近距离煤层煤柱及采空区下综采工作面矿压规律研究

朱云龙

摘 要：对浅埋近距离综采工作面过上覆房采采空区和集中煤柱时易发生动压事故，并导致大面积切顶压架事故的问题，该煤层开采引起覆岩变形破坏、岩体弹性能聚集造成冲击式来压和压架机理、地表移动规律和井下矿压规律关系等进行了研究，针对性地采取了残留煤柱爆破放顶卸压、地面钻孔注砂充填煤房和合理控制采高等控制和预防措施，实现了工作面的安全高效生产。

关键词：煤层；房柱式采空区；事故

随着我国煤矿开采深度的逐渐增加，许多矿井上部煤层已开采殆尽，面临着上下层开采问题。当煤层间距较小时，上部煤层的采动会对下煤层顶板造成一定范围的损伤影响，导致下煤层工作面在上部采空区和遗留煤柱的影响区域内出现应力集中、矿压显现剧烈等情况，影响了下煤层的生产安全。顶板不易形成稳定的结构，基本顶破断运动有可能直接波及地表，工作面出现明显动载现象；顶板破断易于出现台阶下沉，严重时有可能造成压架事故；上覆煤层的残留煤柱形成较大的应力集中，可能突然失稳，或造成冲击式来压，对下部近距离煤层综采顶板管理造成安全隐患。本文采用相似材料模拟、数值模拟、现场井上下实测方法，以该煤矿煤层首采长壁综采工作面为研究对象，研究下部煤层综采工作面开采后顶板的垮落特征、上部煤层残留煤柱的破坏规律以及对下层煤工作面的影响等，为房柱式采空区下近距离煤层综采工作面顶板控制和支护参数的合理确定提供依据。

一、煤层开采模拟试验

本试验采用平面模型，模型模拟试验表明：当工作面推进38.4 m时，层间岩层下分层突然发生离层垮落，离层面范围为33.6 m，工作面继续推进，层间岩层基本在架后随采随冒，煤层煤柱与层间岩层一起垮落充填采空区。当工作面推至67.2 m 时，基本顶离层并下沉，直接作用煤柱上，形成稳定的砌体梁结构，垮落层厚达8m，为工作面初次来压。工作面初采期间，顶板的周期来压步距、强度较大。工作面正常推进期间，上覆岩层依次周期性下沉，周期来压平均步距10m，当支架支撑力小时，有出现台阶下沉现象。基本顶垮落很快波及地表，地面呈现整体下沉。煤柱破坏失稳造成冲击式来压和压架机理近距离煤层房柱式采空区下长壁综采，存在的主要安全隐患：上方煤柱支撑应力对下层煤工作面及回采巷道形成较大的应力集中；受采空区、煤柱的影响，煤柱支承应力与顶板运动垮落形成叠加，失稳突然，造成顶板局部突然切顶冒落；应力集中引起大面积煤柱失去支撑能力，引发冲击矿压。基于对煤柱底板能量分布规律进行理论分析和数值计算研究。以岩体弹性能作为研究对象，岩体的弹性能可用形状变形能Ef和体积变形能EV 表示，假设应力超过岩体的强度极限取决于形状改变聚集的能量Ef，则动力冲击的初始动能取决于岩体的体积改变聚集的能量EV。形状变形能Ef和体积变形能EV计算公式为：

现场实测表明：在工作面推进过程中，局部小范围支架在顶板来压前后短时间内应力骤增，活柱下缩量增大，出现满载现象，造成支架被压死，移架极为困难。在工作面回风巷道上方煤柱上的应力集中，造成压垮巷道顶板，发生切顶冒落事故，冒落长度达40m，顶板周期来压破断在煤柱的边缘，且煤柱正好位于支架上方，由于周期来压强度本来很大，再加之煤柱的集中应力使得煤层顶板直接切落，造成支架被压死，应进一步弄清上方煤柱与下层煤工作面之间的位置关系，在顶板来压前采取相应的防范措施。

二、首采综采工作面控制顶板的技术措施和矿压规律观测

1、首采综采工作面控制顶板的技术措施。根据相似材料试验和数值模拟研究结论，煤层首采综采工作面开切眼上方 房柱式采空区采取了如下措施：

在上方煤柱风化严重区域，有发生突然冲击式大面积破坏的可能性，为保证顶板初次来压期间的顶板控制，在确保进入房柱式采空区实施爆破作业安全的前提下，在工作面初采前，沿工作面推进方向20～30 m 范围内的煤层遗留煤柱进行爆破，放顶卸压，以防止工作面初放期间煤柱突然失稳造成顶板冲击式来压。

2、首采综采工作面地表移动规律实测。煤层首采综采工作面开采引起地表移动和下沉具有以下特点：

（1）由于煤层遗留煤柱风化严重，许多煤柱已经失去支撑能力，在爆破放顶后造成顶板大面积垮落，地面形成长220 m、宽100 m 塌陷区，爆破取得了很好的卸压效果。

（2）在正常推进阶段，地表裂縫一般要经过以下阶段：首先在工作面前方20～30 m 出现一系列裂纹，裂纹方向基本与工作面平行；随着工作面推进约为1 个周期来压步距，地表出现迅速的台阶下沉，最大下沉量接近1 m；随着工作面继续推进，台阶落差逐渐减小，地面裂缝自行闭合。从地表裂缝发育的超前范围来看，煤柱及顶板随下层开采及时垮落，没出现大面积悬顶，房柱采空区出现“多米诺骨牌”式大范围的瞬间破坏的可能性比较小。

结束语

（1）采用弹性能理论分析了顶板岩层大面积来压的可能性，在下层煤综采工作面初次来压之前，上覆载荷直接作用于工作面前方煤壁和采空区后方煤壁，超前支承应力和采空区后方支承应力使得顶板岩层积聚了大量的弹性能。由于应力集中系数较大，弹性能呈二次方的速度增加，弹性能的骤增会导致工作面切顶，造成压架事故。在工作面两巷超前应力影响区域易出现上方的煤柱上的集中动压压垮巷道顶板事故。在确保进入房柱式采空区安全的条件下，可采取采前爆破上层煤煤柱放顶或注砂充填房柱式采空区等防范措施。

（2）地面观测结果表明，在综采工作面推进过程中，首先在工作面前方20～ 30m 出现一系列裂纹，裂纹方向基本与工作面平行；随着工作面推进约为1个周期来压步距出现迅速的地表台阶下沉，下沉量最大接近1m；最后随着工作面继续推进，台阶落差逐渐减小，地面裂缝自行闭合。通过对地表移动变形观测和综采工作面矿压规律观测对比分析可知，之间存在明显的互动关系，可有效推断工作面来压步距和是否存在大面积悬顶现象。

参考文献

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