上覆遗留不规则煤柱影响下回采工作面防冲技术研究

李根喜

(河南大有能源股份有限公司千秋煤矿,  河南 义马  472300)

摘要:MZ103工作面受2-1煤采空区遗留煤柱和F3-5断层构造应力影响，回采期间两顺槽矿压显现明显，微震事件频发，严重制约矿井安全生产｡为确保工作面回采安全，在分析遗留煤柱和断层对工作面冲击危险影响因素的基础上，通过采取“六位一体”综合治理措施，重点在强监测、强卸压、强支护等方面进行针对性防治，经效果检验及现场监测数据分析，该技术研究可有效降低工作面前方应力集中，确保巷道围岩处于低应力状态，可有效缓解冲击风险，实现工作面安全回采。

关键词:遗留煤柱;断层;应力集中;综合防治

0前言

留设煤柱一直是煤矿中传统的护巷方法，如留设一定宽度的区段煤柱，使新开工作面巷道避开固定支承压力峰值区，但留设的煤柱会导致煤柱正上方形成应力集中，在临近煤柱区为破碎区-应力降低区，即在煤柱边缘是强应力剪切区-煤柱危险区。对于MZ103工作面，由于上覆2-1煤已回采完毕，这些采空区分割煤层形成多个煤柱。采空区上方悬露覆岩载荷向煤柱上转移，导致煤柱普遍处于高应力状态，在回采中受到超前支承压力影响后冲击危险性会进一步增大。笔者通过分析MZ103工作面四邻关系,煤柱和断层影响因素等,提出采用“六位一体”综合治理措施,对煤柱实施针对性治理措施,消除工作面前方应力集中,该技术可作为煤柱影响条件下采煤工作面安全开采的依据。

1 工作面概况及四邻关系

MZ103工作面主采煤层2-3煤，平均煤厚7.25m，采高2.6m。倾斜长度为280m；上巷沿煤层底板布置，全长802m；下巷沿煤层底板布置，全长797m。地面标高525.3m~560.4m，平均543m，工作面标高182.4m~267.5m，平均225m，平均埋深318m，可采储量173万吨。采用综合机械化放顶煤采煤，全部垮落法管理顶板。截止目前，MZ103上巷累计推采167.4m，下巷累计推采173.4m。

图 1  MZ103回采工作面平面示意图

2 采空区和煤柱冲击危险性分析

MZ103工作面上方为2-1煤层，该煤层与MZ103工作面所在的2-3煤层之间距离为1.9m～10m，2-1煤层开采形成的采空区和煤柱对MZ103工作面冲击地压存在影响。

2.1煤层采空区煤柱

2-1煤层开采后形成的遗留煤柱（主要为区段煤柱）将独自承受来自上覆悬露岩层的重力，同时，将应力传递至下方2-3煤层，导致被遗留煤柱影响区域应力集中程度较大，如下图2所示。2-3煤层在2-1煤层采空区下开采时要避开2-1煤层遗留煤柱影响区域，否则存在发生冲击地压的可能。

图 2  上层煤柱下方煤层应力分布示意图

2.2 2-1煤层采空区边缘区域

2-1煤层开采后，采空区周围区域分布侧向支承压力，该支承压力影响区域存在较大应力集中，特别是峰值区域，采空区侧向支承压力向下方2-3煤层传递，在影响区域内部煤体应力升高，如果将巷道布置在此会导致开掘后的煤壁应力与传递应力相叠加，使该巷道煤壁的应力水平显著增高，采掘过程中可能会发生冲击地压。2-3煤层在2-1煤层采空区下开采时要避开2-1煤层边缘影响区域，否则存在发生冲击地压的可能。根据MZ103工作面上方2-1煤层采空区分布和遗留煤柱留设情况，得到MZ103受影响导致冲击危险区如图3中阴影标注区域。

图 3  2-1煤层采空区和煤柱在MZ103工作面导致的冲击危险区示意图

3 断层构造

对MZ103工作面冲击地压有影响的断层主要为F3-5断层（落差0.6m~2.5m）断层活化是岩层运动的一种特殊形式，断层处岩层的不连续性导致断层本身的不稳定性，在高应力作用下，断层比完整岩层先行运动。随着工作面的推进，采动应力影响范围不断向前发展，当到达断层影响区域后，断层本身构造应力与采动应力应力叠加，此时，断层与工作面中间位置为应力叠加高峰区，如果断层本身能够积聚能量，则叠加后的应力高峰区位置同样容易积聚较大能量。当满足冲击条件时，可能诱发冲击地压。

4综合防治设计

4.1监测预警

4.1.1 微震监测

矿井采用ARAMIS微震监测系统对冲击地压进行区域监测，MZ103工作面回采期间微震监测点布置要实现对超前影响区域的有效包围。布置微震监测站4个，相邻监测站间距不大于500m，当监测站距工作面不足100m时及时挪移。

