强矿压防治技术在深部特厚煤层的研究和应用
何维胜
（神华宁夏煤业集团有限责任公司羊场湾煤矿，宁夏灵武751410）
摘要 随着矿井开拓延伸，受开采深度、煤岩物理力学性质、顶板岩层结构、构造应力、区段煤柱、巷道留设底煤、工作面见方、开切眼外错布置等因素的影响。回采工作面强矿压显现逐步凸显，工作面风巷顶板下沉、底板鼓起和两帮收敛变形严重。本文通过对强矿压产生的原因进行分析，通过数值模拟等手段制订了强矿压治理措施，取得较好的应用效果。
关键词 底鼓 卸压 强矿压 回采
1引言
羊场湾煤矿16采区目前回采的160203工作面风巷超前自工作面煤壁向外60 m范围底鼓高度1 m，顶板下沉达到0.8 m，帮鼓达到1.2米。经初步分析，160203工作面风巷矿压显现的位置受到工作面切眼外错、区段煤柱及坚硬顶板的影响，且巷道底煤较厚为4m，易发生底鼓型矿压显现，严重影响工作面安全回采。
2工程概况
160203工作面设计走向长1292 m，倾斜长为295 m（平距），面积381140 m2，设计采高5.6 m。全井田范围内可采，设计回采率为93%。160203工作面上临160201工作面采空区，留设煤柱宽度为35.0 m；北以DF13正断层为界，16采区胶带运输下山与断层间留设保护煤柱70.0 m；南以DF14正断层为界，与断层间留设保护煤柱20.0～50.0 m；下部为原始煤层未进行采动，无采掘活动影响工作面开采。图1所示为煤系地层的钻孔柱状图，160203工作面伪顶为平均厚度0.4 m的炭质泥岩，直接顶为平均厚度4.62 m的粉砂岩与3.23 m的细砂岩，基本顶为平均厚度为12.7 m的中砂岩与4.96 m的细砂岩。
图1煤系地层钻孔柱状图
3强矿压危险影响因素分析
3.1开采深度的影响
160203工作面地面标高为+1426.9～+1444.4 m，工作面煤层底板标高+802.6～+927.8 m，平均开采深度为520～620 m。如图2中红线标记，其强矿压指数为0.08~0.14。160203工作面已完全具备强矿压发生的采深条件。
图2采深与强矿压显现的关系
3.2顶板岩层结构
根据160203工作面钻孔柱状图2可以看出，在2煤煤层上方附近存在平均厚度23 m和48 m的砂岩岩层。在工作面回采时，这两层岩层在破断前将会积聚大量弹性能，一旦破断将产生高能量震动，对采场附近区域产生高动载扰动，具有很高的危险性。
3.3构造应力的影响
160203工作面整体处于于家梁背斜的一翼，且距离背斜的轴部区域较近，整体可能承受比较高的水平构造应力。根据《宁煤集团宁东矿区深部地应力场测量及相关研究》报告中给出的地应力场测试结果，宁东矿区存在比较明显的水平构造应力集中。测试中所选取的五个测点的水平构造应力集中系数都在1.5以上。其中，位于羊场湾煤矿的3#测点的水平构造应力集中系数为1.75。水平构造应力尤其容易引起巷道底鼓型矿压显现，这和160203工作面回风巷的强矿压显现形式是一致的。
3.4技术因素的影响
3.4.1底煤厚度的影响
160203工作面可采煤层为2煤煤层，煤层倾角为7°～24°，平均倾角12°，煤层倾角变化较大。煤层厚度为7.91～8.26 m，平均煤厚8.1 m。160203工作面回采巷道沿煤层顶板掘进，巷道高度约为3 m，巷道底板留有将近5m的底煤。煤体强度相对岩体强度较小。当靠近煤层位置有整层厚而坚硬的顶板时，悬露顶板由于不能形成稳定的砌体梁结构从而使煤层承受较大垂直压力。由于煤体强度较小，垂直压力会通过煤柱的传递将压力向巷道内转移，在垂直压力和水平构造压力的作用下，容易形成底鼓型矿压显现。具体原理示意如图3所示。
图3 160203工作面回风巷底鼓应力机理
3.4.2区段煤柱的影响
从防治强矿压显现的角度考虑，小煤柱对防治强矿压显现有利。一方面，区段煤柱的宽度不能随意留设，煤柱太小，受顶板作用易破碎坍塌，起不到保护巷道的作用；另一方面，也可考虑留设大煤柱。但是，稳定的大煤柱宽度一般至少在50 m以上，煤炭资源损失严重。
160203工作面与160201工作面之间留设有宽度为35 m的煤柱。该煤柱宽度属于不稳定的煤柱宽度，煤柱两侧支承压力叠加在中部形成弹性核，对于防治强矿压显现十分不利，见图4。
图4煤柱宽度与应力大小关系图
3.4.3工作面见方影响
160203工作面在回采过程中将会经历本工作面初次见方阶段，以及和160201工作面采空区形成的双工作面初次见方阶段，具体位置如图5所示。在160203工作面回采至见方阶段时，见方前后一定范围内将出现明显的应力集中，具有很高的强矿压危险性。
图5工作面见方影响图
4 160203回采工作面数值模拟
以16采区地质条件为背景，建立FLAC3D三维计算模型进行数值模拟。模拟分析16采区160201工作面、160203工作面两个相邻工作面依次回采时工作面超前支承压力以及两个工作面间区段煤柱内应力分布演化规律，确定高应力区域和潜在的强矿压危险区域。
