综放小煤柱工作面矿压显现规律研究.pdf

182020 年第 6 期 收稿日期 2019-12-19 作者简介 马国英（1985-），男，山西吕梁人，采矿工程师， 2010年毕业于重庆大学采矿工程专业， 现从事煤矿技术管理工作。 综放小煤柱工作面矿压显现规律研究 马国英 同煤大唐塔山煤矿有限公司，山西 大同 037000 摘 要 以同煤大唐塔山煤矿有限公司 8204-2 工作面为研究背景，探索了小煤柱工作面强矿压的威胁因素。工程实践表 明，2204-2 巷在采煤工作面过中部落差 5.8m 断层和小断层群影响区域后，巷道变形基本处于稳定可控范围内，表明采用 8m 小煤柱沿空掘巷技术对塔山煤矿特厚煤层综放工作面开采具有较好的适用性，具有推广应用价值。 关键词 综放 小煤柱 矿压 显现 中图分类号 TD323 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.06.007 Study on the Law of Mine Pressure Appearance of Fully Mechanized Small Coal Pillar Working Face Ma Guo-ying （Datong Coal Mine Group Datang Tashan Coal Mine Co., Ltd., Shanxi Datong 037000） Abstract Taking 8204-2 working face of Datang Tashan Coal Mine Co., Ltd. as the research background, the threat factors of strong mine pressure in small coal pillar working face are explored. The engineering practice shows that the deation of 2204-2 roadway is basically in a stable and controllable range after passing through the affected area of 5.8m fault and small fault group in the middle of the working face, which shows that the technology of 8 m small coal pillar driving along the goaf has a good applicability for the mining of the fully mechanized caving face in the extra thick coal seam of Tashan Coal Mine, and has the value of popularization and application. Key words fully mechanized caving small coal pillar mine pressure appearance 我国多数矿井在建井初期往往采用跳采方式， 形成孤岛工作面与边角残余煤体，导致工作面在回 采过程中上覆岩层应力集中度高，对工作面持续安 全、高效开采造成较大影响 [1-2]。 小煤柱综放孤岛工作面开采矿山压力理论研究 方面尚处于基础阶段，只是利用现有的综放采场矿 山压力理论进行相关问题的分析和解释 [3-6]。本文以 同煤大唐塔山煤矿 8204-2 工作面为工程背景，通过 分析工作面回采期间强矿压主控因素和矿压显现规 律，从中掌握小煤柱综放孤岛工作面回采矿压显现 规律和特征，为后续类似小煤柱综放工作面回采矿 压控制和支护参数设计提供理论指导和技术支持。 