4.1.2 应力监测

（1）监测范围

监测区域为回采工作面前方不小于300m范围（岩巷段及无冲击地压危险区无需进行应力监测）。

（2）布置参数

利用煤体应力监测系统对工作面应力变化情况进行实时监测，每组两个监测点，同一监测组内相邻测点沿巷道走向间距不大于2m，监测点埋深分别为12m、18m。MZ103上、下巷相邻监测组沿巷道走向间距不大于30m（岩巷中不安装）；煤柱区运输下山相邻监测组沿巷道走向间距不大于30m（煤柱区回风下山为岩巷，不安装），超前300m前完成安装。上、下巷应力监测点随工作面推采及时撤点前移。

（3）应力初始打压值

压力传感器安装后应及时注油打压，应力计初始值不小于5Mpa。

（4）应力预警临界指标初值

设置预警指标为：浅孔8MPa、深孔10MPa；24小时应力计增值达到2MPa以上或任意两个应力计增值达0.5MPa以上。

4.2卸压措施

4.2.1 卸压钻孔

MZ103工作面回采期间卸压在掘进期间预卸压基础上进行。回采卸压钻孔超前工作面施工距离不少于300m，两帮施工，岩巷段及无冲击地压危险区不施工。弱冲击地压危险区孔间距不大于3m，中等冲击地压危险区孔间距不大于2m，卸压孔孔径≥120mm，钻孔距底板距离0.5m~1.5m。钻孔深度：≥25m。卸压钻孔布置示意图如图4所示。

图 4  MZ103工作面巷帮钻孔布置示意图

4.2.2  2-1煤区段煤柱和采空区边缘影响的煤巷防治方案

对2-1煤区段煤柱和采空区边缘影响的煤巷采取大直径卸压措施，上巷工作面侧巷帮施工，间距2m，孔径≥120mm，孔深≥25m，孔口距底板0.5m~1.5m，倾角-5°～3°。下巷两帮施工，孔间距、孔径、孔深、孔口距底板距离同上巷，上帮钻孔倾角8°～13°，下帮钻孔倾角-5°～3°。卸压钻孔施工要求在距离工作面300m前进行。此外，还要做好监测，加强支护，加强人员管理。

4.2.3  工作面过F3-5断层防治方案

MZ103工作面推采期间穿越F3-5断层，穿越期间加强冲击地压防范。

（1）加强工作面两侧巷道超前强支护，同时注意支护的整体性。

（2）与断层保持一定夹角，避免工作面一次大范围采割断层煤。

（3）对双巷断层区域煤体应力加强监测和数据分析，发出预警时果断卸压。

（4）加强断层区域巷道人员管理，并悬挂警示牌，通过时快速通过，严禁逗留。

（5）支架要带压操作，及时拉超前架，正确使用好前梁和护帮板对顶、帮及时支护。

（6）若出现片帮应及时拉移超前架，伸出伸缩梁和护帮板，缩小面前空顶。

4.3加强支护

MZ103工作面上下巷均采用全断面锚网（索）架36U-6.0m三心拱可缩性支架配合液压抬棚复合支护，棚距0.8-1.2m,净断面18.5m2。在各重点冲击危险区域采取增强支护强度，提高抗冲击能力。

（1）MZ103上巷超前支护

上巷替换棚段采用ZT2×4000/23/50型巷道支架进行加固，巷道支架顺上巷两侧布置，上帮布置4架，下帮布置4架。替换棚段向外顺巷道中心在36U拱型支架梁下打一排连续液压抬棚加固，上巷超前支护不低于150m。

（2）MZ103下巷超前支护

下巷顺转载机两侧各布置一排ZT2×4000/23/50型巷道支架进行加固，上帮2架，下帮3架。转载机以外顺巷道中心在36U拱型支架梁下打一排连续液压抬棚加固，下巷超前支护不低于300m。

5主要结论

1.分析MZ103工作面开采技术条件､2-1煤遗留煤柱分布、断层影响因素,综合确定了冲击地压高风险区域｡

2.通过监测预警、综合卸压、强力支护，确保了工作面安全回采｡

3.在采取综合卸压措施后,煤层上覆2-1煤遗留煤柱应力集中程度被弱化,结构强度减弱,能量聚集程度得到缓解,工作面具备安全生产条件｡

4.回采期间的监测数据显示,工作面前方150m范围内仍是冲击地压管控的重点，需要在工作面超前应力影响区域持续采取强卸压措施。

参考文献

[1]庞新现,陈本华.孤岛工作面冲击地压综合防治技术与实践[J].煤矿现代化,2017(05):47­48+51.

[2]李文,魏辉,段大勇.不规则孤岛工作面冲击地压防治技术及其应用[J].煤炭技术,2016,35(11):11­13.63

李根喜(1988年2月出生),男,河南义马人,本科学历,现从事冲击地压防治工作

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