四台矿矿压显现机理及顶板控制研究

时间：2024-07-28

陈晓宇

（晋能控股集团四台矿，山西大同 037000）

1 概况

四台矿位于山西省大同市，基岩地层以NNE走向为主，处于断裂构造西侧，受燕山运动影响矿区周边山脉较多。受开采煤层断裂构造影响，矿区的开采范围应力条件与煤岩运动较为复杂，受地质环境影响较大。四台矿地处华北地区，板块运动呈东西向，边界移动以走向滑动为主，南方边界为张性边界，北方边界为压性边界，矿区所受应力主要为NW至NNW的主拉应力与NE至NEE向的主压应力。断裂构造以压缩运动为主，由于板块的挤压区域内应力较为集中，能量积聚较大，因此接近于断裂构造的矿区开采受矿压影响概率较大。四台矿的井田分布特征示意图如图1。

图1 四台矿井田分布特征示意图

四台矿煤层厚度约为90～98.66 m，石炭系太原组5～7号埋深约为450～650 m，煤层间距约为300～400 m，煤层厚度大，结构复杂，上部主要为侏罗系采空区。煤层顶板坚硬，覆岩结构完整，岩层以砂岩为主，还包括砂岩、砂质泥岩等。

2 强矿压显现机理分析

2.1 矿压特征

四台矿矿压主要有四个特征[1-2]：（1）石炭系太原组5-7号煤层基本顶来压周期与步距较大，动载系数大，岩层稳定性较强，破断失稳易造成强动载。（2）基本顶来压矿压显现较强。基本顶来压持续时间较长，强度较大，支架安全阀开启频次较高，支架承受压力大，超前支护有闷墩响动现象，钢梁存在弯曲折损，顶板存在下沉、底鼓、帮鼓等现象。（3）周期来压呈强弱交替变化。1～2次一般强度来压后会出现1次强周期来压，会出现煤壁片帮、增阻支架增多、连续来压等现象。（4）强矿压显现时期，围岩动载明显，会发生压架事故。

2.2 矿压显现机理分析

上述矿压特征分析表明，四台矿的石炭系煤层所具有的强矿压显现与常规的综放工作面矿压显现规律有所差别，规律差别的原因可从地质影响与开采技术影响两方面进行分析研究[3-8]。在地质方面，四台矿的石炭系煤层位于断裂构造区域，断裂构造周边板块的运动会使断裂位置处于高应力集中区，煤岩会聚集较高的能量，当下方煤层被开采扰动后，覆岩内的能量就会释放到下部煤层工作面，造成强矿压的显现；同时，随着石炭系煤层的开采，上部的覆岩层会产生多层垮裂，使得顶板稳定性大幅度降低。在开采技术方面，侏罗系煤层采空区与石炭系煤层开采工作面呈垂直分布，并且石炭系开采煤层切眼通常位于侏罗系煤层煤柱下方，当石炭系煤层开采推进至侏罗系下方时，就会使石炭系煤层顶板压力变大，显现强烈矿压；同时，石炭系煤层的开采会使大采空区垮裂高度增加，顶板扰动范围增大，使得应力场分布与集中应力影响增大。并且，工作面的推进会使上部岩层结构发生变化，顶板垮落与破断会大幅度增加支架载荷。因此，石炭系煤层强矿压显现是煤柱与覆岩活动联合作用的结果，其作用机理示意图如图2。

图2 石炭系煤层强矿压显现作用机理示意图

通过对四台矿实测分析，石炭系煤层80315工作面的开采使顶板垮裂高度达160～170 m，侏罗系煤层煤柱应力集中深度为60～80 m，两区域贯通最大距离为210～250 m，而四台矿实际煤层间距仅有160～210 m。由此可知，四台矿的强矿压显现主要因素为石炭系煤层的开采使得覆岩顶板垮断，从而影响了煤柱下方的应力区，应力区内积聚的能量释放，造成顶板失稳，从而形成强矿压显现。如图3。

图3 强矿压显现煤柱与覆岩活动联合作用示意图

3 石炭系煤层强矿压控制研究

3.1 开采技术优化

通过对强矿压显现机理分析可知，岩体应力为主要矿压显现控制因素，较高的构造应力使得强矿压显现。为使石炭系煤层开采过程中构造应力减小，本文主要从采掘布置、开采顺序两方面提高开采可靠度[9-10]。煤层开采受地质环境影响较大时，应首先合理布置工作面、选择较为匹配的开采方式，减少对高应力影响区开采；其次，应合理安排开采顺序，优先开采煤层原始应力较低区域；最后应使用煤岩辅助控制措施，减少矿压显现程度。

在采掘布置优化方面，通过对四台矿应力分布测量发现，需将工作面回采巷道方向布置为巷道轴向与主应力夹角小于25°；在开采顺序方面，依据应力分布特点与煤岩活动特征，四台矿应优先开采井田的东西区域，然后开采井田中部，使中部区域煤层的覆岩可以充分活动，降低应力集中程度，提高开采安全可靠性；在煤岩辅助控制措施方面，四台矿还经常出现水压致裂的现象，故需进行相关的辅助控制措施。当工作面推进到高应力赋存的煤层区域时，应提前进行压致裂或预裂爆破措施，使煤岩结构被破坏，提高裂隙发育程度，从而减轻覆岩活动的能量释放，缓解强矿压显现程度。