1 工作面概况 8204-2 工作面位于井田的东南部、二盘区的东 北部，东邻 8202 采空区，西南为 8204 采空区，西 北部为 F13810 断层，东南部为二盘区回风巷。工 作面开采煤层为 35层，煤层平均厚度 15.21m， 煤层倾角 15，地面标高 1471.41573.2m，工 作面标高 9791032m，可采走向长 1600m，倾向 146209m，采用综合机械化低位放顶煤采煤法，全 部垮落法处理采空区。 2 强矿压危险因素分析 针对 8204-2 工作面特殊地质赋存条件，分别从 地质和开采技术因素两方面对各主控影响因素进行 危险性分析。 2.1 地质影响因素分析 （1）地质构造。工作面两顺槽巷在掘进过程 中共揭露正断层 21 条。其中 2204-2 巷揭露 14 条正 断层，落差在 0.15.8m 之间，落差大于 3m 的断层 有1条。 5204-2巷揭露7条正断层， 落差在0.34.1m 之间，落差大于 3m 的有 2 条，如图 1 所示。当掘 进工作面推进至断层附近时，工作面和断层间煤体 应力集中引起断层附近顶板的剧烈运动，释放大量 192020 年第 6 期 能量，导致巷道严重变形，给人员和设备造成安全 风险。 图 1 工作面断层分布图 （2）煤层厚度及其变化。35层为稳定可 采煤层，煤层走向近似东西，属于南高北低的 单斜构造，倾角 13，平均 2，可利用厚度 11.8822.26m，平均厚度 15.21m，如图 2（a）。沿 工作面走向，煤层厚度整体变化表现由厚变薄，再 变厚，其中 5204-2 巷侧煤厚变化程度要大于 2204-2 巷。据相关统计分析，矿压显现程度与煤层厚度及 其变化紧密相关，在煤层厚度突然变薄或者变厚处， 往往伴随着强矿压显现，图 2（b）为工作面煤厚相 对均值变化图。 （a）工作面煤厚分布图 （b）煤厚相对均值变化图 图 2 工作面煤厚分布及煤厚变化图 （3）留底煤厚度。8204-2 工作面煤层厚度大， 整体受 F13810 大断层切割，且局部发育有较多的 小断层，因此，巷道掘进留底煤情况普遍，且局部 底煤厚度较大。在工作面回采过程中，当巷道两侧 的高集中应力传递到底煤区域时，将形成高应力集 中区，在采动应力影响下，巷道底板的平衡状态被 打破，此时易诱发强矿压显现。图 3 为工作面两巷 留底煤厚度图。 （a） 2204-2 巷留底煤厚度图 （b） 5204-2 巷留底煤厚度图 图 3 工作面两巷留底煤厚度图 2.2 开采技术影响因素分析 （1）工作面布局。8204-2 工作面由“里面” 和“外面”两个面组成，成“刀把子”状。“里面” 倾向长度 146m，走向长 1096m；“外面”倾向长 209m，走向长 404m。由于工作面布局不合理，当 工作面回采至“刀把”位置时受超前支承压力影响， 采场及巷道发生应力集中，导致上覆岩层发生不对 称性破断，诱发强矿压显现。同理，受相邻采空区 影响，当工作面回采至临空拐角煤柱前后区域时， 受采空区侧向支承压力和采动应力叠加影响，煤岩 体应力集中程度较高，易诱发强矿压显现。 （2）区段煤柱宽度。2204-2 与相邻 8202 采 空区留设 8m 的隔离煤柱，采用小煤柱护巷技术。 5204-2 巷临空侧煤柱宽度为 671m，由于煤柱形状 不规则且煤柱尺寸较大，在两侧采空条件下，在煤 柱内部将形成弹性核，在高静载和采动动载的双重 作用下，局部煤岩结构失稳极易引发煤柱整体发生 剪切失稳破坏，进而诱发 5204-2 巷强矿压显现。 （3）上覆岩运动。通常认为，工作面基本顶 的初次垮落和“见方”期间工作面压力会急剧升高， 采空区上覆顶板稳定性显著减弱，岩层断裂，运动 加剧，发生强矿压危险的可能性会显著升高。参照 同煤层矿压资料，采用综合类比法预计本工作面基 本顶的初次来压步距为 40m，“里面”见方位置为 采位 146m，“外面”见方位置为采位 209m。 