老窯復合采空區下煤層安全開采技術研究

管增倫

(中國中煤能源集團有限公司，北京市朝陽區，100120)

老窯復合采空區下煤層安全開采技術研究

管增倫

(中國中煤能源集團有限公司，北京市朝陽區，100120)

針對房采采空區下近距離煤層開采時上覆煤柱易失穩，易引發大面積頂板整體垮落災害的問題，研究了房采采空區下煤層頂板破斷特征，并以山西元寶灣煤礦為工程背景，分析了復合采空區下6#煤層頂板大面積垮落的可能性，研究了元寶灣煤礦復合采空區下煤層開采頂板致災機理。在此基礎上，以工作面安全回采為前提，為最大程度地降低頂板處理工程量，提出了以“采前預處理、采中監測分析跟進處理”為原則的頂板處理方案，為相似煤層開采提供借鑒。

復合采空區 房采采空區 頂板處理 安全開采技術 頂板破斷特征

AbstractIn view of the large-area roof fall disaster caused by overlying coal pillar instability during close distance coal seams mining under room mining gob, roof fracture features of coal seam under room mining gob were studied, and the possibility of large-area roof fall of No. 6 coal seam under complex gob was analyzed by taking Shanxi Yuanbaowan Coal Mine as engineering background, and the roof disaster-causing mechanism of coal seam mining under complex gob was studied. On this basis, in order to furthest reduce the engineering amount of roof treatment and ensure safety mining, a roof management scheme was put forward whose principle was roof pretreatment before mining and monitoring analysis and follow-up treatment during mining, that provided reference for coal mining with similar conditions.

Keywordscomplex gob, room mining gob, roof treatment, safety mining technology, roof fracture feature

在我國早期的煤炭資源開發中，由于開采裝備及回采技術的局限性，相當一部分煤田的小煤礦采用房柱式或巷道式采煤方式，造成煤炭資源的大量浪費，同時導致煤層開采后，采空區內留存有大量的遺留煤柱。遺留煤柱和煤層頂板組成結構系統，共同維持著頂板的穩定性。隨著國家煤炭資源的整合及近年來煤炭開采規模的擴大，改擴建礦井往往面臨著復合采空區下煤層的開采，然而早已形成的房柱式采空區給近距離下煤層的開采帶來一系列問題，其中，下位煤層頂板的控制問題較為突出，該問題已成為此類條件下煤層開采頂板控制的關鍵問題。采空區內煤柱不穩定破壞的多米諾效應，往往引發大面積頂板整體垮落災害。其破壞特征是采空區頂板大面積來壓，瞬間引發一次性整體切冒，伴有巨大風暴。

針對該問題，國內學者做了大量研究工作，取得了較為顯著的研究成果。已有文獻利用理論分析、物理試驗及數值模擬等方法對房柱式采空區下煤層長壁式開采工作面進行了相關研究，提出了可以應用于實踐的頂板控制技術，且取得了較好的控制效果。鑒于地區及煤層賦存條件的差異性及復雜性，在前人研究成果的基礎上，以元寶灣煤礦6105工作面為實際工程背景，在研究房柱式采空區下煤層頂板破斷特征的基礎上，預測了復合采空區下工作面開采頂板大面積垮落的可能性，分析了元寶灣煤礦復合采空區下煤層開采頂板致災機理。在此基礎上，提出了以“采前預處理、采中監測分析跟進處理”為原則的頂板處理方案。

1 工程概況

元寶灣煤礦為兼并重組整合礦井，礦井首采6#煤層，現開采6105工作面，煤層厚度為2.7～5.2 m，平均厚度為3.5 m，煤層傾角為3°～10°，平均為4°，煤層埋藏深度150～160 m。工作面設計傾斜長度932 m，回采長度876 m，采用綜合機械化回采工藝。工作面北部與6#煤層輔運巷相鄰，西部為已回采的6104工作面，南部和東部為實煤區，上伏整合前4#煤層小煤窯不規則采空區以及4102工作面采空區。根據現場調研及探測，工作面上方4#煤層老窯不規則采空區內巷道寬度為2.5～3.2 m，高2.6 m左右，圍巖(煤體)較完整，遺留的老空區寬度為7～30 m，高度為6～9 m，長度為30～60 m，老空頂板基本完整，僅部分地段出現冒落。6105工作面上覆采空區分布如圖1所示，圖中不規則陰影區域為上覆未冒采空區。

