寧掌玄,張鋒春,丁廣富

(1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西 大同037003;2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院,遼寧沈陽 110004;3.同煤集團(tuán)云岡礦,山西大同 037017)

煤礦常常將回采工作面布置在上覆煤層已開采工作面的殘留煤柱和采空區(qū)下,使工作面處于上覆工作面煤柱和本工作面回采所產(chǎn)生的迭合支承壓力下,這種情況對(duì)現(xiàn)回采工作面的開采和回采巷道的支護(hù)會(huì)帶來很大程度的影響。本文通過對(duì)云岡礦11#層8908工作面受上覆煤柱壓力等復(fù)雜工況條件下的回采情況進(jìn)行分析,提出了相應(yīng)的解決方案和采取的技術(shù)措施,并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬,對(duì)今后類同的工程具有積極的指導(dǎo)作用。

1 工程概述

云岡礦11#層309盤區(qū)8908工作面走向長度1 340m,傾向長度140 m,煤層厚度0.35 m～2.70 m,平均厚度1.97 m;煤層傾角1°～8°,平均傾角6°。本工作面煤層底板呈一復(fù)式向背斜構(gòu)造,總體趨勢北高南低,區(qū)內(nèi)發(fā)育落差0.4 m～0.8 m的6條正斷層,如圖1地質(zhì)圖所示。

8908工作面在距切巷445 m～480 m發(fā)育一煤層變薄區(qū),厚度0.35m～1.70 m。本工作面上覆為8#層81108、81112工作面采空區(qū)及 8#層311-2皮帶巷、511-2回風(fēng)巷道,8#層81110工作面在本區(qū)域上覆未采;上覆 7#層為 81112、81104工作面采空區(qū)。上覆8#層工作面與11#層工作面平行布置,7#層工作面與8#層工作面垂直布置,開采期間8908工作面的皮帶順槽巷道2908巷及工作面尾半部壓力較大。

工作面采至距509回風(fēng)巷386 m～150 m處同時(shí)經(jīng)過漏頂斜巷區(qū)和上覆8#層51112-21110采面煤柱、51110-21108采面煤柱。工作面普遍存在一層0.40 m～1.30 m的偽頂,且其間發(fā)育一層0.05 m～0.10 m的煤線,靠近東部與10#層層間距為1.20 m左右,向西面逐漸尖滅。

本工作面在掘進(jìn)期間,煤柱疊加壓力便顯現(xiàn)明顯,造成巷道漏頂并重新開設(shè)新口掘進(jìn),因此本面開采前就要求加強(qiáng)頂板的維護(hù)管理。工作面頂?shù)装迩闆r:老頂為粉細(xì)砂巖,厚度17.1 m～18.9 m,深灰色,含石英,少量暗色礦物;直接頂為粉細(xì)砂巖,厚度7.59 m～10.12 m,深灰色,含少量植物化石,頂部為煤線;偽頂為粉砂巖夾煤線,厚度0.40 m～1.30 m,黑灰色,層理發(fā)育;直接底為中細(xì)砂巖,厚度8.53 m～14.09 m,深灰色,含石英,少量暗色礦物。

圖1 工作面地質(zhì)圖

8908工作面采用傾斜長壁后退式,采空區(qū)頂板全部垮落法開采,一次采全高,采煤機(jī)端頭斜切進(jìn)刀,割三角煤后,前滾筒割頂煤,后滾筒割底煤并裝煤,工作面運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤,距采煤機(jī)后滾筒4.5 m依次移架,及時(shí)支護(hù),機(jī)后15 m開始順序移溜,直至另一端頭,如此循環(huán)往復(fù),循環(huán)進(jìn)度0.6 m,進(jìn)刀長度25 m。

2 復(fù)雜條件下的開采技術(shù)

2.1 過煤層變薄區(qū)

本工作面采至445 m～480 m處,工作面頭部及2908皮帶巷道經(jīng)過一煤層變薄區(qū),從巷道揭露情況觀察,預(yù)計(jì)平面上呈橢圓形狀,長軸約35 m,短軸約30 m,厚度在 0.35 m～1.70 m。實(shí)際開采過程中發(fā)現(xiàn),工作面頭部長、短軸均有延伸,達(dá)到長軸45 m,短軸40 m,給正常生產(chǎn)造成一定困難。

通過采取以下措施順利通過此段煤層變薄區(qū)。當(dāng)變薄區(qū)過渡段頂?shù)装鍘r層厚度小于30 cm時(shí),采煤機(jī)割頂割底以此來保證采高;當(dāng)頂?shù)装鍘r層變厚時(shí),采取松動(dòng)爆破對(duì)巖石進(jìn)行破碎以便來保證采高基本不變;同時(shí)采取追機(jī)擦頂移架,支架拉至最小空頂距;在2908皮帶巷道采用鋪設(shè)金屬網(wǎng)、打注錨索工字鋼梁,結(jié)合作業(yè)規(guī)程超前單體柱支護(hù)來加強(qiáng)變薄區(qū)頂板的維護(hù)[1,2]。

