摘要：目前近直立煤層開采沖擊地壓防治措施主要有爆破、水壓致裂、建立保護(hù)層等，或破壞層間巖柱和頂?shù)装?，或難以解決大采深情況下的層間巖柱應(yīng)力集中問題，且會(huì)導(dǎo)致較大的地表沉降。以烏東煤礦為工程背景，針對(duì)近直立煤層群水平分段綜放開采方法，提出了充填采空區(qū)技術(shù)，以支護(hù)層間巖柱及頂?shù)装澹档烷_采分段周圍煤巖體的應(yīng)力集中現(xiàn)象。設(shè)計(jì)了3 種充填方案：方案1 為第一開采分段采空區(qū)使用高強(qiáng)度材料充填，其余分段采用普通材料充填；方案2 為第一開采分段采空區(qū)使用高強(qiáng)度材料充填，其余分段交替采用高強(qiáng)度材料和普通材料充填；方案3 為每一分段采空區(qū)均使用高強(qiáng)度材料充填。通過數(shù)值模擬研究了3 種充填方案的卸壓防沖效果，結(jié)果表明：與未充填相比，3 種充填方案下層間巖柱最大垂直應(yīng)力分別下降25.07%，26.57%，29.23%，下一分段煤體最大水平應(yīng)力分別下降10.63%，10.79%，12.34%。綜合考慮卸壓效果和經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)選間隔充填的方案3。指出可結(jié)合高應(yīng)力區(qū)域?qū)崟r(shí)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，及時(shí)支撐層間巖柱，減少層間巖柱及下分段煤體的應(yīng)力集中，防止沖擊地壓發(fā)生。

關(guān)鍵詞：綜放開采；近直立煤層；沖擊地壓防治；充填開采；充填卸壓；層間巖柱；應(yīng)力分布

中圖分類號(hào)：TD823.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量大，煤層賦存形式復(fù)雜多樣，其中急傾斜煤層占我國(guó)探明煤炭?jī)?chǔ)量的20% 左右[1]。煤層傾角大于85°的急傾斜煤層稱為近直立煤層，在內(nèi)蒙古和新疆地區(qū)分布較廣[2-3]。國(guó)家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司烏東煤礦屬急傾斜近距離煤層群，包含27 層可采煤層，是典型的近直立煤層群，采用較成熟的水平分段綜放開采技術(shù)[4-6]。近年來，隨著開采深度加大，出現(xiàn)較強(qiáng)沖擊地壓現(xiàn)象，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成危害，亟需解決。

目前對(duì)于近直立煤層群開采應(yīng)力集中和動(dòng)力災(zāi)害控制的研究主要分為3 大類。第1 類是基于地質(zhì)研究和評(píng)價(jià)模型進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域劃分及監(jiān)測(cè)。陳建強(qiáng)等[7]、袁崇亮等[8]利用微震和鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)工作面微震事件進(jìn)行定性與時(shí)空定量監(jiān)測(cè)，構(gòu)建了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法。杜濤濤等[9]采用PASAT?M便攜微震儀和ARAMIS M/E 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行致災(zāi)因素識(shí)別。張宏偉等[10]建立了沖擊地壓地質(zhì)動(dòng)力條件評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算方法確定了采動(dòng)對(duì)能量密度的影響。第2 類是基于近直立煤層開采沖擊地壓機(jī)理，提出爆破、水壓致裂等弱化煤巖體手段。鐘濤平等[11]提出了弱化工作面兩側(cè)頂?shù)装鍘r層和下方煤體的應(yīng)力調(diào)控防沖方法。崔峰等[12]構(gòu)建了巖柱和頂板力學(xué)模型，確定了300 m 采深作為沖擊災(zāi)害發(fā)生的臨界值，提出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施巖柱、頂板爆破及煤體注水等措施。吳振華等[13]認(rèn)為頂板變形擠壓和巖柱撬轉(zhuǎn)共同作用產(chǎn)生的高靜應(yīng)力條件是導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生的主要原因，提出了爆破綜合卸壓措施。李安寧等[14]認(rèn)為層間巖柱的夾持力是形成沖擊力源的關(guān)鍵因素，提出在夾持煤體中掘進(jìn)爆破卸壓巷道措施。藍(lán)航[15]用“撬桿效應(yīng)”來解釋煤巖沖擊地壓的力源，提出了結(jié)合爆破和高壓注水的沖擊地壓防治方案。第3 類是基于沖擊地壓機(jī)理，提出建立保護(hù)層的防沖措施。歐陽振華等[16]、榮海等[17]提出了自保護(hù)卸壓防控方法，重點(diǎn)研究了該方法在首采煤層的卸壓效果。高明仕等[18]提出通過減小頂板破斷時(shí)的懸頂尺寸，來破壞煤巖體的完整性，從而避免沖擊地壓發(fā)生。

目前針對(duì)近直立煤層開采沖擊地壓防治的措施中，爆破、水壓致裂等卸壓手段會(huì)使層間巖柱及頂?shù)装瀹a(chǎn)生破壞，形成大塊頂?shù)装澹S著開采深度增加使采空區(qū)結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜，不利于長(zhǎng)期開采的安全性；建立保護(hù)層的方法對(duì)于淺埋區(qū)域開采有較好的保護(hù)作用，但隨著開采深度增加，難以降低巖柱的應(yīng)力集中，層間巖柱易發(fā)生破斷。另外，上述措施均會(huì)造成較大的地表沉降問題，對(duì)生態(tài)環(huán)境不利。

本文以烏東煤礦為例，針對(duì)近直立煤層群水平綜放開采方法，設(shè)計(jì)了充填卸壓方案，通過充填采空區(qū)對(duì)近直立煤層綜放開采層間巖柱及頂?shù)装瀹a(chǎn)生支護(hù)作用，減緩頂板及層間巖柱傾倒現(xiàn)象，并降低開采分段周圍煤巖體的應(yīng)力集中，維持采場(chǎng)穩(wěn)定性，同時(shí)減小地表沉降，保證巖層運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定有序。

1 工程背景

1.1 礦井地質(zhì)條件

烏東煤礦位于新疆烏魯木齊礦區(qū)。早期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和博格達(dá)峰的抬升對(duì)地層造成了強(qiáng)烈影響，導(dǎo)致地層受擠壓扭轉(zhuǎn)，在煤層開采區(qū)域出現(xiàn)水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的現(xiàn)象，水平最大主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.74～1.90 倍。烏東煤礦南采區(qū)位于八道灣向斜南翼，煤巖層傾角為86～89°，呈北東—南西向分布。

烏東煤礦南采區(qū)目前主采B3+6 煤層和B1+2 煤層。2 個(gè)煤層之間有厚度為50～101 m 的大巖柱，巖柱從東向西逐漸變寬。目前采用水平分段綜放開采技術(shù)，采放比為1∶8，階段采高為25 m，割煤高度為3.2 m，放煤高度為22.8 m。采用全部垮落法管理頂板，采空區(qū)被黃土和頂板巖柱剝落的巖石碎塊充填。地面標(biāo)高為+765～ +815 m， 現(xiàn)階段開采工作面水平標(biāo)高為+425 m； 階段高度為25 m（+425～+450 m），開采深度為300～400 m。2 個(gè)煤層交替開采，B3+6 煤層開采速度大于B1+2 煤層，同一水平下B1+2 煤層先被開采。隨著采深增加，形成了近直立懸頂結(jié)構(gòu)和近直立巖柱結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。