3 矿压显现规律分析 工作面回采过程中，2204-2 巷在实煤区回采阶 段无明显强矿压显现，在临空回采后，尤其在过中 部落差 5.8m 断层及小断层群期间，矿压显现强烈。 因此在 2204-2 巷采位 5401350m 布置监测点，对 202020 年第 6 期 （下转第 23 页） 巷道顶底板移近量进行监测，测点间距 10m；在 5204-2 巷采位 9301350m 布置测点进行监测。工作 面两巷测线布置如图 4，图 5 为回采期间两巷及中 切巷顶底板移近量峰值变化曲线图。 图 4 工作面两巷测线布置图 （a）2204-2 巷顶底板移近量峰值变化图 （b）5204-2 巷顶底板移近量峰值变化图 （c）中切巷顶底板移近量变化图 图 5 回采期间两巷及中切巷顶底板移近量变化曲线图 由图 5（a）可知，2204-2 巷在回采 550780m 期间顶底板移近量峰值普遍偏高，且变化速率较快， 最大变形量达 1.6m，且回采过程中常伴有强矿震发 生，与强矿压危险区域划分结果具有很强的一致性。 表明在此期间受落差 5.8m 断层及小断层群影响强 烈，顶板煤岩层稳定性较差。随工作面继续回采变 形量基本稳定在 0.30.9m，在局部过断层和漏顶期 间移近量会有所增大，相对前期回采危险性均有明 显减弱。表明采用 8m 小煤柱沿空掘巷技术对塔山 煤矿特厚煤层综放工作面开采具有较好的适用性。 由图 5（b）可知，工作面在过第一个不规则煤 柱 采位 9301080m 期间 5204-2 巷变形量基本在 0.61.3m 之间，回采期间巷道顶板下沉较大，局部 底鼓达 0.5m。表明临空侧变化煤柱对 5204-2 巷强 矿压显现起主要控制作用。在回采后期变形量稳定 在 0.20.9m，只有在过小断层或局部漏顶期间变形 量会有所升高。表明后期临空变化煤柱宽度在增加 到一定程度后对巷道顶板维护起到了控制作用。工 作面在回采第二个变化煤柱期间巷道变形规律与第 一个相类似，受面宽和地质条件影响，矿压显现相 对较弱，最大变形量 0.87m。 由图5 （c） 可知， 随工作面回采逐渐接近 “刀把” 位置，中切巷在采动应力和高静载应力叠加影响下， 巷道顶底板移近量逐渐增加，且端部和中部移近量 要明显高于其他位置。在回采至距中切 60m 位置开 始，中切巷变形明显增大，平均变形量由 0.025m 变为 0.126m，与最初相比增量达 4.04 倍。在回采 至距中切 30m 时，变化速率进一步加快，平均变形 量由0.025m变为0.338m， 增量达12.5倍， 此时是 “刀 把”煤柱由稳定向不稳定过渡的临界点。 4 结论 （1）断层构造应力和采动应力叠加是导致 2204-2 巷强矿压显现的主要原因，煤柱宽度变化和 工作面布局影响是导致 5204-2 巷强矿压显现的主要 原因。 （2）工作面在回采至距“刀把”60m 位置开始， 中切巷变形开始急剧增长，此时是“刀把”煤柱由 稳定向不稳定过渡的临界点。 （3）据现场观测，强矿压地质影响因素排序 由高到底依次为断层、区段煤柱宽度、留底煤厚度、 煤厚变化，技术因素排序为工作面布局、覆岩运动。 （4） 工程实践表明2204-2巷在过中部落差5.8m 断层和小断层群影响区域后，巷道变形基本处于稳 定可控范围内，表明采用 8m 小煤柱沿空掘巷技术 对塔山煤矿特厚煤层综放工作面开采具有较好的适 用性，具有推广应用价值。 【参考文献】 ［1］ 杨建新 . 特厚综放孤岛工作面矿压显现及合理煤 柱留设研究 [D]. 安徽理工大学，2018. 232020 年第 6 期 4 工程应用效果 4.1 水力压裂裂隙扩展效果 经过为期 3d 的现场施工，上覆坚硬顶板水力 致裂成套设备均能正常运行和使用。对 8703 切巷 靠近 16支架孔的压裂情况进行观测，确定水力压 裂裂缝的扩展半径约为 1318m，裂隙扩展程度较 高，水力压裂施工效果较好。