6#煤層與4#煤層間距為8～21.4 m，平均為14.7 m，由南向北逐漸變厚，由6105工作面附近鉆孔柱狀圖可知，兩煤層間巖層巖性由下至上依次為厚度7.5 m的灰白色粗砂巖，厚度3.7 m的灰白色細砂巖、厚度5.4 m的深灰色砂質泥巖及泥巖，如圖2所示。其中6#煤層頂板(粗砂巖、細砂巖及泥巖)單軸抗壓強度為20.8～30.8 MPa，平均為29.3 MPa，4#煤層頂板單軸抗壓強度為51.2～57.6 MPa，平均為53.6 MPa。

圖2 6105工作面煤層綜合柱狀圖

2 復合采空區下頂板大面積瞬間垮落安全隱患預測分析

近距離煤層房柱式采空區下長壁綜采主要存在以下安全隱患:上方煤柱支撐應力對下層煤工作面及回采巷道形成較大的應力集中；受采空區、煤柱的影響，煤柱支承應力與頂板運動垮落形成疊加，突然失穩并造成頂板局部切頂冒落；應力集中引起大面積煤柱失去支撐能力，引發沖擊礦壓。6105工作面為復合采空區下煤層長壁開采，存在以上安全隱患，基于頂板巖性對回采期間頂板大面積突然垮落安全隱患進行了預測分析。

(1)基于4#煤層巖性的安全隱患預測分析。4#煤層頂板為粗砂巖、細砂巖、砂質泥巖，平均單軸抗壓強度為53.6 MPa，屬于中硬頂板，借鑒4#煤層4101及4102放頂煤工作面回采情況可知，回采時在未進行初次放頂的情況下，來壓步距較小，沒有發生大面積垮落事故，頂板隨采隨垮。另外4#煤層頂板整體性和強度不屬于堅硬頂板，因此預計4#煤層頂板出現較大范圍的懸頂幾率較小，當懸頂達到一定面積后可自行垮落。

(2)基于6#煤層巖性的安全隱患預測分析。6#煤層頂板為粗砂巖，平均單軸抗壓強度為29.3 MPa，為松軟頂板，正?；夭蓵r隨采隨垮，且垮落后充填高度大于支架高度，可以緩解頂板對支架的沖擊。

以上分析表明，6105工作面出現頂板大面積垮落事故的可能性較小，但鑒于地質條件變化和相關數據缺乏，工作面開采仍存在一定的風險，尤其是相鄰礦井同煤層開采期間發生了頂板大面積垮落傷亡事故，因此，為保障工作面的安全回采，需針對頂板的災變機理進行了深入分析。

3 復合采空區下煤層開采頂板災變機理

復合采空區頂板的穩定性由煤柱及頂板兩個基本要素共同決定。隨著煤層開采面積不斷增大，房柱式開采頂板懸露面積相應增大，致使房式殘留煤柱及其頂板內產生了巨大的切應力，同時煤柱長時間承載蠕變及部分煤柱失穩造成破壞。當其下近距離煤層布置綜采工作面進行回采時，將引起上覆巖層的移動與破斷，巖層破斷波及上覆煤層煤柱進而產生連鎖反應，最終導致復合采空區下頂板大面積突然垮落，引發颶風及有害氣體突然涌出。根據現場實測可知，元寶灣6105工作面上覆煤層遺留的老空區寬度為7～30 m，高度為6～9 m，長度為30～60 m，老空頂板基本完整，僅部分地段出現冒落，因此，其存在頂板大面積災變的可能性。

分析元寶灣煤礦復合采空區下煤層開采頂板災變機理，可概括為以下兩個階段：

(1)超前支承應力影響下煤柱破碎、頂板斷裂。下部煤層采動影響下，由于上部復合采空區的存在，4#煤層頂板活動空間急劇增大，其上覆頂板由彎曲下沉帶向裂隙帶過渡，超前支承應力作用下，煤柱應力集中程度急劇增大，煤柱逐漸崩解破碎，頂板開始彎曲下沉，當頂板彎曲應力超過其極限強度時，即發生頂板破斷，頂板彎曲破裂產生裂隙A，如圖3(a)所示。

(2)上覆巖層冒落破斷導致煤柱坍塌、頂板大面積瞬間垮落。隨著下層綜采工作面繼續推進，6#煤層工作面逐漸進入采空區下方，6#煤層上覆巖層的冒落及破斷開始波及到4#煤層老窯采空區煤柱，煤柱失穩坍塌，復合采空區上覆巖層在無支撐的情況下瞬間大面積垮落，繼而造成頂板災害事故，如圖3(b)所示。

