三河尖煤矿开采的地应力问题解决策略

　　东四东半部分在采区规划上共布置4个主要的走向工作面，即7403、7407、7411及7415综放工作面。根据由近及远的回采安排，各工作面尾端靠近采区上山附近，先后留下7403、7407和7411剩余走向不足200m的锯齿形保护煤柱。这些“锯齿”因邻近采空区，无疑存在残余支撑应力。

　　1概述

　　三河尖煤矿东四采区东半部分回采的是山西组7#煤层，该区域煤层平均厚度5.5m，倾角5°-12°。直接顶粉细砂岩互层，厚度14.7m，老顶粉砂岩厚度8.1m。直接底粉砂岩厚度1.75m，老底细砂岩厚度16.0m。在井田范围内，这是能数得上的构造单一、煤层赋存稳定、条件相对优越的区段。但从2003年4月份回采以来，区域内先后发生4次巷道冒顶、1次巷道冲击等异常情况，究竟是什么原因造成的呢?(图1)

　　2巷道冒顶及其原因分析

　　一直以来关于7407、7411、7415工作面的中间轨道巷及7407小面运输巷等4次巷道冒顶问题的说法，讲的最多的是：巷道冒顶与F7断层因素相关。具体情况是：1#冒顶点位置是从7407中间轨道巷开窝口向里268m，冒顶点到F7断层的法向距离约220m，冒顶时间是2005年10月;2#冒顶点位置是从7411中间轨道巷开窝口向里526m，冒顶点到F7断层的法向距离约274m，冒顶时间是2006年8月;3#冒顶点位置是从7415中间轨道巷开窝口向里406m，冒顶点到F7断层的法向距离约191m，冒顶时间是2007年8月;4#冒顶点位置是从7407小面运输巷开窝口向里174m，冒顶点到F7断层的法向距离约162m，冒顶时间是2010年9月。

　　的确，因各冒顶点与F7断层之间的位置关系，一般都在160-280m之间的缘故吧，容易让人产生种种遐想，究其实呢?首先从客观因素谈起，东四东半部分的东侧从地质构造上看，是一个相对单一的原生向斜构造。由于F7断层和孙氏店支断层的挤压作用，在东四向斜左翼的上缘位置次生出一个小的向斜构造。大小两个向斜的结合部存在“裂痕”，使得煤体松软，裂隙发育。由于构造间的张拉作用不十分明显，这个构造界面的煤层顶底板还相对稳定。从4次冒顶情况看，每次冒落的高度一般在2-3m，即该区域巷道的顶煤厚度。但区域范围，内聚一定的构造应力。东四大面积顶板失稳过程中，区域顶板活动剧烈，使得这个界面的煤体进一步松散，这应该是巷道冒顶的一个客观原因。这个界面宽度不大，从几次巷道冒顶范围看，7407中间轨道巷冒顶长度最长约18m，7407小面运输巷冒顶范围最小，不到3m，其余两处均在8m左右。

　　从主观因素看，该区域几个工作面因接续原因，都布置了中间轨道巷。但工作面一旦形成后，正常推进时，施工单位一般又不把这些腰巷作为工作面的出口来管理，即不进行超前加固或超前加固不及时。因此工作面的超前支撑压力对这些巷道的动态破坏较大，容易使巷道急剧变形、支护失效，而折帮冒顶。从现场看，每个冒顶位置，也确实都处于当时工作面的超前支撑压力影响范围内，而且都没进行二次加强支护。对于7407小面运输巷的冒顶问题，原因较为复杂。除没有加强支护的因素外，还因该点处于沿空高应力范围内。巷道掘进期间就多次出现冲击矿压显现，矿压部门做了大量细致的工作，避免了破坏性事故。但回采期间，施工单位没能进一步细化工作，管理相对滞后，造成后果亦在所难免。

　　3应力在空间的传递规律

　　由于时间久，采空区塌落充分实在，围岩较为稳定，故这种应力不大。对于7411小面切眼而言，最初掘进的50m，不仅存在这种应力，同时还处于构造界面附近，煤体松软，应力集中。掘进过程中，该巷道的顶煤就随掘随离层。因顶煤厚度一般在2.5m左右，而顶板支护锚杆长度恰好2.5m，故顶煤离层后，顶板锚杆显然无支护效果，仅锚索起点悬吊作用，依靠较为稳定的上覆岩层，悬挂着已经离层的2.5m厚顶煤。但顶煤离层后，也造成了锚索锚固力大幅度下降，且支护密度相对不足，仅2.0m×3.2m。这些因素总结起来说，就是跨度5.8m宽的切眼实际上基本处于无主动支护状态，而被动加强支护的单体支柱，由于生产的原因，又不能紧跟到迎头，故而产生大范围的弱面(什么是弱面：弱面就是不能获得稳固支撑的自由面或自由空间)。就像多米诺古牌的连续倒塌一样，当区域发生扰动时，弱面的不稳定状态就会快速跳变，寻求下一个相对稳定的状态。这个过程将释放巨大的能量，以动能、热能、和声能的形式，对采场空间产生强大的破坏力。解决它的唯一办法就是采取可靠支护，消除弱面。先回顾一下7411小面切眼的冲击事件：

