专利名称：留小煤柱基于F型综采工作面的煤矿冲击地压治理方法
  申请(专利)号： 202011245624.1
专利权人：陈卫军

项目简介：本发明提出一种“F”型综采工作面留小煤柱布置法，适用于具有冲击地压灾害的现代化矿井使用，能够使顶板压力连续、均匀地释放，避免形成强应力集中区，从而杜绝冲击地压。本发明既能治理冲击地压现象又能提高资源回收率，还能发挥工作面多巷布置带来的辅助运输等便利，开创了一种全新的煤矿冲击地压治理方法。其步骤简单，实施成本低，且具有广泛的实用性。以5000米推进长度、5.0m采煤厚，仅测算本地区一个工作面，即可提高经济效益1.5亿。

留小煤柱基于F型综采工作面的煤矿冲击地压治理方法
技术领域

本发明涉一种煤矿冲击地压治理方法，尤其适用煤矿井下机械化采煤矿使用的一种留小煤柱基于F型综采工作面的煤矿冲击地压治理方法，属于煤矿开采和安全领域。

背景技术

为了确保煤矿开采安全、高效，绝大多数矿井工作面之间留设20—40米宽度的隔离煤柱，但针对冲击地压原理的研究表明，正是宽煤柱造成了应力集中，当应力和能量集中超过煤柱支撑能力时发生冲击矿压。以鄂尔多斯区域煤矿冲击地压为例，区内冲击地压无一例外地发生于接续工作面受二次采动影响巷道（多做回风），与上一工作面之间留设20—40米宽煤柱，可以说凡是采用工作面之间留设煤柱的都存在严重的冲击地压问题。

从结构力学的角度而言，是因为在接续工作面回采前，受二次动压巷道一侧为与上一工作面之间隔离煤柱，另一侧为工作面前方未采区。巷道两侧煤体及上覆基岩作为相邻已采区所形成“受力拱”的拱脚而提供支撑力，成为应力集中区。上覆基岩临采空区侧为已采区冒裂边界，形成自由度，是最容易发生岩移的区域。因而该应力集中区构成“悬臂梁”承力结构。

在工作面回采过程中，基本顶由于周期性断裂而产生动压。实验和实测证明，上覆岩层移动由下向上成组运动，形成层间离层，岩层移动的动态过程受控于覆岩关键层运动。岩体本身的非均质性及力学特征的非均一性，决定了不同高度、不同范围分层跨落的步距也不一致，所引起的应力集中范围和强度也不同。如图1中A、B 两点因发挥支撑作用而应力集中，而C点对应的离层区则应力较小。在时间跨度上，不同时期会形成不同高度的“受力拱”，越到后期“受力拱”高度和规模也越大。隔离煤柱的支撑作用会使得其上覆岩层分层跨落的间距更大。顶板断裂处（A、B点）也往往是着力点，所叠加的应力集中程度和强度也更大。

回采后两侧采空，只剩隔离煤柱作为不断向上发育的“多跨叠加拱”的中间拱脚提供支撑力，上覆岩层压力多集中于此，形成“扁担效应”，图2。由于采空区冒落带形成初期还处于不断被压实的状态，能够提供的支撑力比较小，造成整个采空区上覆岩层压力很大一部分通过拱结构转移至“悬臂梁”区域和采空区隔离煤柱，其值大小又首先取决于上覆岩层的厚度，厚度越大，压力也越大。

岩体是经历漫长地质历史而形成的，赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中，长期经受复杂的地质建造和改造两大作用，产生了各种不同类型和规模的结构面，如断层、节理、层理、片理、裂隙等；煤系地层本身就是层状结构，其成分及其力学性质极不均匀。受这些结构面交切，形成了一种独特的割裂结构。岩体受压能力远远大于受拉能力，一般达10倍。深部岩体在采动影响之前处于三向应力状态，其内部则表现为压应力（至今未实测得拉应力）。岩体破坏的前提条件是先形成空间，以便于受压转化为受拉或剪。