4 復合采空區下頂板動態處理技術

基于元寶灣礦復合采空區下6#煤層回采期間頂板致災隱患，以“采前預處理、采中監測分析跟進處理”為原則，提出了6105工作面上覆頂板動態處理方案。

圖3 房柱式采空區下綜采工作面頂板失穩過程圖

4.1 采前預處理

4.1.1 采前4#煤層老巷頂板爆破弱化處理

為降低老窯采空區頂板大面積瞬間垮落的風險，削弱4#煤層懸頂的整體性，在4#煤層進、回風大巷內，對4#煤層頂板直接進行了采空區懸頂爆破處理，共布置44組，組間距10 m，每組3個鉆孔，鉆孔布置參數見表1。4#煤層老巷頂板爆破處理方案如圖4所示。

表1 爆破炮孔參數表

圖4 4#煤層老巷頂板爆破處理方案

4.1.2 初采期間工作面巷道內4#煤層頂板弱化處理方案

6105工作面初采期間，為防止4#煤層老空區頂板懸而不冒，在6105工作面超前切眼20 m范圍內的巷道中向4#煤層頂板鉆孔進行水力壓裂，以破壞頂板的整體性。方案設計從切眼開始，在超前工作面20 m范圍內，每隔10 m布置一個鉆場，用于初采期間4#煤層頂板弱化，每個鉆場施工3個鉆孔，鉆孔垂直巷道走向布置，傾角分別為15°、25°和40°，共布置鉆孔60個。當鉆孔鉆至4#煤層未垮落采空區域時，停止鉆進，該鉆孔用于采空區探放水、氣體檢測，其鉆孔參數如圖5所示。

4.1.3 初采期間工作面切眼內6#煤層頂板爆破弱化處理方案

為減小工作面頂板的初次來壓步距，削弱頂板來壓強度，降低4#煤層頂板沖擊風險，工作面采前對6105工作面頂板進行了弱化爆破處理。炮眼布置為單排眼“一”字型傾向布置，眼距為5 m，切眼內共49個孔，上下隅角各4個鉆孔，炮眼距采空區側煤幫2.5 m，炮眼深度為13 m，孔徑65 mm，仰角60°，與切眼方向平行。

圖5 初采期間6105工作面巷道內4#煤層頂板處理方案

4.2 回采過程中頂板動態處理

初采期間4#煤層采空區頂板爆破弱化處理完畢后，結合礦壓監測設備及微震系統數據，實時分析總結6105工作面推進過程中頂板垮落情況，并觀測地表塌陷情況，若頂板垮落效果較差，則需在6105工作面及兩巷內對4#煤層懸頂區實施水壓致裂。

4.2.1 6105工作面巷道內對4#煤層頂板水壓致裂弱化方案

為對4#煤層老空區上方的懸頂進行處理，在4#煤層未冒區域下方的6105工作面兩巷內每隔15 m 向上方頂板施工1組鉆孔(4#煤層老巷爆破區域下方除外)，具體每組鉆孔布置方案與初采期間工作面巷道內4#煤層頂板弱化處理方案相一致。

4.2.2 6105工作面內對4#煤層頂板水壓致裂弱化方案

為進一步擴大水壓致裂的范圍及效果，擬在工作面距上、下端頭45 m外的工作面架間，向工作面前方仰角60°進行開孔致裂(4#煤層老巷爆破區域下方除外)，孔間距為15 m，孔深37 m，開槽位置為29 m和37 m，孔徑為50 mm；工作面每推進15 m，進行1次水壓致裂。鉆孔布置示意圖如圖6所示。

圖6 工作面傾向方向致裂孔布置剖面圖

5 結論

(1)基于元寶灣煤礦復合采空區下6105工作面賦存現狀，從頂板巖性預測分析了復合采空區下6#煤層開采頂板大面積垮落隱患的可能性，分析認為，雖然6105工作面出現頂板大面積垮落事故的可能性較小，但仍存在頂板大面積垮落的安全隱患。

(2)分析復合采空區下煤層開采頂板災變機理可知，元寶灣煤礦復合采空區下煤層開采頂板災變過程，可分為超前支承應力影響下煤柱破碎、頂板斷裂階段及下覆巖層冒落破斷波及煤柱坍塌、頂板大面積瞬間垮落兩個階段。

(3)以工作面安全回采為前提，為最大程度的降低頂板處理工程量，提出了以“采前預處理、采中監測分析跟進處理”為原則的頂板處理方案。

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(責任編輯 郭東芝)

Studyoncoalseamsafetyminingtechnologyundercomplexgobofoldmine

Guan Zenglun

(China Coal Energy Group Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100120, China)

TD327.2

A

管增倫. 老窯復合采空區下煤層安全開采技術研究[J]. 中國煤炭，2017，43(9):51-54. Guan Zenglun. Study on coal seam safety mining technology under complex gob of old mine[J] .China Coal，2017，43(9): 51-54.

管增倫(1972-)，男，江蘇漣水縣，高級工程師，研究開發處處長，碩士，長期從事煤炭技術研究和科研管理工作。