2.2 過斷層

在工作面采至1 210 m時(shí),遇到6條落差為0.4 m～0.8 m的正斷層,影響范圍在23#～43#、51#～59#、62#～64#支架處,對(duì)正常生產(chǎn)造成很大影響。

通過采取以下措施,順利通過此大范圍斷層:當(dāng)巖石厚度小于30 cm時(shí),煤機(jī)割頂割底來保證采高;當(dāng)巖石變厚時(shí),采取松動(dòng)爆破對(duì)巖石進(jìn)行破碎以便來保證采高基本不變;同時(shí)采取追機(jī)擦頂移架,支架拉至最小空頂距;加強(qiáng)支架和電氣設(shè)備管理,用皮帶護(hù)套保護(hù)好支架,杜絕電氣失爆,保證設(shè)備完好,嚴(yán)格控制打眼數(shù)量、深度和裝藥量,防止擠壓運(yùn)輸機(jī)。

2.3 過漏頂斜巷區(qū)

工作面采至距5908回風(fēng)巷386 m～150 m的236 m范圍處,由于原5908巷道在掘進(jìn)巷道時(shí)受上覆7#、8#層煤柱疊加壓力發(fā)生頂板來壓漏頂,于是在此236 m范圍將5908巷道向工作面移動(dòng)了15 m,5908巷便出現(xiàn)了此段斜巷—直巷—斜巷的區(qū)域。

為了順利通過此段區(qū)域,采取了以下措施:在工作面推進(jìn)至距5908回風(fēng)巷386 m的斜巷時(shí),進(jìn)行小搬家,工作面縮短15 m,撤出尾部10個(gè)支架,當(dāng)采至距5908回風(fēng)巷150 m的斜巷時(shí),再增加10個(gè)支架;提前編制措施,對(duì)5908巷的斜巷三角區(qū)、搬家直橫峒、原5908巷至密閉墻巷道頂板進(jìn)行鋪設(shè)金屬網(wǎng)、打注錨索鋼梁棚及抬棚、支設(shè)單體柱來維護(hù)頂板,采用尼龍網(wǎng)錨桿錨索護(hù)幫;工作面采至距進(jìn)行小搬家停采線12 m處,80#～96#支架要鋪設(shè)金屬網(wǎng)直至停采線,同時(shí)距停采線5.7 m時(shí)每架一架便對(duì)頂板進(jìn)行打注錨索,距停采線4.0 m時(shí)架設(shè)長為4.0 m的傾向梁,傾向梁的搭接長度為0.5 m;另外,加強(qiáng)搬家絞車、吊裝梁的管理,加快搬家進(jìn)度,加快工作面推進(jìn)速度,在頂板未發(fā)生明顯變化前及時(shí)通過此區(qū)域[3,4]。

2.4 過上覆采空區(qū)煤柱

本工作面有上覆7#、8#層多個(gè)工作面采空區(qū)煤柱,為保證安全順利通過,采取了以下措施:提前對(duì)煤柱影響范圍內(nèi)兩巷頂板進(jìn)行維護(hù),采用錨索鋼梁棚,及錨索鋼梁抬棚維護(hù),靠近工作面煤幫采用錨索支護(hù);采煤機(jī)割煤采用割底煤、超前拉架維護(hù)機(jī)道頂板,防止了工作面發(fā)生漏頂;如遇頂板破碎,壓力顯現(xiàn)明顯情況,對(duì)兩巷鋪設(shè)金屬網(wǎng)后進(jìn)行架設(shè)錨索鋼梁棚或抬棚,同時(shí)采用尼龍網(wǎng)錨桿錨索進(jìn)行護(hù)幫,將超前支護(hù)改為3排,如圖2支護(hù)結(jié)構(gòu)圖所示。

圖2 巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)

具體體現(xiàn)在以下一些措施上:

受上覆7#層81104工作面停采線和煤柱疊加壓力影響區(qū)域(范圍從工作面切巷至尾巷16#測點(diǎn)、皮巷15#測點(diǎn)共計(jì)550 m)。范圍內(nèi)采取以下措施:補(bǔ)注錨索鋼梁棚加支帶帽木點(diǎn)柱,尤其要加強(qiáng)5908回風(fēng)巷道的支護(hù),對(duì)局部已出現(xiàn)片幫掉渣的巷道要進(jìn)行補(bǔ)充加強(qiáng)支護(hù);尾巷16#觀測點(diǎn),皮巷15#觀測點(diǎn)前后40 m范圍內(nèi)應(yīng)補(bǔ)充支護(hù),防止出現(xiàn)漏頂現(xiàn)象。