16支架孔注水前与 注水后孔内裂缝对比图如图 3 所示。 图 3 16支架孔注水前与注水后孔内裂缝对比图 4.2 顶板冒落效果 在对坚硬顶板采用水力压裂施工工艺后，对工 作面初采期间的顶板冒落情况进行监测。在工作面 推进至 10m 时，巷道直接自工作面中部向两端持续 垮落，工作面推进至 16m 时，基本顶出现垮落，在 6 天内基本顶垮落完成。顶板垮落表现为分层、分 次及时垮落，在整个垮落周期，工作面基本顶初次 来压步距约为 25m，矿压显现强度较低，工作面未 产生剧烈的震动现象，围岩稳定性得到了有效的控 制，实现了安全回采的目标。 5 结语 坚硬顶板强度高、整体性强、随工作面推进难 以及时垮落的特点是造成矿井强烈冲击地压的重要 因素之一。针对 8703 工作面顶板进行了水力压裂 弱化处理，顶板冒放性大大提高，工作面矿压显现 程度明显降低。此外，在对顶板进行水力压裂后， 积聚在煤岩体内部的游离瓦斯得到较好的释放，在 一定程度上避免了瓦斯积聚超限现象。水力压裂技 术在煤峪口煤矿 8703 工作面顶板治理中取得了较 好的应用效果，为矿井处理类似问题提供了一定的 借鉴与参考。 【参考文献】 ［1］ 任建慧 . 水力致裂弱化坚硬顶板井下试验研究 [J]. 内蒙古煤炭经济，2014（09）110140. ［2］ 杨胜利 . 定向水力压裂弱化坚硬顶板技术应用研 究 [J]. 山东煤炭科技，2015（04）163-165. ［3］ 刘宏鹏 . 综放工作面顶板及上覆煤柱水力预裂卸压 技术研究 [J]. 江西煤炭科技，2019（02）82-85. ［4］ 杜江涛 . 水力预裂超前切顶卸压治理巷道动压技 术 [J]. 江西煤炭科技，2019（02）77-7885. ［5］ 冯晋红 . 煤巷切顶护巷技术的应用与实践 [J]. 煤， 2016，25（02）34-35. （上接第 17 页） （3）高水材料充填墙体有效地控制了留巷顶 板活动，留巷空间稳定，巷道变形量小，能够满足 生产需求，为其他复杂顶板条件下综采放顶煤沿空 留巷稳定控制技术的推广提供了一定的理论指导。 【参考文献】 ［1］ 杨朋，华心祝 . 深井大断面沿空留巷底板裂隙分 形特征动态演化规律试验研究 [J]. 岩土力学， 2017，38（01）351-358. ［2］ 余明高，李龙飞，褚廷湘，等 . 瓦斯抽采下沿空 留巷工作面采空区漏风机制研究 [J]. 安全与环境 学报，2016，16（02）108-113. ［3］ 康红普，姜鹏飞，蔡嘉芳 . 锚杆支护应力场测试 与 分 析 [J]. 煤 炭 学 报，2014，39（08）1521- 1529. ［4］ 何团，黄志增，李春睿，等 . 特厚煤层综放工作 面侧向煤体应力时空演化特征 [J]. 采矿与安全工 程学报，2018，35（01）100-105. ［5］ 和树栋，张轶，刘威 . 沿空留巷技术研究现状与 展望 [J]. 现代矿业，2016，3（03）6-10. （上接第 20 页） ［2］ 谭志文 . 孤岛综放面矿压规律及小煤柱回采巷道 围岩控制技术研究 [D]. 中国矿业大学，2016. ［3］ 窦林名，何烨，张卫东 . 孤岛工作面冲击矿压危 险及其控制 [J]. 岩石力学与工程学报，2003，22 （11）1866-1869. ［4］ 何烨，才庆祥，窦林名，等 . 济宁二号矿孤岛 工作面冲击矿压危险及其控制 [J]. 岩土力学， 2003，22（S2）593-596. ［5］ 曹安业，井广成，窦林名，等 . 孤岛面开采强矿 震异常区的被动声波探测技术及应用 [J]. 采矿与 安全工程学报，2015（01）20-27. ［6］ 李振雷，窦林名，王桂峰，等 . 坚硬顶板孤岛煤 柱工作面冲击特征及机制分析 [J]. 采矿与安全工 程学报，2014，31（04）519-524.