老窑复合采空区下煤层安全开采技术研究

管增伦

(中国中煤能源集团有限公司，北京市朝阳区，100120)

老窑复合采空区下煤层安全开采技术研究

管增伦

(中国中煤能源集团有限公司，北京市朝阳区，100120)

针对房采采空区下近距离煤层开采时上覆煤柱易失稳，易引发大面积顶板整体垮落灾害的问题，研究了房采采空区下煤层顶板破断特征，并以山西元宝湾煤矿为工程背景，分析了复合采空区下6#煤层顶板大面积垮落的可能性，研究了元宝湾煤矿复合采空区下煤层开采顶板致灾机理。在此基础上，以工作面安全回采为前提，为最大程度地降低顶板处理工程量，提出了以“采前预处理、采中监测分析跟进处理”为原则的顶板处理方案，为相似煤层开采提供借鉴。

复合采空区 房采采空区 顶板处理 安全开采技术 顶板破断特征

AbstractIn view of the large-area roof fall disaster caused by overlying coal pillar instability during close distance coal seams mining under room mining gob, roof fracture features of coal seam under room mining gob were studied, and the possibility of large-area roof fall of No. 6 coal seam under complex gob was analyzed by taking Shanxi Yuanbaowan Coal Mine as engineering background, and the roof disaster-causing mechanism of coal seam mining under complex gob was studied. On this basis, in order to furthest reduce the engineering amount of roof treatment and ensure safety mining, a roof management scheme was put forward whose principle was roof pretreatment before mining and monitoring analysis and follow-up treatment during mining, that provided reference for coal mining with similar conditions.

Keywordscomplex gob, room mining gob, roof treatment, safety mining technology, roof fracture feature

在我国早期的煤炭资源开发中，由于开采装备及回采技术的局限性，相当一部分煤田的小煤矿采用房柱式或巷道式采煤方式，造成煤炭资源的大量浪费，同时导致煤层开采后，采空区内留存有大量的遗留煤柱。遗留煤柱和煤层顶板组成结构系统，共同维持着顶板的稳定性。随着国家煤炭资源的整合及近年来煤炭开采规模的扩大，改扩建矿井往往面临着复合采空区下煤层的开采，然而早已形成的房柱式采空区给近距离下煤层的开采带来一系列问题，其中，下位煤层顶板的控制问题较为突出，该问题已成为此类条件下煤层开采顶板控制的关键问题。采空区内煤柱不稳定破坏的多米诺效应，往往引发大面积顶板整体垮落灾害。其破坏特征是采空区顶板大面积来压，瞬间引发一次性整体切冒，伴有巨大风暴。

针对该问题，国内学者做了大量研究工作，取得了较为显著的研究成果。已有文献利用理论分析、物理试验及数值模拟等方法对房柱式采空区下煤层长壁式开采工作面进行了相关研究，提出了可以应用于实践的顶板控制技术，且取得了较好的控制效果。鉴于地区及煤层赋存条件的差异性及复杂性，在前人研究成果的基础上，以元宝湾煤矿6105工作面为实际工程背景，在研究房柱式采空区下煤层顶板破断特征的基础上，预测了复合采空区下工作面开采顶板大面积垮落的可能性，分析了元宝湾煤矿复合采空区下煤层开采顶板致灾机理。在此基础上，提出了以“采前预处理、采中监测分析跟进处理”为原则的顶板处理方案。

1 工程概况

元宝湾煤矿为兼并重组整合矿井，矿井首采6#煤层，现开采6105工作面，煤层厚度为2.7～5.2 m，平均厚度为3.5 m，煤层倾角为3°～10°，平均为4°，煤层埋藏深度150～160 m。工作面设计倾斜长度932 m，回采长度876 m，采用综合机械化回采工艺。工作面北部与6#煤层辅运巷相邻，西部为已回采的6104工作面，南部和东部为实煤区，上伏整合前4#煤层小煤窑不规则采空区以及4102工作面采空区。根据现场调研及探测，工作面上方4#煤层老窑不规则采空区内巷道宽度为2.5～3.2 m，高2.6 m左右，围岩(煤体)较完整，遗留的老空区宽度为7～30 m，高度为6～9 m，长度为30～60 m，老空顶板基本完整，仅部分地段出现冒落。6105工作面上覆采空区分布如图1所示，图中不规则阴影区域为上覆未冒采空区。

