四臺礦礦壓顯現機理及頂板控制研究

陳曉宇

（晉能控股集團四臺礦，山西 大同 037000）

1 概況

四臺礦位于山西省大同市，基巖地層以NNE走向為主，處于斷裂構造西側，受燕山運動影響礦區周邊山脈較多。受開采煤層斷裂構造影響，礦區的開采范圍應力條件與煤巖運動較為復雜，受地質環境影響較大。四臺礦地處華北地區，板塊運動呈東西向，邊界移動以走向滑動為主，南方邊界為張性邊界，北方邊界為壓性邊界，礦區所受應力主要為NW至NNW的主拉應力與NE至NEE向的主壓應力。斷裂構造以壓縮運動為主，由于板塊的擠壓區域內應力較為集中，能量積聚較大，因此接近于斷裂構造的礦區開采受礦壓影響概率較大。四臺礦的井田分布特征示意圖如圖1。

圖1 四臺礦井田分布特征示意圖

四臺礦煤層厚度約為90～98.66 m，石炭系太原組5～7號埋深約為450～650 m，煤層間距約為300～400 m，煤層厚度大，結構復雜，上部主要為侏羅系采空區。煤層頂板堅硬，覆巖結構完整，巖層以砂巖為主，還包括砂巖、砂質泥巖等。

2 強礦壓顯現機理分析

2.1 礦壓特征

四臺礦礦壓主要有四個特征[1-2]：（1）石炭系太原組5-7號煤層基本頂來壓周期與步距較大，動載系數大，巖層穩定性較強，破斷失穩易造成強動載。（2）基本頂來壓礦壓顯現較強。基本頂來壓持續時間較長，強度較大，支架安全閥開啟頻次較高，支架承受壓力大，超前支護有悶墩響動現象，鋼梁存在彎曲折損，頂板存在下沉、底鼓、幫鼓等現象。（3）周期來壓呈強弱交替變化。1～2次一般強度來壓后會出現1次強周期來壓，會出現煤壁片幫、增阻支架增多、連續來壓等現象。（4）強礦壓顯現時期，圍巖動載明顯，會發生壓架事故。

2.2 礦壓顯現機理分析

上述礦壓特征分析表明，四臺礦的石炭系煤層所具有的強礦壓顯現與常規的綜放工作面礦壓顯現規律有所差別，規律差別的原因可從地質影響與開采技術影響兩方面進行分析研究[3-8]。在地質方面，四臺礦的石炭系煤層位于斷裂構造區域，斷裂構造周邊板塊的運動會使斷裂位置處于高應力集中區，煤巖會聚集較高的能量，當下方煤層被開采擾動后，覆巖內的能量就會釋放到下部煤層工作面，造成強礦壓的顯現；同時，隨著石炭系煤層的開采，上部的覆巖層會產生多層垮裂，使得頂板穩定性大幅度降低。在開采技術方面，侏羅系煤層采空區與石炭系煤層開采工作面呈垂直分布，并且石炭系開采煤層切眼通常位于侏羅系煤層煤柱下方，當石炭系煤層開采推進至侏羅系下方時，就會使石炭系煤層頂板壓力變大，顯現強烈礦壓；同時，石炭系煤層的開采會使大采空區垮裂高度增加，頂板擾動范圍增大，使得應力場分布與集中應力影響增大。并且，工作面的推進會使上部巖層結構發生變化，頂板垮落與破斷會大幅度增加支架載荷。因此，石炭系煤層強礦壓顯現是煤柱與覆巖活動聯合作用的結果，其作用機理示意圖如圖2。

圖2 石炭系煤層強礦壓顯現作用機理示意圖

通過對四臺礦實測分析，石炭系煤層80315工作面的開采使頂板垮裂高度達160～170 m，侏羅系煤層煤柱應力集中深度為60～80 m，兩區域貫通最大距離為210～250 m，而四臺礦實際煤層間距僅有160～210 m。由此可知，四臺礦的強礦壓顯現主要因素為石炭系煤層的開采使得覆巖頂板垮斷，從而影響了煤柱下方的應力區，應力區內積聚的能量釋放，造成頂板失穩，從而形成強礦壓顯現。如圖3。

圖3 強礦壓顯現煤柱與覆巖活動聯合作用示意圖

3 石炭系煤層強礦壓控制研究

3.1 開采技術優化

通過對強礦壓顯現機理分析可知，巖體應力為主要礦壓顯現控制因素，較高的構造應力使得強礦壓顯現。為使石炭系煤層開采過程中構造應力減小，本文主要從采掘布置、開采順序兩方面提高開采可靠度[9-10]。煤層開采受地質環境影響較大時，應首先合理布置工作面、選擇較為匹配的開采方式，減少對高應力影響區開采；其次，應合理安排開采順序，優先開采煤層原始應力較低區域；最后應使用煤巖輔助控制措施，減少礦壓顯現程度。

在采掘布置優化方面，通過對四臺礦應力分布測量發現，需將工作面回采巷道方向布置為巷道軸向與主應力夾角小于25°；在開采順序方面，依據應力分布特點與煤巖活動特征，四臺礦應優先開采井田的東西區域，然后開采井田中部，使中部區域煤層的覆巖可以充分活動，降低應力集中程度，提高開采安全可靠性；在煤巖輔助控制措施方面，四臺礦還經常出現水壓致裂的現象，故需進行相關的輔助控制措施。當工作面推進到高應力賦存的煤層區域時，應提前進行壓致裂或預裂爆破措施，使煤巖結構被破壞，提高裂隙發育程度，從而減輕覆巖活動的能量釋放，緩解強礦壓顯現程度。

3.2 支架優化

依據四臺礦石炭系煤層頂板的破斷特征與支架阻力設計方法，選取了ZF15000/27.5/42型液壓支架。液壓支架的額定工作阻力由13 000 kN提升至15 000 kN，通過相關技術實現了高強度液壓支架阻力的充分利用，使頂板控制效果得以提升。

4 結論

（1）四臺礦的強礦壓顯現主要因素為石炭系煤層的開采使得覆巖頂板垮斷，從而影響了煤柱下方的應力區，應力區內積聚的能量釋放，造成頂板失穩，從而造成的強礦壓顯現。

（2）經開采技術優化與液壓支架優化后，四臺礦強礦壓顯現得以有效控制，壓架事故顯著減少。