关于急倾斜特厚煤层开采的动力灾害防治技术的探索

作者：张毅

    对于厚度在20 m以上的急倾斜特厚煤层一般采用水平分段放顶煤的开采技术，该方法的顶板运移规律不同于缓倾斜煤层，与长壁工作面相比也有其特殊性和复杂性。近几年，随着开采深度和开采强度的增加，个别矿区的急倾斜煤层在回采过程中多次发生冲击性动力灾害，已严重影响煤矿的安全生产，如乌东、华亭、窑街等矿区。我国学者曾针对该情况进行了大量研究，从应力分布及顶板活动两方面为开采过程中的矿压显现特征提供了依据，但主要集中在薄及中厚煤层和埋藏较深的倾角60。以下的煤层的研究，而对于倾角在60。以上且埋深不超过400 m的煤层中动力灾害的发生机理鲜有报道。新疆乌东矿区在埋深不足400 m的情况下，曾发生过多次动力灾害事故，并造成人员伤亡和财产损失。因此对该类条件下的煤岩动力灾害的发生特征及其防治技术有必要进行深入研究。

1  矿井情况

    乌东矿南采区位于乌东矿区八道湾向斜南翼，为单斜构造。井田地质条件简单。根据地质勘探资料，结合煤层厚度、层位、层间距等，自下而上分为4个煤组，在乌东矿南采区，有两个煤组可采。

    第一组煤为B1-B2煤层，含两层煤，自下而上命名为B1、B2，煤层厚度最大37. 05 m，最小24. 53 m，平均30. 79 m，煤层顶底板多为炭质泥岩和泥岩。倾向北西，走向北东60°～65°，倾角82°～88°。

    第二组煤为B3 - B6煤层，煤层厚度46. 0～57.0 m，距Bl - B2煤层53.0～62.0 m，平均57.5 m。伪顶为炭质泥岩和泥岩，直接顶为粉砂岩和砂质泥岩，老顶为粉砂岩。

    该矿采用水平分段放顶煤开采，两组煤同时开采，自+ 647 m水平至+500 m水平，两组煤均已采空，中间留有宽度为49.1 m的岩柱，开采情况如图1所示。当矿井延伸至+500 m水平时，掘进巷道过程中先后发生4次强矿压显现，巷道出现严重变形，帮鼓量和底鼓量最大均达到Im，巷道锚杆托盘崩出，对人员和设备产生严重威胁。

    通过现场采集煤岩样进行冲击倾向性试验测试，乌东矿南采区的煤层及顶板都具有弱冲击倾向性。但考虑到水平分段开采的特征，即每个工作面都在上个工作面回采产生的卸压区内开采，而动力显现仍如此强烈，说明附近存在着较强的力源。从现场来看，强矿压的显现主要出现在工作面两条巷道中，尤其是靠顶板侧的巷道，矿压显现极为强烈。由此推断，影响乌东矿南采区强矿压显现的主要因素应为多分层开采造成的顶板移动变形而产生的扰动，尤其是中间岩柱的存在对两巷影响较大。

2  急倾斜煤层围岩应力数值模拟研究

    为掌握急倾斜煤层开采后的应力分布情况，本文采用FLAC3D软件结合乌东矿南采区开采条件对其围岩应力分布情况进行模拟。根据煤层实际赋存条件，Bl-B2和B3 - B6煤层的模拟厚度分别为30 m和50 m，中间岩柱宽度为50 m。B3-B6顶板模拟厚度共计为60 m，Bl-B2的底板模拟厚度为40 m。模型在水平方向模拟长度共230 m，考虑到倾角的影响，模型水平方向实际大小为248 m。在垂直高度上，考虑到已采和未采的分层数量，模型高度定为240 m。为提高模型运算速度，在模型上方有160 m厚度的岩层未进行模拟，而是以等效载荷代替。

    为便于模拟计算，将工作面模型简化为平面模型，倾向长度按单位长度1给定。整个模型4个立面和底面均固定法向位移。煤岩层物理力学参数按试验室测定数据给定，没有试验数据的岩层按岩性平均取值给定。整个模型共划分单元格数量35280，结点数量47916。

