房柱式采空區下過集中煤柱動載礦壓治理技術

馬春喜

(山西省煤炭運銷集團新旺煤業有限公司，山西省大同市，037000)

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房柱式采空區下過集中煤柱動載礦壓治理技術

馬春喜

(山西省煤炭運銷集團新旺煤業有限公司，山西省大同市，037000)

針對石圪臺煤礦31201工作面房柱式采空區過集中煤柱時發生的壓架事故，分析了壓架事故發生的機理，并提出了提前對房柱式采空區煤柱及周圍一定距離內頂板實施爆破卸壓，破壞煤柱的完整性使其周圍頂板提前垮塌、應力提前釋放，減弱工作面過煤柱時的風險。利用微震監測、礦壓分析等方法對實施爆破前后過煤柱時工作面礦壓顯現、應力釋放等情況進行了研究。研究結果表明，卸壓爆破房柱式采空區煤柱對于有效防治動載礦壓效果顯著。

房柱式采空區 集中煤柱 動載礦壓 卸壓爆破

隨著煤炭開采技術的提高，開采規模不斷擴大，各礦區對于煤炭的回采逐漸向深部轉移。以神東礦區為例，部分礦井的第一層主采煤層已基本采完，第二層主采煤層已經逐步開始回采。然而在回采過程中發現，部分區域在第一層主采煤層回采過程中采用房柱式開采，采空區遺留下眾多集中煤柱，在集中煤柱支撐下，上煤層一定區域內的頂板并未垮落。隨著下煤層繼續開采，集中煤柱發生大面積失穩時，上、下煤層頂板同時垮落，會造成下煤層工作面突然來壓，形成動載礦壓造成壓架事故，嚴重威脅礦井的安全生產。

一些學者對房柱式采空區上覆煤柱失穩機理及防治動載礦壓技術等進行了研究。劉長友等對采空區下堅硬頂板群集體失穩規律進行了分析；張彬等針對房采區下工作面回采，提出了利用爆破方法提前治理采空區煤柱以保證安全回采；屠世浩等提出了向采空區內注入充填物等措施；鞠金峰等提出通過縮短工作面，減小來壓時頂板垮落面積從而避免動載礦壓的發生。

本文以此前的研究內容為依據，理論分析了動載礦壓發生機理，并結合石圪臺煤礦上覆房柱式采空區實際情況，利用爆破卸壓結合現場實測等方法提出了防治動載礦壓的一整套技術。

1 工程概況

石圪臺煤礦位于神東煤田，礦井面積65.25 km2，主采12、22、31號煤，目前22號煤大部分已經回采完畢，礦井主采31號煤，其中31號煤二盤區為31號煤層首個回采盤區。31號煤二盤區地質條件復雜，上覆22號煤多處小窯采空區、房柱式采空區以及22號煤綜采采空區，且存在22號煤遺留的集中煤柱，二盤區首采工作面31201在經過上覆22號煤集中煤柱時，發生了壓架事故，事故發生主要原因為動載礦壓。

31201綜采工作面為石圪臺井田31號煤二盤區首采工作面，煤層埋深90～110 m,與22號煤層間距35～42 m。工作面長度355.2 m，推進長度1865 m。工作面上覆松散層厚度為5.9～43.3 m，上覆基巖厚度為64.9～142 m。煤層傾角為1°～3°，回采面積為66.24萬m2，煤層平均厚度為3.9 m，容重為1.27 t/m3，設計采高3.9 m。煤層工作面布置178臺液壓支架，工作阻力為18000 kN。31201工作面上覆的22號煤條件復雜，存在房柱式采空區、綜采采空區和實體煤。工作面上覆采空區及煤柱賦存情況如圖1所示。

為防止二盤區其余工作面在回采通過房采區煤柱過程中，煤柱失穩，導致22號煤頂板突然垮落與31號煤頂板來壓相互重疊造成動載礦壓，給設備、人員造成一定的危害，急需一種科學可靠的辦法來預防頂板災害的發生。