以160203工作面钻孔综合柱状图及采区内平面布置图为基础，建立数值模型。两个工作面间煤柱长度为35 m左右，煤层倾角约为10°。FLAC3D数值计算模型如图6所示。
图6数值模型
（1）在工作面回采过程中，工作面超前支承压力峰值先逐渐升高后保持稳定在一定的水平。160201面在回采400 m后，其超前支承压力峰值开始出现稳定状态。而由于160201工作面侧向支承压力和煤层倾角的影响，在160203工作面回采900 m后，其超期支承压力峰值才开始出现稳定状态。160201工作面回采过程中的超前支承压力峰值最大达40 MPa，对应应力集中系数为3.1。160203工作面回采过程中的超前支承应力峰值最大达50 MPa，对应应力集中系数3.8左右。
（2）在进入160201工作面采空区前，160203工作面超前煤柱区域内应力水平缓慢升高，但整体上应力集中水平不高。在接近并进入160201工作面采空区区域后，160203工作面超前煤柱区域的应力水平开始明显升高，并在接近停采线区域时最高达到68 MPa，对应应力集中系数5.2左右。
（3）当160203工作面回采接近160201工作面切眼时，160201工作面前方30 m位置处煤柱内竖向应力处于双峰状态，并先慢后快逐渐升高。当160203工作面回采过160201工作面前方30 m监测线后，对应煤柱两侧的支承压力峰值重合，由双峰状态变为单峰状态，应力峰值急剧增大，将极易发生整体破坏并释放聚集的大量弹性能。
5强矿压治理方案
5.1顶板预裂爆破
煤柱侧超前工作面每隔10 m布置一个钻场，每一个钻场施工1个孔，孔径为75 mm，孔深为50 m，孔口距巷帮1 m左右（可根据实际情况调整）。钻孔垂直于巷道走向，仰角为75°。每个钻孔装药为30 kg，封孔长度不小于15 m。在工作面超前150 m范围内，顶板预裂爆破须在回风巷帮部和底煤卸压措施实施之后进行，以防止形成人为的强矿压灾害显现，见图7。
图7煤柱侧超前工作面顶板顶裂爆破图
实体煤侧超前工作面（尽可能加大超前距离）每隔20 m布置一钻场，每个钻场施工3个孔，孔径为75 mm，孔深分别为45 m、48 m和50 m，孔口距巷帮1 m左右（可根据实际情况调整）。三个钻孔垂直于巷道走向，仰角分别为40°、55°、75°。各孔装药依次为27.5 kg、30 kg和32 kg，封孔长度均不小于15 m。在工作面超前150 m范围内，顶板预裂爆破须在回风巷帮部和底煤卸压措施实施之后进行，以防止形成人为的强矿压灾害显现，见图8。
图8实体煤侧超前工作面顶板预裂爆破图
5.2煤帮大直径钻孔及煤帮卸压
煤帮大直径钻孔参数：钻孔直径大于100 mm（最大可至150 mm），孔间距1.0 m，孔深20 m，距巷道底板1.2m左右（巷帮中部，便于施工即可）。大直径钻孔垂直煤壁，平行于煤层方向，见图9。
图9煤帮大直径钻孔图
煤帮爆破卸压：采用风钻、麻花钻杆配合Φ42 mm钻头施工。孔口距底板1.2 m左右（巷帮中部，便于施工即可），孔距5 m，孔深15 m，单排布置。炮眼平行于煤层、垂直于巷帮。每孔装药量3.0~4.0 kg，封孔长度不小于5m。连线方式为孔内并联，孔间串联，一次爆破1~2孔。爆破顺序应从工作面向外进行，以便使高应力区域向外转移，远离工作面，见图10。
图10煤帮爆破卸压图
5.3底板爆破卸压
卸压爆破参数：底煤卸压爆破钻孔直径Φ42 mm，孔距5 m，孔深5.0 m，单排布置。钻孔与巷道走向夹角为60°。每孔装药2.5 kg，封孔长度3.0 m。连线方式为孔内并联，孔间串联，一次爆破1~2孔，见图11。
图11底板爆破卸压图
6结论
开展强矿压治理项目前，工作面超前区域回风巷变形严重，顶板下沉、底鼓和帮鼓量可达1~2m，在紧邻工作面上端头区域巷道高度不足1.5m。开展强矿压治理项目后，工作面超前区域的回风巷变形整体明显减小，紧邻工作面上端头的回风巷高度也在2m以上。
具体而言，在对回风巷底煤进行爆破卸压处理后，巷道底板沿爆破孔连接线形成裂缝，并出现300~400 mm的底鼓变形。这些现象表明底煤中聚集的弹性能得到释放，巷道底煤的完整性被破坏，底煤失去积聚大量弹性能的能力，从而降低发生动力型底鼓的可能性。
参考文献
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［2］钱鸣高，刘听成．矿山压力及其控制［M］．北京：煤炭工业出版社，1984.
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［4］高延法．矿山岩体力学［M］，徐州：中国矿业大学出版社，2000.
作者简介
何维胜，生于1983年，重庆市丰都县人，大学本科学历，采矿工程师，现任神华宁夏煤业集团有限责任公司羊场湾煤矿生产技术部副部长，从事井下采掘技术管理工作。