受8#層煤柱影響區(qū)域(距5908回風(fēng)巷190 m、360 m、500 m、610 m處)。范圍段采取以下措施:根據(jù)8906工作面開采情況,煤柱影響范圍一般為煤柱前后20 m加上煤柱本身寬度大約共計(jì)64 m的范圍,對(duì)此范圍加強(qiáng)支護(hù),補(bǔ)支錨索鋼梁棚;另外對(duì)2908巷道4#觀測點(diǎn)煤柱影響區(qū)域,如果出現(xiàn)頂板下沉、掉渣、煤幫片幫等現(xiàn)象,應(yīng)緊急采取補(bǔ)充支護(hù)[4,5]。

開采期間,工作面機(jī)道距2908巷 30 m處遇有8#層81112停采線及8#層81108停采線,機(jī)道在此范圍內(nèi)出現(xiàn)壓力增大,出現(xiàn)頂板破碎及工作面煤柱超前片幫等現(xiàn)象。為此采取以下措施:在開采此范圍期間,采用割底煤超前拉架以維護(hù)工作面機(jī)道頂板,防止工作面出現(xiàn)漏頂現(xiàn)象;2908皮帶巷靠人行道一側(cè)的煤幫提前采取補(bǔ)護(hù)幫網(wǎng),護(hù)幫長度500 m。

2.5 其 它

工作面普遍存在一層0.40 m～1.30 m偽頂,且其間發(fā)育一層0.05 m～0.10 m的煤線,靠近東部與10#層層間距為1.20 m左右,向西面逐漸尖滅。由于工作面平均煤層厚度為1.97 m,為保證采高,采煤機(jī)普遍要破0.05 m～0.40 m的偽頂,給本來便不易留存的偽頂管理帶來更大難度,為保證安全,采取了以下措施:割煤采用及時(shí)移架,控制偽頂;避免人員機(jī)道作業(yè),檢修時(shí)支設(shè)臨時(shí)支護(hù);加強(qiáng)支架管理,保證乳化液濃度和初撐力達(dá)標(biāo)。

工作面開采過程中,對(duì)通風(fēng)、瓦斯、煤塵等均實(shí)現(xiàn)了安全管理,未因此而發(fā)生事故和造成對(duì)開采的影響。

3 數(shù)值模擬分析

采用大型有限元分析軟件MIDAS/GTS進(jìn)行建模分析,為了更貼近實(shí)際工程,建立模型時(shí)首先采用導(dǎo)入工程地層標(biāo)高方法,以便更準(zhǔn)確地體現(xiàn)各部位所承受的重力荷載作用情況,其次將本工作面開采過程中遇到的上覆采空區(qū)煤柱、頂板破壞區(qū)、煤層變薄區(qū)、斷層、偽頂?shù)忍厥夤r條件,以及采取的支設(shè)單點(diǎn)柱、錨網(wǎng)支護(hù)、增加超前支護(hù)、架設(shè)金屬網(wǎng)錨索鋼梁、鋼梁棚等有效技術(shù)手段和方法措施作為建模依據(jù),具體的幾何建模信息情況如圖3所示,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示[6]。

圖3 巷道三維數(shù)值模型

圖4 網(wǎng)格劃分圖

在重力荷載作用下對(duì)所建立模型進(jìn)行有限元分析,得出地層結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如圖5、圖6所示。由計(jì)算結(jié)果可見,巷道四角處發(fā)生變形最為明顯,右側(cè)拱腳處應(yīng)變最大,為36.75mm。在此基礎(chǔ)上,對(duì)巷道襯砌進(jìn)行受力分析,圖7、圖8分別為巷道部分開挖網(wǎng)格劃分圖和襯砌受力圖,由此計(jì)算結(jié)果可見,巷道頂板處應(yīng)力較為集中,拱頂最大應(yīng)力為43.2 MPa,但是在可接受范圍內(nèi)[7～9]。

由模擬結(jié)果可見,11#的開采是安全的,與實(shí)際結(jié)果相符,證明建模是正確的,此次建模技術(shù)將會(huì)為以后類似工況條件下的回采工作提供有力的技術(shù)指導(dǎo),其意義重大。

圖5 地層應(yīng)力云圖

圖6 地層應(yīng)變?cè)茍D

圖7 巷道網(wǎng)格劃分

圖8 巷道Z方向應(yīng)力

4 結(jié) 論

本回采工作面實(shí)際開采中所遇到的問題具有典型性,實(shí)際回采中采取的技術(shù)措施、手段,建模的方法、分析手段等為今后類似工作面的開采可以提供很好的技術(shù)支持,該技術(shù)有良好的應(yīng)用價(jià)值,值得積極推廣和進(jìn)一步的發(fā)展和完善。

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