上述三个因素加上岩体本身的属性共同决定了受二次采动影响巷道区域压力只能是在应力集中、叠加超出支撑能力时，间断性地释放，从而形成冲击地压。

目前冲击地压治理使用最多的是两种技术，即沿空留巷和沿空掘巷技术。应用沿空掘巷和沿空留巷技术治理冲击地压的理论基础在于工作面开采后，采空区顶板运动形成冒落带、裂隙带、整体沉弯带的过程中，矿山压力会快速向高处、两侧转移，低位冒落带和裂隙带快速形成的过程其实也是隅角区域局部受力拱生成的过程。这个受力拱一侧由未采区煤帮及顶板支撑，做为拱脚，另一侧由采空区冒落带提供支撑，这个拱形成的受力带可称为内应力区，力的来源为采空区边界断裂拱，这就决定了工作面隅角区域反而成为了低应力区，见图3。无论是沿空掘巷还是沿空留巷，其位置都位于这一低应力区。

俄罗斯、德国、波兰等国家应用长壁开采方法时推行冲击地压治理较普遍，多为沿空留巷，但这一技术在我国推行时由于地质条件复杂、矿山压力大等原因遇到的困难较多，目前仅在部分浅埋深矿井有成功应用，大屯、兖州等矿区也曾在深埋矿井试验沿空留巷技术，但都未取得真正的成功。根本原因在于需要作业人员进入工作面后的采空区边缘，施工构筑承力墙将回采巷道保留下来，这在具有冲击地压的矿井非常危险。

我国目前推广应用的沿空掘巷技术，其实是留小煤柱提前掘巷法，一般留设6-10米，这一技术近年在兖矿、淮南等矿区解决冲击地压问题方面取得了较好的效果，但同时也存在提前掘进巷道破坏严重，难以支护的问题，如在易自燃煤层施行极易造成采空区遗煤自燃，此外破碎的小煤柱极易引发相邻采空区积水涌入工作面的事故。原因就在于在回采接续工作面时，需要提前沿空掘巷，由于小煤柱支撑能力极弱，且与上一工作面采空区相连，沿空掘巷上覆顶板形成悬臂梁，造成小煤柱破碎、漏风严重。因为巷道需要长期通风，这就导致小煤柱及上一工作面采空区处于通风状态的时间往往超过2年，在易自燃煤层施行，则极易引发煤层自燃。另外，在本工作面开采时，在超前应力作用下，会活化上一工作面采空区边界上覆岩层，形成压力叠加效应，导致小煤柱更加破碎，漏风更严重，巷道也出现底鼓、破坏等现象，在人员通行的时候并不能完全保证安全。

发明内容

针对现有技术的不足之处，提供一种能够避免沿空掘巷带来的不利影响，能够发挥小煤柱避免强矿压集中和释放的效果，能够发挥工作面三巷布置的高效优势，设计新颖，既能治理冲击地压现象又能提高资源回收率的留小煤柱基于F型综采工作面的煤矿冲击地压治理方法。

为了实现上述目的，本发明的留小煤柱基于F型综采工作面的煤矿冲击地压治理方法，其步骤如下：布置首采工作面和第二工作面，保证首采工作间位于最低处，使第二工作面高于首采工作面；在首采工作面靠近边界一侧布置一个或两个顺槽，在首采工作面靠近第二工作面的一侧布置两条并行设置的顺槽，顺槽之间设有联络巷，其中靠近第二工作面的顺槽两个工作面共用；然后掘进切眼连接首采工作面内侧最近的两条巷道，进行留小煤柱开采，开采后再进行回采的同时在第二工作面远离首采工作面的一侧布置两条与首采工作面平行的顺槽，并在两条巷道之间间隔设置联络巷，其中最靠近第三工作面的为第二、三工作面共用顺槽，从第二工作面中最内侧巷道向首采工作面掘进切眼直至靠近首采工作面的揭露采空区后停止，首采工作面结束回采后在第二工作面切眼布置综采设备，并通过调节刮板机机尾增加一节采煤机行走支腿销排，从而在第二工作面回采时同时回采首采工作面与第二工作面两个顺槽间的煤层，使刮板机机尾与首采工作面采空区之间留有尺寸为4—8米的小煤柱，重复上述步骤完成整个采区的工作，即实现了小煤柱回采又避免了沿空掘巷，从而达到治理冲击地压的目的。