6#煤层与4#煤层间距为8～21.4 m，平均为14.7 m，由南向北逐渐变厚，由6105工作面附近钻孔柱状图可知，两煤层间岩层岩性由下至上依次为厚度7.5 m的灰白色粗砂岩，厚度3.7 m的灰白色细砂岩、厚度5.4 m的深灰色砂质泥岩及泥岩，如图2所示。其中6#煤层顶板(粗砂岩、细砂岩及泥岩)单轴抗压强度为20.8～30.8 MPa，平均为29.3 MPa，4#煤层顶板单轴抗压强度为51.2～57.6 MPa，平均为53.6 MPa。

图2 6105工作面煤层综合柱状图

2 复合采空区下顶板大面积瞬间垮落安全隐患预测分析

近距离煤层房柱式采空区下长壁综采主要存在以下安全隐患: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，突然失稳并造成顶板局部切顶冒落；应力集中引起大面积煤柱失去支撑能力，引发冲击矿压。6105工作面为复合采空区下煤层长壁开采，存在以上安全隐患，基于顶板岩性对回采期间顶板大面积突然垮落安全隐患进行了预测分析。

(1)基于4#煤层岩性的安全隐患预测分析。4#煤层顶板为粗砂岩、细砂岩、砂质泥岩，平均单轴抗压强度为53.6 MPa，属于中硬顶板，借鉴4#煤层4101及4102放顶煤工作面回采情况可知，回采时在未进行初次放顶的情况下，来压步距较小，没有发生大面积垮落事故，顶板随采随垮。另外4#煤层顶板整体性和强度不属于坚硬顶板，因此预计4#煤层顶板出现较大范围的悬顶几率较小，当悬顶达到一定面积后可自行垮落。

(2)基于6#煤层岩性的安全隐患预测分析。6#煤层顶板为粗砂岩，平均单轴抗压强度为29.3 MPa，为松软顶板，正常回采时随采随垮，且垮落后充填高度大于支架高度，可以缓解顶板对支架的冲击。

以上分析表明，6105工作面出现顶板大面积垮落事故的可能性较小，但鉴于地质条件变化和相关数据缺乏，工作面开采仍存在一定的风险，尤其是相邻矿井同煤层开采期间发生了顶板大面积垮落伤亡事故，因此，为保障工作面的安全回采，需针对顶板的灾变机理进行了深入分析。

3 复合采空区下煤层开采顶板灾变机理

复合采空区顶板的稳定性由煤柱及顶板两个基本要素共同决定。随着煤层开采面积不断增大，房柱式开采顶板悬露面积相应增大，致使房式残留煤柱及其顶板内产生了巨大的切应力，同时煤柱长时间承载蠕变及部分煤柱失稳造成破坏。当其下近距离煤层布置综采工作面进行回采时，将引起上覆岩层的移动与破断，岩层破断波及上覆煤层煤柱进而产生连锁反应，最终导致复合采空区下顶板大面积突然垮落，引发飓风及有害气体突然涌出。根据现场实测可知，元宝湾6105工作面上覆煤层遗留的老空区宽度为7～30 m，高度为6～9 m，长度为30～60 m，老空顶板基本完整，仅部分地段出现冒落，因此，其存在顶板大面积灾变的可能性。

分析元宝湾煤矿复合采空区下煤层开采顶板灾变机理，可概括为以下两个阶段：

(1)超前支承应力影响下煤柱破碎、顶板断裂。下部煤层采动影响下，由于上部复合采空区的存在，4#煤层顶板活动空间急剧增大，其上覆顶板由弯曲下沉带向裂隙带过渡，超前支承应力作用下，煤柱应力集中程度急剧增大，煤柱逐渐崩解破碎，顶板开始弯曲下沉，当顶板弯曲应力超过其极限强度时，即发生顶板破断，顶板弯曲破裂产生裂隙A，如图3(a)所示。

(2)上覆岩层冒落破断导致煤柱坍塌、顶板大面积瞬间垮落。随着下层综采工作面继续推进，6#煤层工作面逐渐进入采空区下方，6#煤层上覆岩层的冒落及破断开始波及到4#煤层老窑采空区煤柱，煤柱失稳坍塌，复合采空区上覆岩层在无支撑的情况下瞬间大面积垮落，继而造成顶板灾害事故，如图3(b)所示。

