近距离煤层房柱采空区下长壁开采_庞立宁.pdf

矿矿山山压压力力与与灾灾害害控控制制 近距离煤层房柱采空区下长壁开采 动压灾害防治技术研究 庞立宁1， 2，汪月伟3，安帅3， 4，张喜3， 4，温新明3， 4，李国斌3， 4 1. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013; 2. 煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013; 3. 中煤集团 山西华昱能源有限公司，山西 朔州 036900; 4. 山西朔州山阴金海洋元宝湾煤业有限公司，山西 朔州 036900 ［ 摘 要］针对近距离煤层房柱式采空区条件下长壁开采中容易发生顶板大面积突然垮落进而 造成强动压灾害的问题，以元宝湾煤矿为研究现场，采用数值模拟手段分析了上覆 4 号煤房柱采空区 突然大面积垮落的可能性，提出了以爆破联合分段定向水压致裂为主要防治手段、以微震监测系统为 主要监测手段的顶板动压灾害防治一体化技术，取得了良好的经济和社会效益，并为类似矿井的安全 回采提供了实践参考。 ［ 关键词］近距离煤层; 房柱采空区下; 强动压灾害; 分段定向水压致裂; 微震监测 ［ 中图分类号］ TD324［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201806- 0089- 05 Studying of Dynamic Pressure Disaster Control Technology of Longwall Mining under Room and Pillar Goaf with Close Distance Coal Seams PANG Li- ning1， 2，WANG Yue- wei3，AN Shuai3， 4，ZHANG Xi3， 4，WEN Xin- ming3， 4，LI Guo- bin3， 4 1. Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China; 2. Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 3. Shanxi Huayu Energy Co. ，Ltd. ，Zhongmei Group，Shuozhou 036900，China; 4. Shanxi Shuozhou Shanyin Jinhaiyang Yuanbaowan Coal Mine Co. ，Ltd. ，Shuozhou 036900，China Abstract To strengthen dynamic pressure disaster that induced by large area roof collapse during longwall mining under room and pil- lar goaf with close distance coal seams，it taking Yuanbaowan coal mine as studying field，and then possibility of room and pillar goaf collapsed suddenly of upper No. 4 coal seam，so roof dynamic pressure disaster control integrated technology was put forward，which include the main control technology of blasting and sectional directional hydraulic fracturing，the main monitoring of micro seis- mic monitoring system，and achieved good economic and social benefits，and it referenced for similar situation. Key words close distance coal seams; under room and pillar goaf; strengthen dynamic pressure disaster; sectional directional hy- draulic fracturing; micro seismic monitoring ［ 收稿日期］ 2018－05－20［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 06. 