具体步骤如下：

a、采区内采用走向长臂采煤法，首采工作面布置于最低处并采用多巷道的布置方式，首先在采区的首采工作面边界布置一条或两条顺槽，若需要考虑采区排水布置两条，否则应布置一条；

b、在首采工作面临近预设第二工作面一侧平行布置两条顺槽，第二工作面高于首采工作面，其中靠近第一工作面侧的一条顺槽作为首采工作面的胶运、供风巷，在首采工作面回采后该巷道被采空区顶板冒落破坏；另一条与第二工作面紧挨的顺槽为首采工作面与第二工作面共用，回采首采工作面时作为进风、辅运巷，后期回采第二工作面时作为回风巷；从而在回采首采工作面时形成两进一回，或两进两回的供风效果；

c、首采工作面顺槽掘进到位后掘进切眼，切眼长度为工作面中内侧两条顺槽之间距离，矿务工程完毕后布置综采设备和生产系统，开始回采首采工作面；

d、首采工作面回采过程同时，在第二工作面临近第三工作面的一侧同样施工两条平行布置的顺槽，两条顺槽之间间隔设有联络巷，其中紧挨第三工作面的巷道作为第二工作面和第三工作面的共用巷，在回采第二工作面时其作为进风、辅运巷，后期回采第三工作面时只作为回风巷；另一条贴近第二工作面的巷道只作为第二工作面的进风、胶运巷；

e、第二工作面进风、胶运巷和与第三工作面共用巷掘进到位后开始掘进第二工作面切眼，顺着切眼越过首采工作面与第二工作面共用巷，直至抵近首采面的揭露采空区附近停止，此时的第二工作面切眼、第二工作面进风、胶运巷以及第二工作面与首采面共用巷布置成“F”型，越过第二工作面与首采面共用巷的一段切眼形成独头巷；

f、待首采工作面结束回采，第二工作面矿务工程完毕后，在第二工作面切眼安装综采设备、在其进风、胶运巷安装胶带机，第二工作面与首采面共用巷作为回风使用，第二工作面与第三工作面共用巷作为辅运、进风使用，形成“F”型工作面布置；

g、第二工作面布置好设备并形成生产系统后开始回采，使用全部跨落法管理采空区顶板，工作面刮板机机尾与首采工作面采空区之间保留尺寸为4—8米小煤柱进行回采，仅保留部分作为首采工作面的胶运、供风巷测的小煤柱；

h、重复步骤n至步骤g，实现全采区工作面之间仅留设4—8米小煤柱回采，从而有效避免应力集中，从而达到治理冲击地压的目的。

若采区的首采工作面边界布置一条顺槽，则作为工作面的回采巷道使用；若布置两条顺槽，则两条顺槽并行设置，两者之间设置联络巷，将距离采区边界最近的一条巷道作为辅运巷或泄水巷，另一条作为工作面回采巷道使用；首采工作面和第二工作面共用顺槽，在后期回采第二工作面时只作为回风巷和逃生通道使用，优选回风巷，不能做胶运或主要辅运巷使用。

在第二工作面回采过程中，与首采工作面共用的回风巷距离工作面机尾约32—76m，工作面机尾会一直存在非系统通风状态，故需要在工作面安装一台局扇向机尾供风，其它工作面回采时情况相同均需要安装局扇向机尾供风。

第二工作面另外两条顺槽间距具体视矿压显现特征而定，确保巷道在回采第二工作面时能够安全使用的情况下应取小值；为40—80m。

第二工作面临近第三工作面的一侧施工的两条平行设置的顺槽之间的联络巷间隔为200—500米。

步骤d中第二工作面切眼布置，切眼要越过首采工作面与第二工作面共用巷，抵近首采面采空区，距揭露采空区4—8米为止，使越过共用巷一段切眼形成独头巷，在工作面回采前要局扇供风，即能够补充空气，同时可以有效减少瓦斯。

综采设备的刮板机机尾采用平行电机布置，防止挡住煤机割不透，并且在刮板机机尾增加1节采煤机行走支腿销排，使采煤机能够割透刮板机机尾，使刮板机机尾和支架能够向前移动从而实现小煤柱的回采。

有益效果：

本发明无需对小煤柱进行加固，不提前临空掘巷，漏风少，既能治理冲击地压现象又能提高资源回收率，还能发挥工作面三巷布置带来的辅助运输等便利，开创了一种全新的煤矿冲击地压治理方法。其经济效应好，实施成本低，实施步骤简单，通过改变两个工作面之间的煤柱宽度，在不减少煤柱对顶板的支撑效果的同时，缩小两个工作面之间的煤柱宽度，从而避免应力集中，本发明既能实现小煤柱回采又能避免沿空掘巷，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为传统沿空留巷位置及矿压分布示意图；