    在模拟中，从+ 647 m水平开始向下模拟开挖，每次开挖高度20 m，运算1000时步，至+535 m水平结束，回采高度共计112 m。+647 m水平上部曾采用仓储式开采，因此，此处通过将煤层参数弱化，以模拟采空区。经模拟计算可知，当煤层开挖至+535 m水平时，在Bl-B2和B3-B6之间的岩柱中产生了较大的应力集中，在B3 - B6顶板处也存在应力集中现象。由模拟结果可知，在急倾斜煤层水平分段开采方法中，随着所采分层数量的增加，顶板并不能随工作面的推进及时垮落，而是要悬顶几十米甚至上百米才有可能出现垮断，而在此期间，顶板中应力会不断增加积聚，一旦顶板断裂，顶板中积聚的弹性能量会突然释放，对周边的煤岩体产生冲击破坏。

    结合开采现场情况，目前正在回采的工作面回收率均大于100%，由此判断上部煤体已沿采空区垮落至当前开采区域，而所采煤层地表与地下也有导通迹象。从上述可以推断，煤层开采后，上部采空区并未充填密实，存在较大空间，这表明顶板并未完全垮断，仍存在大面积悬顶现象，这与数值模拟结果相吻合。而当顶板悬顶过长时，一旦产生运动或断裂，必将给工作面带来灾害性事故，因此务必对顶板进行弱化处理，破坏其整体性，避免大面积垮断。

3  顶板岩柱卸压处理

    考虑到乌东南采区煤层近似直立的顶底板岩层厚度较大，且均具有弱冲击倾向性，因此，采取深孔预裂爆破和高压注水的联合处理方式进行顶板卸压，重点针对Bl- B2和B3 - B6之间的岩柱进行处理。目的一是通过卸压方式使得岩柱内积聚的弹性能得到有效释放；二是破坏岩柱顶板的整体性，避免其悬顶面积过大。

3.1  注水方案

    注水施工方案通过在Bl - B2工作面回风巷沿顶板岩柱倾向施工石门，并在石门末端施工注水硐室。在硐室两侧沿岩柱走向分别布置1个注水孔，角度10°，孔径113 mm，封孔长度20 m。注水孔深102 m，注水泵流量200L/min，注水最大压力为50 MPa，采用动压注水，最小注水压力不得小于12 MPa，注水时间为10～20 d，当岩体含水率达到l%时停止注水。注水孔位置见图2(a)。

3.2爆破方案

    注水完毕后在硐室内继续施工爆破孔，在硐室两侧沿岩柱走向分别布置6个爆破孔，在硐室沿岩柱倾向布置7个爆破孔，以达到沿岩柱走向方向切断岩体、沿岩柱倾向方向预裂岩体的目的。爆破孔布置见图2，封孔深度12～15 m，根据炮孔深度酌情增减。

    炮眼直径94 mm，扇形布置，每孔正向装药，采用黄泥封孔，连线方式采用孔内并联，孔间串联，一次起爆。爆破具体参数见表1。

3.3  卸压效果

    顶板爆破及注水对其影响范围内的能量释放和释放频次的作用明显，卸压前，矿井能量和频次均处于较高的等级，通过顶板处理降低了矿井范围的微震能量和频次，有效降低了矿井覆岩活动的剧烈程度。

4结论

    (1)乌东矿南采区所采煤层本身的冲击属性并不强烈，而动力显现多发生在掘进工作面及工作面巷道位置，采煤工作面矿压显现则较为缓和。因此，考虑到急倾斜煤层开采的特点，判断其动力显现的主要原因是煤层顶板悬顶过长。

(2)通过数值模拟研究，随着煤层多个分层的回采，顶板悬露长度的不断增加，顶板岩层内的应力集中程度与积聚能量也会愈来愈大。乌东矿南采区自+647 m水平开采至+500 m水平时出现动力显现，说明其顶板悬露长度已达到诱发动力灾害的极限长度，随着深度的增加，其动力显现将会更加严重。通过采用顶板高压注水和卸压爆破联合处理方式，对煤层间的顶板岩柱进行了弱化，消除采空区与待采区顶板的连续性，进而控制或削弱顶板来压强度和动压危害程度。

5摘  要  

乌东矿南采区两组急倾斜煤层同时开采，矿压显现强烈，建立了急倾斜煤层顶板垮落力学模型，利用FLAC3D软件对煤层开采过程围岩应力进行数值模拟。研究结果表明南采区由于煤层倾角近乎直立，两侧采空后的顶板岩柱长时间处于悬顶状态，悬顶过长以至造成能量大量积聚。针对悬顶岩柱采用了预裂爆破和高压注水联合处理方法，降低了顶板岩柱的应力集中。