021 ［ 基金项目］ 国家自然科学基金面上项目 多因素耦合作用下厚煤层大采高综采面极限开采强度确定方法研究 51474128 ;国家自然科学 基金青年科学基金项目 基于浅埋深采场岩层破坏时间效应的顶板切落演化时空序列研究 51604152 ［ 作者简介］ 庞立宁 1990－ ，男，河北临城人，硕士，助理工程师，从事矿山压力与控制方面研究。 ［引用格式］ 庞立宁，汪月伟，安帅， 等 . 近距离煤层房柱采空区下长壁开采动压灾害防治技术研究［J］．煤矿开采， 2018， 23 6 89－93. 过去，由于煤炭产业结构不合理、开采工艺和 机械设备落后，很多煤矿均采用落后的 “房柱式” 或 “残柱式”打眼放炮采煤方法，以掘代采，采 掘不分，在很多矿区诸如朔州矿区、大同矿区、神 府矿区、鄂尔多斯矿区等遗留下了大量的房柱式采 空区，这些遗留房柱采空区为下层煤 尤其是层 间距比较小时的安全回采造成了极大安全威胁。 如石圪台煤矿房柱采空区下 31201 工作面受强动压 影响，造成 112 个支架被压死 ［1 ］; 大柳塔煤矿活鸡 兔井 21303 工作面上覆房柱采空区顶板突然大面积 垮落形成飓风，造成大量支架压死并将工人吹至空 中 ［2 ］; 同生安平煤矿 8117 工作面上覆 4 号煤采空 区顶板突然大面积垮落造成 19 人死亡 ［2 ］。本文针 对近距离煤层房柱式采空区条件下长壁开采中容易 发生顶板大面积突然垮落进而造成强动压灾害的问 题，以同生安平煤矿相邻的元宝湾煤矿 6105 工作 面为研究现场，进行了近距离煤层房柱采空区下长 壁开采动压灾害防治技术研究 ［3－7 ］。 1工作面开采条件 元宝湾煤矿为兼并重组整合矿井，在整合前， 原矿井在 1985 年 1 月至 2008 年，采用房柱式开采 方式对 4 号煤层进行了大范围回采，形成大量房柱 式采空区。实测采空区内巷道宽度为 2. 5 ～ 3. 2m， 高为 2. 6m 左右，围岩 煤体较完整，遗留的采 空区宽度为 7 ～ 30m、高度为 6 ～ 9m、长度为 30 ～ 98 第 23 卷 第 6 期 总第 145 期 2018 年 12 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 6 Series No. 145 December2018 ChaoXing 60m，4 号煤房柱采空区顶板大多比较完整，仅部 分地段出现冒落。6105 工作面为元宝湾煤矿整合 后的第 1 个回采工作面，埋深 180m，工作面长 240m、推进长度为 932m，煤层倾角平均 4，煤层 厚度 3. 4m，储量 1Mt，与 4 号煤房柱采空区层间 距为 16. 6m，工作面分布及其上覆 4 号煤采空区分 布情况如图 1 所示 图中不规则阴影区域为上覆 4 号煤未冒采空区 ，钻孔柱状图如图 2 所示。 图 1 6105 工作面位置及上覆采空区分布 图 2 6105 工作面煤层综合柱状 6105 工作面顶板岩性为粗砂岩、细砂岩、砂 质泥岩、泥岩，其中粗砂岩层和细砂岩层的单轴抗 压强度分别为 76. 15MPa 和 87. 06MPa，上覆 4 号 煤单轴抗压强度为 21. 7MPa，房柱采空区砂岩顶板 单轴抗压强度为 81. 09MPa，属于比较坚硬岩层。 24 号煤房柱采空区顶板突然大面积垮落数值模拟 为了模拟在不对 6 号煤上覆 4 号煤房柱采空区 顶板进行处理的条件下，在 6 号煤层推进过程中， 4 号煤顶板是否会发生大面积突然垮落，同时也为 了得到近距离煤层房柱式采空区下长壁开采采场顶 板力学结构，根据元宝湾煤矿 6105 工作面实际赋 存条件，建立 3DEC 数值模型尺寸长 200m，6 号煤 层采厚 3. 4m，其上的 4 号煤层厚 6. 1m，煤层间距 为 16m。模型的边界条件为 左右两侧限制了水平 方向的位移，底端固定，模型上方有 4MPa 的等效 上覆围岩压力，并考虑了模型本身重力的影响，如 图 3 所示。 图 3数值模型及边界条件 6105 工作面回采过程中，6 号煤层顶板及上覆 4 号煤房柱采空区顶板的垮落情况如图 4 所示。 图 46105 工作面回采过程中顶板破坏区演化过程 09 总第 145 期煤矿开采2018 年第 6 期 ChaoXing 从图 4 中可以看出 在下层 6 号煤回采前，其 上 16m 位置处的 4 号煤房柱采空区内存在大范围 的悬顶，最大悬顶可以达到 50～60m; 工作面回采 至 15m 时，6 号煤层工作面上方直接顶板出现离 层，而 4 号煤房柱采空区顶板没有发生离层破断; 当工作面回采至 30m 时，6 号煤层工作面上方顶板 离层更加明显，而 4 号煤层房柱采空区顶板依然没 有发生离层破断; 当工作面回采至 45m 时，6 号煤 层工作面上方顶板发生了弯曲下沉并破断，工作面 发生初次来压，4 号煤层房柱采空区直接顶板也发 生了大的离层; 工作面推进至 58m 时，4 号煤层房 柱采空区直接顶板发生了大面积的垮落，当工作面 推进至 60m 时，4 号煤层房柱采空区上方的厚砂岩 顶板突然发生了大面积垮落，对 6 号煤层工作面造 成了强动压。