圖1 31201工作面上覆采空區及煤柱賦存情況

2 動載礦壓發生機理

嚴重錯位砌體梁-單回轉巖塊結構如圖2所示。由圖2可知，下煤層工作面過房柱式采空區煤柱時，工作面頂板斷裂、回轉、變形導致房柱式采空區煤柱破碎嚴重，使得其對上覆頂板的支撐能力降低。當工作面過上覆房柱式采空區集中煤柱后來壓時，由于集中煤柱產生的動載礦壓使得上煤層頂板超前工作面較長距離，由于頂板超前垮落而使形成的砌體梁結構與層號為B2巖層形成的砌體梁結構出現大范圍的錯位。在砌體梁結構中巖塊受到的載荷將隨著與工作面的距離增加而逐漸接近原巖應力。在這種結構條件下，B3巖塊將額外承擔B2巖塊、E1巖塊和其上覆離層巖塊的自重。

當工作面推出集中煤柱一定距離時，集中煤柱失穩垮落，應力突然向前迅速轉移導致小煤柱達到最大抗壓強度形成多米諾骨牌式的超前連鎖垮落效應。此時房柱式采空區整體下沉進一步擠壓塌陷的殘余小煤柱散體，隨著應力的轉移導致煤柱大面積失穩后，集中煤柱上覆新增荷載將大大高于支架承載能力，工作面壓架現場出現80 MPa的瞬時壓力。從現場工作面動載礦壓顯現情況來看，對于工作面過集中煤柱時產生的動載礦壓，目前沒有一種支架能擁有抵御如此強烈動載礦壓的支護能力。

圖2 嚴重錯位砌體梁-單回轉巖塊結構示意圖

3 房柱式采空區集中煤柱治理技術

為了避免工作面通過煤柱時，發生動載礦壓造成頂板事故，提前對煤柱及周圍一定距離內頂板進行爆破卸壓，破壞煤柱及周圍頂板的完整性，使得煤支撐的一定范圍內的頂板體現垮落，以減弱來壓強度。

爆破設計如圖3所示，由圖3可以看出，從地表打孔向煤柱內、外鉆孔、裝藥、爆破。煤柱內、外炮孔孔距15 m，煤柱內炮孔深度76 m，煤柱外炮孔深度70 m。為保證煤柱得到充分破壞，煤柱內裝藥長度16 m，單孔裝藥量560 kg，煤柱外裝藥長度10 m，單孔裝藥量350 kg，爆破使用露天乳化炸藥。

圖3 爆破裝藥示意圖

4 房柱式采空區煤柱治理效果分析

2017年3月28日對31201綜采工作面上覆房柱式采空區集中煤柱進行了卸壓爆破治理，為了驗證房柱式采空區煤柱卸壓爆破效果，通過現場微震檢測、礦壓實測等技術手段驗證治理技術的科學性。

4.1 爆破前后微震監測結果分析

爆破前后工作面頂板微震事件和總能量對比如圖4所示。由圖4可以看出，在工作面通過煤柱時，微震事件發生較多，頂板垮落釋放能量巨大，會對工作面安全產生重大威脅。實施卸壓爆破1 d后，微震能量、數量顯著增加，頂板垮落能力提前集中釋放，主要是由于爆破破壞了煤柱的完整性同時誘發了22號煤頂板的破壞，進而使得22號煤直接頂提前垮落，釋放巨大能量。

實施卸壓爆破和未實施爆破的煤柱微震事件對比情況如圖5所示。由圖5(a)可以看出，在未實施卸壓爆破過煤柱期間，微震事件呈現逐漸增加趨勢，而且微震能力較大，連續3 d有超過6.0E+04J的大能量微震事件發生，工作面支架壓力平均為29 MPa、最大達36.3 MPa。由圖5(b)可知，實施爆破后，微震事件較集中，過煤柱期間微震事件指標呈下降趨勢，且微震總體能力較小，來壓時微震事件能量為1.93E+05J，個數為6個，遠小于以往過煤柱期間的微震事件能量值和能量個數。這表明此次爆破大大降低了過煤柱期間的礦壓現象強度，達到了頂板運動可控、頂板壓力分次化解的目的。