　　7411小面位于东四采区东半部分的东北侧，该面上邻7415工作面采空区、下邻7407工作面采空区、前方为原7411工作面采空区。7411小面切眼采用锚梁网索联合支护，单体液压支柱临时加强支护。巷道在设计时，因综合考虑防灭火与防冲的需要，与7411里面采空区的隔离煤柱留设15m，因此切眼处于较高应力区域。切眼煤层局部松软，裂隙发育。加之该点多巷交叉，也极易形成应力集中。根据东翼采区7煤冲击倾向鉴定结果和东四采区综合指数法，确定为中等冲击危险程度。针对该面有冲击危险，矿压科编制了《7411小面掘进冲击矿压防治安全技术措施》，要求采用电磁辐射法、钻屑法、微震法相结合的监测方法进行矿压防治。2009年5月28日早班，7411小面切眼与7411中间轨道巷贯通，到此为止共施工巷道约50m。5月29日夜班0：46：33切眼内发生冲击，冲击范围在切眼出口向里10-35m区域的左侧。冲击矿压发生后迎头人员全部安全撤出，现场破坏情况如下：

　　①受冲击区域巷道左帮支护的木锚杆全部失效，片帮并抛出煤体0.5～0.8m。

　　②连续4排顶煤离层，下沉约0.5m;范围内共有两根锚索拉断。

　　③加强支护的单体连续31根歪斜严重，单体根部连带铁鞋一起向左帮偏离0.3～0.8m。

　　④40Z刮板输送机中间部向右帮方向滑移0～1.2m。

　　⑤耙装机及轨道被抛到右帮。

　　7411小面切眼发生冲击矿压事故的直接原因，概括起来有以下两点：

　　①7411小面切眼发生冲击矿压事故，与东四采区残区开采和7411小面切眼内顶煤离层形成弱面有关。

　　②从微震系统(GPS)定位看，震源位置在7435工作面采空区。扰动信号即7435综放面初次来压。关于7435工作面初放对7411小面切眼掘进的扰动问题，引用一个比喻，可以形象地说明问题。当东四采区西侧收作，回采系统煤柱时，在7435面采空区、东四东侧采空区、F7断层之间所包围的是东四采空区的残余支撑煤柱，又因F7断层的原因，煤柱被完全割裂开来，缺乏稳固的依托，形成孤立的容易活动的狭小单元，就像一个长条凳，人员在上面坐着，当一头晃动时，另一头能不动吗。这种应力影响距离远、牵一发动全身的特点，是残区开采的重要特征之一。

　　2010年9月14日8：42：28，7407小面老顶初次断裂，引发7409采空区(39484734.03，3862780.5，-769.82)老底冲击，冲击能量2.88E*5J。本次震动再次印证：东四采空区残余支撑煤柱所具有的应力传递作用效果。7409采空区(39484734.03，3862780.5，-769.82)老底存在能量集聚，因其处于老空区，其本质就是一个弱面，易于能量释放，而7407小面老顶初次断裂的剧烈震动，起到了扰动作用，促使其爆发。

　　采空区底板划分的“三带”，即破碎带、断裂带、弯曲拱起带，从这次冲击事件分析，本次震动就处于积存高能量的弯曲拱起带。同时说明，东四采区东侧大面积老空(跨度超过1000m)对底板的影响可延伸到煤层底板下约125m处，因该处的煤层底板标高为-644.9m。

　　2010年9月13日16：49：37，7425采空区(39483831.5，386340

　　8.5，-711.28)处发生一次较大能量级的震动，释放能量3.39E*4J。

　　2010年9月15日3：19：50，7425采空区(39483831.5，386340

　　8.5，-732.4)处再次发生一次较大能量级的震动，释放能量5.64E*4J。

　　7425采空区跨度180m，两次能量释放分别发生在采空区煤层底板下约40m与60m处，说明工作面老空对其底板的影响与老空的跨度有关，从以上数据可推测，工作面老空对底板的影响深度范围，随采空区跨度的增加而加深。

　　以上涉及的点、线、面以及立体空间应力的相互影响规律是残区开采的又一重要特征，是指导区域采掘安排、支护参数确定、冲击矿压防治及底板水害防治等的重要参考依据。

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