由此可以得出 如果不对上覆 4 号煤 采空区顶板进行弱化处理，在下层 6 号煤工作面回 采过程中会发生上覆房柱采空区顶板的突然大面积 垮落，产生强动压危害。 通过图 4 e可以看出，在 6105 工作面回采 过程中，其直接顶岩层左端已经断裂破坏，形成左 端悬空，右端固定的下位悬臂梁，直接顶上方的基 本顶岩层，由于距离煤柱的距离较远，下方的破坏 对其影响不是很大，整个破坏区形成了一个拱形结 构，基本顶岩层只是出现了小范围的损伤区，可以 把其看做为两端固定的上位固定梁，因此在房柱采 空区下长壁开采时，其上覆岩层顶板呈现 “下位 悬臂－上位固定”的叠合梁结构 ［8－10 ］。 36105 工作面顶板动压灾害防治一体化技术 3. 1本煤层顶板动压灾害爆破防治技术 为避免 6105 工作面初采期间采空区大面积悬 顶突然垮落进而发生动压灾害事故，回采前采用切 眼内深孔爆破技术进行强制放顶。为保证垮落后的 顶板能够充满采空区，根据公式 Hx ξ H C H x， 确定人工处理顶板高度为 11. 2m。通过 ANSYS 数 值模拟软件分析了装药不耦合系数为 1. 2，1. 3， 1. 5，1. 7 时炮孔附近的裂隙发育情况，如图 5 所 示，发现不耦合系数为 1. 3 时，炮孔附近裂隙发育 情况最好，此时裂隙区半径为 2. 64m，结合元宝湾 煤矿现有钻孔机具的实际条件，选用直径为 65mm 的钻头，确定现场炮孔间距为 5m，选用规格为 50mm500mm、质量 1kg/卷的矿用 3 号粉状乳化 炸药。 通过以上参数， 确定了6105工作面切眼内强 图 5不同耦合系数时炮孔附近的裂隙发育情况 制放顶技术方案。切眼内炮眼为单排眼 、“一”字 型倾向布置，眼距为 5m，共 49 个孔，炮眼距采空 区侧煤帮 2. 5m，炮眼深度为 13m，封孔 5m，孔径 65mm，仰角 60，与切眼方向平行;另外在工作 面上下隅角各布置 2 个钻孔。炮孔具体布置如图 6 所示。 图 6 6105 工作面切眼内炮孔布置 爆破实施完毕后，通过现场观测发现，切眼内 爆破孔之间的拉裂线明显，炮孔与炮孔之间被爆破 产生的裂隙贯通，破坏了 6105 工作面顶板的结构。 工作面推进至 35m 时，发生初次来压，支架后方 顶板垮落充分，说明深孔爆破强制放顶技术取得了 较好的效果。 3. 2上覆 4 号煤采空区顶板突然大面积垮落动压 灾害防治技术 通过 4 号煤房柱采空区顶板突然大面积垮落数 值模拟结果可知，如果不预先对上覆 4 号煤房柱采 空区内悬顶进行处理，在 6105 工作面回采过程中 会发生动压灾害事故，因此需对 4 号煤采空区顶板 进行预弱化处理。由于 4 号煤老巷已经密闭，采空 区内无法进入，需从 6 号煤向 4 号煤采空区顶板打 钻进行弱化，考虑到这些钻孔穿越 4 号煤采空区， 19 庞立宁等 近距离煤层房柱采空区下长壁开采动压灾害防治技术研究2018 年第 6 期 ChaoXing 采用爆破手段时可能会引爆采空区内有害气体，发 生安全事故，因此采用分段定向水压致裂技术手段 对 4 号煤顶板进行弱化处理。 根据现场试验，发现水压致裂半径为 8m 左 右，由此确定致裂孔间距为 15m，每组 2 个致裂 孔，分别为 1 号孔、2 号孔，倾角分别为 45， 60，孔深分别为 45m，37m，用开槽钻在每个钻 孔内厚岩层区域进行切缝开槽，用封隔器进行封 孔，实现对厚岩层的分段致裂，水压致裂孔布置平 剖面如图 7 所示。由于之前在 4 号煤老巷对 4 号煤 顶板进行了爆破弱化，故该区域下方不再需要布置 水压致裂孔。 图 7 6105 工作面两巷内水压致裂孔布置 水压致裂过程中能观测到隔壁孔、煤帮、巷道 顶板的渗水情况，这说明水压致裂在顶板内产生了 新的裂隙并将裂隙进行了导通，另外在工作面生产 过程中也监测到地表的大裂隙和沉陷，地表裂隙和 沉陷区域超前于工作面，并且与水压致裂范围相符 合，超前工作面的地表裂隙和沉陷情况如图 8 所 示，说明针对 4 号煤顶板的定向水压致裂技术取得 了较好的效果。 3. 3顶板突然大面积垮落动压灾害监测和预警体系 微震监测系统的主要功能是能对工作面范围进 行强矿压和顶板垮落的即时预测预报，是一种区域 性监测方法。系统自动记录微震活动，实时进行震 源定位、微震能量计算和防治措施评估，为评价全 工作面范围内的强矿压和顶板大面积突然垮落提供 依据 ［11 ］。