圖4 爆破前后微震事件指標變化情況

圖5 爆破前后微震事件指標變化情況

4.2 爆破前后礦壓顯現分析

實施爆破前后工作面過煤柱礦壓特征對比如圖6所示。由圖6可以看出，對煤柱實施爆破后，過煤柱期間礦壓強度明顯減弱。未實施爆破過煤柱期間，平均壓力為17285 kN，實施爆破后過煤柱期間，平均壓力為15578 kN。根據現場礦壓顯現情況，實施爆破后過煤柱來壓期間，安全閥局部開啟，片幫深度縮小，立柱下沉量也明顯縮小，整個回采過程中并未出現壓力瞬間急劇增加，安全閥噴射等動載礦壓情況。因此可以得知，對上覆煤柱提前爆破后，經過一段時間的壓實，爆破后的煤體對覆巖起到了一定的承載作業，且原來煤柱控制的頂板斷裂后的巖塊間形成了具有一定承載能力的鉸接結構，從而有效避免了動載礦壓的發生，進一步說明卸壓爆破對有效防治動載礦壓有積極作用。

5 結論

(1)通過建立嚴重錯位砌體梁-單回轉巖塊結構模型，分析了動載礦壓發生時工作面發生頂板災害的機理。工作面過上覆房采區煤柱時，由于集中煤柱失穩垮落，應力突然向前迅速轉移導致小煤柱達到最大抗壓強度，形成超前連鎖垮落效應，基本頂不能再形成砌體梁結構，上覆新增荷載將大大高于支架承載能力，形成動載礦壓。

圖6 爆破前后工作面過煤柱期間礦壓特征

(2)根據動載礦壓發生機理，提出提前對房柱式采空區煤柱及周圍一定距離內頂板實施爆破卸壓，破壞煤柱及周圍頂板的完整性，使得煤柱支撐的一定范圍內的頂板垮落，以減弱來壓強度。

(3)結合石圪臺煤礦實際地質條件，對房柱式采空區煤柱提前進行卸壓爆破，并通過現場微震檢測、礦壓實測等技術手段對爆破后工作面過煤柱期間壓力顯現進行了分析，證明卸壓爆破房柱式采空區煤柱可以有效防治動載礦壓。

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Treatmenttechnologyfordynamicminepressureofgobsthroughconcentratedcoalpillarusingroom-pillarminingmethod

Ma Chunxi

(Xinwang Coal Mining Co., Ltd., Shanxi Coal Transportation and Marketing Group, Datong, Shanxi 037000, China)

Aiming at the fully mechanized support crushing accidents in gobs of 31201 work face of Shigetai Mine when crossing through concentrated coal pillar using room pillar mining method, the crushing mechanism of accidents was analyzed, and propose the mitigation schemes of blasting pressure relief in advance within a certain distance in gobs and around roof, destruction of the integrity of coal pillar to collapse the roof and stress release in advance in order to reduce the risks of work face when crossing through coal pillars. Using the methods of microseismic monitoring and mine pressure analysis before and after the implementation of blasting, mining pressure and stress release appeared through coal pillar were studied. The results showed that unloading blasting of gobs of room-pillar mining was remarkable for effective prevention and control of dynamic mine pressure.

gob of room-pillar mining, concentrated coal pillar, dynamic mine pressure, pressure release blasting

山西省回國留學人員科研資助項目(2016-040)，山西省自然基金面上項目(201601D102038)

馬春喜. 房柱式采空區下過集中煤柱動載礦壓治理技術[J]. 中國煤炭，2017,43(12)：76-79，126.

Ma Chunxi. Treatment technology for dynamic mine pressure of gobs through concentrated coal pillar using room-pillar mining method [J]. China Coal，2017,43(12)：76-79，126.

TD326

A

馬春喜(1972-)，男，山西大同人，中級工程師，現就職于山西省煤炭運銷集團新旺煤業有限公司，主要從事煤炭開采管理工作。

(責任編輯 陶 賽)