图2为传统沿空掘巷位置及矿压分布示意图；

图3为本发明留小煤柱基于F型综采工作面的煤矿冲击地压治理方法的工作面布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：、

如图3所示，本发明的留小煤柱基于F型综采工作面的煤矿冲击地压治理方法，首先布置首采工作面和第二工作面，保证首采工作间位于最低处，使第二工作面高于首采工作面；在首采工作面靠近边界一侧布置综合顺槽，综合顺槽为一个或两个平行设置的顺槽，在首采工作面靠近第二工作面的一侧布置两条并行设置的顺槽，顺槽之间设有联络巷，其中靠近第二工作面的顺槽两个工作面共用；然后掘进切眼连接首采工作面内侧最近的两条巷道，进行留小煤柱开采，同时提前排放首采工作面采空区积水，保证水头降低到2米以下就可以保证后续工作面的防水，开采后再进行回采的同时在第二工作面远离首采工作面的一侧布置两条与首采工作面平行的顺槽，并在两条巷道之间间隔设置联络巷，其中最靠近第三工作面的为第二、三工作面共用顺槽，从第二工作面中最内侧巷道向首采工作面掘进切眼直至靠近首采工作面的揭露采空区后停止，首采工作面结束回采后在第二工作面切眼布置综采设备，并通过调节刮板机机尾增加一节采煤机行走支腿销排，从而在第二工作面回采时同时回采首采工作面与第二工作面两个顺槽间的煤层，使刮板机机尾与首采工作面采空区之间留有尺寸为4—8米的小煤柱，重复上述步骤完成整个采区的工作，即实现了小煤柱回采又避免了沿空掘巷，从而达到治理冲击地压的目的。

具体步骤如下：

a、采区内采用走向长臂采煤法，首采工作面布置于最低处并采用多巷道的布置方式，首先在采区的首采工作面边界布置一条或两条顺槽，若需要考虑采区排水布置两条，否则应布置一条；具体的，若布置一条顺槽，则作为工作面的回采巷道使用；若布置两条顺槽，则两条顺槽并行设置，两者之间设置联络巷，将距离采区边界最近的一条巷道作为辅运巷或泄水巷，另一条作为工作面回采巷道使用；首采工作面和第二工作面共用顺槽，在后期回采第二工作面时只作为回风巷和逃生通道使用，优选回风巷，不能做胶运或主要辅运巷使用。

b、在首采工作面临近预设第二工作面一侧平行布置两条顺槽，第二工作面高于首采工作面，其中靠近第一工作面侧的一条顺槽作为首采工作面的胶运、供风巷，在首采工作面回采后该巷道被采空区顶板冒落破坏；另一条与第二工作面紧挨的顺槽为首采工作面与第二工作面共用，回采首采工作面时作为进风、辅运巷，后期回采第二工作面时作为回风巷；从而在回采首采工作面时形成两进一回，或两进两回的供风效果；

c、首采工作面顺槽掘进到位后掘进切眼，切眼长度为工作面中内侧两条顺槽之间距离，矿务工程完毕后布置综采设备和生产系统，开始回采首采工作面；第二工作面切眼布置，切眼要越过首采工作面与第二工作面共用巷，抵近首采面采空区，距揭露采空区4—8米为止，使越过共用巷一段切眼形成独头巷，在工作面回采前要局扇供风，即能够补充空气，同时可以有效减少瓦斯。

d、首采工作面回采过程同时，在第二工作面临近第三工作面的一侧同样施工两条平行布置的顺槽，两条顺槽之间间隔设有联络巷，其中紧挨第三工作面的巷道作为第二工作面和第三工作面的共用巷，在回采第二工作面时其作为进风、辅运巷，后期回采第三工作面时只作为回风巷；另一条贴近第二工作面的巷道只作为第二工作面的进风、胶运巷；在第二工作面回采过程中，与首采工作面共用的回风巷距离工作面机尾约32—76m，工作面机尾会一直存在非系统通风状态，故需要在工作面安装一台局扇向机尾供风，其它工作面回采时情况相同均需要安装局扇向机尾供风；第二工作面的两条顺槽间距具体视矿压显现特征而定，确保巷道在回采第二工作面时能够安全使用的情况下应取小值；为40—80m；