当监测到工作面前方 4 号煤采空区顶板 没有发生垮落时，需对该区域顶板再次进行弱化处 理，即起到预警作用; 当监测到工作面前方 4 号煤 顶板发生垮落时，即起到了定向水压致裂效果监测 作用。 图 8超前工作面的地表沉陷情况 为了监测 4 号煤采空区顶板的垮落情况，在 6105 工作面周围布置了 7 个微震探头，分别安装 在 6105 主 运 巷 387m，586m，757m、辅 运 巷 262m，436m，637m，6106 辅运巷与切眼交叉口 处。 通过监测分析，发现 6105 工作面前方出现大 量的微震事件，如图 9 所示 图中红色圆点表示 能量＞1000J 的微震事件，蓝色圆点表示能量在 100 ～1000J 的微震事件，绿色圆点表示能量＜100J 的 微震事件。黑色粗实线表示工作面推进度为 250m 位置 ，超前工作面 100m 范围内的 4 号煤顶板已 部分垮落，而该垮落范围基本与水压致裂区域范围 相吻合，水压致裂对该部分 4 号煤顶板、4 号煤进 行了弱化，在矿压的作用下，该区域的 4 号煤顶板 发生了垮落。垮落区域主要集中在 4 号煤顶板上方 0～50m 之间。这说明针对 4 号煤采空区顶板的定 向水压致裂技术取得了预期效果。 4应用效果与经济效益 在 6105 工作面切眼内实施的深孔爆破强制放 顶技术和在 6105 工作面两巷内实施的针对 4 号煤 房柱采空区顶板的定向水压致裂技术均取得了良好 效果，避免了回采期间顶板突然大面积垮落和动压 灾害的发生，使得 1Mt 煤安全采出，创造了近 3 亿 元的经济效益，同时也对其他矿区类似工作面的安 29 总第 145 期煤矿开采2018 年第 6 期 ChaoXing 图 9微震事件分布 全回采提供了实践参考。 5结论 1通过数值模拟分析发现，如不对上覆 4 号煤采空区顶板进行弱化处理，在下层 6 号煤工作 面回采过程中会发生上覆房柱采空区顶板的突然大 面积垮落，产生强动压危害。 2在 6105 工作面切眼内进行了深孔爆破强 制放顶，取得了良好的效果工作面推进至 35m 时，发生初次来压，支架后方顶板垮落充分。 3在 6105 工作面两巷内向 4 号煤房柱采空 区顶板打钻进行了定向水压致裂，使得工作面回采 过程中 4 号煤采空区顶板超前工作面发生了垮落， 避免了动压灾害事故的发生。 4在 6105 工作面安装了微震监测系统，实 时监测了上覆 4 号煤采空区顶板的垮落情况，对工 作面的安全回采提供了监测和预警作用。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 尚晶志，付兴玉，李凤明，等 . 房式采空区集中煤柱下动载 矿压灾害防治技术 ［J］． 煤矿开采，2016， 21 3 112－116. ［ 2］ 付兴玉 . 房式采空区下伏煤层开采动压灾害发生机理及其控 制 ［D］． 北京 煤炭科学研究总院，2016. ［ 3］ 冯彦军，康红普 . 定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验 ［J］． 岩石力学与工程学报，2012，31 6 11148－1155. ［ 4］ 李浩荡，杨汉宏，张斌，等 . 浅埋房式采空区集中煤柱下 综采动载控制研究 ［J］． 煤炭学报，2015，40 S1 6－11. ［ 5］ 鞠金峰 . 浅埋近距离煤层出煤柱开采压架机理及防治研究 ［D］． 徐州 中国矿业大学，2013. ［ 6］ 付兴玉，李宏艳，李凤明，等 . 房式采空区集中煤柱诱发动 载矿压机理及防治研究 ［J］． 煤炭学报，2016，41 6 1375－1383. ［ 7］ 鞠金峰，许家林 . 浅埋近距离煤层出煤柱开采压架防治对策 ［J］． 采矿与安全工程学报，2013，30 3 323－330. ［ 8］ 管增伦 . 老窑复合采空区下煤层安全开采技术研究 ［J］． 中 国煤炭，2017，43 9 51－54. ［ 9］ 解兴智 . 浅埋煤层房柱式采空区下长壁开采覆岩活动规律研 究 ［D］． 北京 煤炭科学研究总院，2013. ［ 10］ 顾铁凤. 房采采空区上方近距煤层反程序开采数值仿真 ［J］． 煤矿开采，2011，16 1 32－35. ［ 11］ 夏永学，潘俊锋，王元杰，等 . 基于高精度微震监测的煤岩 破裂与应力分布特征研究 ［J］． 煤炭学报，2011，36 2 239－243. ［责任编辑 潘俊锋］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 76 页 ［ 8］ 谢和平，周宏伟，王金安，等 . 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