61#、62#支架(工作面共布置70個支架)。以上布置測線的6個支架上均安裝KJ232-2F2型礦用壓力采集分站，對該工作面礦壓進行實時在線監測。

3.2 礦壓觀測結果

本次礦壓觀測期間工作面從40 m推進至177 m，共完成216個循環，共經歷了9～11次周期來壓。受上分層舊采殘留“空區-煤柱”的影響，8107復采工作面老頂來壓步距和來壓強度比正常開采時綜采工作面大。由于工作面上方特殊的地質條件，故本工作面的礦壓實測應重點觀測進出煤柱時的壓力顯現數據。

結合現場情況本次礦壓觀測主要針對不同狀態的頂板進行數據實測：1) 頂板為采空區的狀態。2) 頂板為煤柱的狀態。3) 進出煤柱過程的狀態。8107復采工作面在回采期間來壓特征較為明顯，但來壓步距規律性不強，這是因為來壓步距受到頂板上覆遺留煤柱的大小、位置等因素的影響；由于上分層為已開采的老空區，煤柱邊緣形成應力集中點，故此類型的復采工作面礦壓規律與傳統綜采工作面相比有一定的特殊性。不同測線支架整架的載荷隨著頂板上覆不同狀態而變化規律曲線見圖3.

圖3 測點支架隨頂板不同狀態時載荷的變化規律曲線圖

3.2.1采空區下壓力觀測結果及分析

支架位于采空區下方時其工作阻力均較小。整架平均工作阻力值僅905 kN·架-1。支架工作阻力前柱大于后柱。后柱工作阻力平均值為190 kN·架-1，僅為前柱工作阻力值的72.2%. 頂板上覆為空區狀態時周期來壓強度整體偏低，來壓步距增大。

3.2.2殘留煤柱下壓力觀測結果及分析

1) 支架位于煤柱下方時其所測的工作阻力值相較于空區下方的所測值大。整架平均工作阻力值為1 832 kN·架-1。結合以上數據可知，煤柱下方工作阻力值約為空區下方支架工作阻力值的2倍。支架工作阻力前柱大于后柱，后柱工作阻力的平均值為384 kN·架-1，僅為前柱工作阻力值的71.6%.

2) 頂板上覆煤柱寬度較大時，其正下方工作面支架工作阻力小于兩側支架工作阻力值；頂板上覆煤柱寬度較小時，其正下方支架工作阻力達到最大。煤柱下回采時，工作面周期來壓強度較大，煤壁出現片幫。

3.2.3進出煤柱過程中壓力觀測結果及分析

1) 支架在進出煤柱時，頂板壓力顯現明顯，煤壁片幫冒頂嚴重，片幫寬度達到1.5 m. 工作面進入頂板為空區后，頂板壓力明顯減弱。

2) 復采工作面進入煤柱下方3～10 m時，支架工作阻力突然增大。分析各測線數據可知：8#支架進入煤柱約7 m時，其支架載荷增大至2 348 N，32#支架進入煤柱約9 m時，其支架載荷增大至2 376 kN，61#支架進入煤柱約4 m時，其支架載荷增大至2 873 kN. 以上各測線支架在進入煤柱下方小于10 m的距離均達到了較大值。

3) 復采工作面距離3～5 m出煤柱時，支架工作阻力再次增大，且最大值比進煤柱期間的最大值大。分析32#支架數據可知，距離3 m出煤柱時，工作面壓力增大至最大值3 662 kN，此值約為進煤柱時工作阻力最大值的1.5倍。

4) 復采工作面在通過煤柱的過程中，各測線支架工作阻力值在進煤柱階段表現為前柱大于后柱，而在出煤柱階段表現為后柱大于前柱。分析8#支架的實測數據可知，支架在進煤柱階段前柱工作阻力峰值是后柱工作阻力峰值的1.86倍，但在出煤柱時，前柱工作阻力峰值僅為后柱工作阻力峰值的45%.

5) 復采工作面通過煤柱的過程中，受到進出煤柱集中應力的影響，各測線支架的工作阻力會出現急劇增大甚至超過周期來壓峰值的情況，使得工作面周期來壓強度、來壓步距沒有明顯的特征，因此一般情況下難以準確給出工作面的周期來壓值。

4 結 論

通過對8107復采工作面的礦壓觀測，并對記錄數據進行計算分析可知：

復采工作面在推進過程中，其支架工作阻力整體表現為前柱大于后柱。當頂板為采空區時，測線支架工作阻力后柱僅為前柱的72.2%；當頂板為煤柱時，測線支架工作阻力后柱僅為前柱的71.6%；但工作面在出煤柱過程中，支架工作阻力表現為后柱大于前柱，后柱工作阻力峰值約為前柱工作阻力峰值的1.6倍。

復采工作面通過煤柱的過程中，進入煤柱3～10 m的距離，工作面頂板來壓明顯；隨著工作面的繼續推進，支架壓力逐漸降低；距離3～5 m出煤柱時，支架工作阻力再次增大，且最大值約為進煤柱期間的最大值的1.5倍。

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