e、第二工作面进风、胶运巷和与第三工作面共用巷掘进到位后开始掘进第二工作面切眼，顺着切眼越过首采工作面与第二工作面共用巷，直至抵近首采面的揭露采空区附近停止，此时的第二工作面切眼、第二工作面进风、胶运巷以及第二工作面与首采面共用巷布置成“F”型，越过第二工作面与首采面共用巷的一段切眼形成独头巷；第二工作面临近第三工作面的一侧施工的两条平行设置的顺槽之间的联络巷间隔为200—500米；

f、待首采工作面结束回采，第二工作面矿务工程完毕后，在第二工作面切眼安装综采设备、在其进风、胶运巷安装胶带机，第二工作面与首采面共用巷作为回风使用，第二工作面与第三工作面共用巷作为辅运、进风使用，形成“F”型工作面布置；

g、第二工作面布置好设备并形成生产系统后开始回采，使用全部跨落法管理采空区顶板，工作面刮板机机尾与首采工作面采空区之间保留尺寸为4—8米小煤柱进行回采，仅保留部分作为首采工作面的胶运、供风巷测的小煤柱；

h、重复步骤n至步骤g，实现全采区工作面之间仅留设4—8米小煤柱回采，从而有效避免应力集中，从而达到治理冲击地压的目的。

综采设备的刮板机机尾采用平行电机布置，防止挡住煤机割不透，并且在刮板机机尾增加1节采煤机行走支腿销排，使采煤机能够割透刮板机机尾，使刮板机机尾和支架能够向前移动从而实现小煤柱的回采。

图1为传统沿空留巷位置及矿压分布示意图，在工作面后的采空区边缘人工构筑承载体将回采巷道保留下来。构筑承载体的方法传统多采用矸石+水泥砂浆砌筑，后来又发展出钢混凝土墙、柔模混凝土墙。图2为传统沿空掘巷位置及矿压分布示意图；

实施例一：

一种煤矿冲击地压治理方法，步骤如下

a、采区首采工作面布置采用3巷或4巷布置，临近采区边界布置一条或两条顺槽，间距30—40米，最靠近边界一条可作为辅运巷或泄水巷，另一条可作为工作面回风巷或胶运巷；临近第二工作面一侧布置双巷，间距40—80米，其中一条作为首采工作面的胶运、进风巷或回风巷，另一条为首采工作面和第二工作面共用巷，回采首采工作面时作为进风、辅运巷或回风巷，后期回采第二工作面时作为回风巷；

b、顺槽掘进到位后掘进切眼，切眼长度为内侧两条顺槽之间距离，矿务工程完毕后布置综采设备和生产系统，开始回采首采面；

c、在首采工作面回采过程中，掘进第二工作面另外两条顺槽，根据需要每隔200—500米施工一条联络巷，顺槽间距40—80m，其中一条作为第二工作面进风、胶运巷，另一条为第二工作面和第三工作面共用巷，回采第二工作面时作为进风、辅运巷，后期回采第三工作面时作为回风巷；

d、第二工作面进风、胶运巷掘进到位后开始掘进切眼，切眼要越过首采工作面与第二工作面共用巷，抵近首采面采空区，距揭露采空区4—8米为止，工作面布置成“F”型，越过共用巷一段切眼形成独头巷，在工作面回采前要局扇供风；

e、待首采工作面结束回采，第二工作面矿务工程完毕后，在第二工作面切眼布置综采设备，刮板机机尾一定要采用平行电机布置，另机尾要增加1节采煤机行走支腿销排，使采煤机能够割透机尾，使刮板机机尾和支架能够向前移动；

f、第二工作面布置好设备并形成生产系统后开始回采，机尾与首采工作面采空区之间一直保留4—8米小煤柱；

g、第二工作面回采过程中，回风巷（与首采工作面共用）距离工作面机尾约32—76m，工作面机尾会一直存在非系统通风状态，故需要在工作面安装一台局扇向机尾供风；

h、在第二工作面回采过程中，掘进第三工作面另外两条顺槽，根据需要每隔200—500米施工一条联络巷，顺槽间距40—80m，其中一条作为第三工作面进风、胶运巷，另一条为第三工作面和第4工作面共用巷，回采第三工作面时作为进风、辅运巷，后期回采第4工作面时作为回风巷；

i、重复步骤d-e-f-g-h，实现全采区工作面之间仅留设4—8米小煤柱回采，避免应力集中，达到治理冲击地压的目的。