4 复合采空区下顶板动态处理技术

基于元宝湾矿复合采空区下6#煤层回采期间顶板致灾隐患，以“采前预处理、采中监测分析跟进处理”为原则，提出了6105工作面上覆顶板动态处理方案。

图3 房柱式采空区下综采工作面顶板失稳过程图

4.1 采前预处理

4.1.1 采前4#煤层老巷顶板爆破弱化处理

为降低老窑采空区顶板大面积瞬间垮落的风险，削弱4#煤层悬顶的整体性，在4#煤层进、回风大巷内，对4#煤层顶板直接进行了采空区悬顶爆破处理，共布置44组，组间距10 m，每组3个钻孔，钻孔布置参数见表1。4#煤层老巷顶板爆破处理方案如图4所示。

表1 爆破炮孔参数表

图4 4#煤层老巷顶板爆破处理方案

4.1.2 初采期间工作面巷道内4#煤层顶板弱化处理方案

6105工作面初采期间，为防止4#煤层老空区顶板悬而不冒，在6105工作面超前切眼20 m范围内的巷道中向4#煤层顶板钻孔进行水力压裂，以破坏顶板的整体性。方案设计从切眼开始，在超前工作面20 m范围内，每隔10 m布置一个钻场，用于初采期间4#煤层顶板弱化，每个钻场施工3个钻孔，钻孔垂直巷道走向布置，倾角分别为15°、25°和40°，共布置钻孔60个。当钻孔钻至4#煤层未垮落采空区域时，停止钻进，该钻孔用于采空区探放水、气体检测，其钻孔参数如图5所示。

4.1.3 初采期间工作面切眼内6#煤层顶板爆破弱化处理方案

为减小工作面顶板的初次来压步距，削弱顶板来压强度，降低4#煤层顶板冲击风险，工作面采前对6105工作面顶板进行了弱化爆破处理。炮眼布置为单排眼“一”字型倾向布置，眼距为5 m，切眼内共49个孔，上下隅角各4个钻孔，炮眼距采空区侧煤帮2.5 m，炮眼深度为13 m，孔径65 mm，仰角60°，与切眼方向平行。

图5 初采期间6105工作面巷道内4#煤层顶板处理方案

4.2 回采过程中顶板动态处理

初采期间4#煤层采空区顶板爆破弱化处理完毕后，结合矿压监测设备及微震系统数据，实时分析总结6105工作面推进过程中顶板垮落情况，并观测地表塌陷情况，若顶板垮落效果较差，则需在6105工作面及两巷内对4#煤层悬顶区实施水压致裂。

4.2.1 6105工作面巷道内对4#煤层顶板水压致裂弱化方案

为对4#煤层老空区上方的悬顶进行处理，在4#煤层未冒区域下方的6105工作面两巷内每隔15 m 向上方顶板施工1组钻孔(4#煤层老巷爆破区域下方除外)，具体每组钻孔布置方案与初采期间工作面巷道内4#煤层顶板弱化处理方案相一致。

4.2.2 6105工作面内对4#煤层顶板水压致裂弱化方案

为进一步扩大水压致裂的范围及效果，拟在工作面距上、下端头45 m外的工作面架间，向工作面前方仰角60°进行开孔致裂(4#煤层老巷爆破区域下方除外)，孔间距为15 m，孔深37 m，开槽位置为29 m和37 m，孔径为50 mm；工作面每推进15 m，进行1次水压致裂。钻孔布置示意图如图6所示。

图6 工作面倾向方向致裂孔布置剖面图

5 结论

(1)基于元宝湾煤矿复合采空区下6105工作面赋存现状，从顶板岩性预测分析了复合采空区下6#煤层开采顶板大面积垮落隐患的可能性，分析认为，虽然6105工作面出现顶板大面积垮落事故的可能性较小，但仍存在顶板大面积垮落的安全隐患。

(2)分析复合采空区下煤层开采顶板灾变机理可知，元宝湾煤矿复合采空区下煤层开采顶板灾变过程，可分为超前支承应力影响下煤柱破碎、顶板断裂阶段及下覆岩层冒落破断波及煤柱坍塌、顶板大面积瞬间垮落两个阶段。

(3)以工作面安全回采为前提，为最大程度的降低顶板处理工程量，提出了以“采前预处理、采中监测分析跟进处理”为原则的顶板处理方案。

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(责任编辑 郭东芝)

Studyoncoalseamsafetyminingtechnologyundercomplexgobofoldmine

Guan Zenglun

(China Coal Energy Group Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100120, China)

TD327.2

A

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. Guan Zenglun. Study on coal seam safety mining technology under complex gob of old mine[J] .China Coal，2017，43(9): 51-54.

管增伦(1972-)，男，江苏涟水县，高级工程师，研究开发处处长，硕士，长期从事煤炭技术研究和科研管理工作。