李昊顧鵬翔劉洋

(1、陜西建新煤化有限責(zé)任公司,陜西 黃陵727300 2、中國(guó)礦業(yè)大學(xué),江蘇 徐州221000)

1 概述

綜采放頂煤工作面停采線合理位置的確定,不僅可以提高煤炭資源的回收率,也可以維護(hù)大巷的穩(wěn)定性,尤其對(duì)于孤島工作面綜放開(kāi)采,停采線的合理布置顯得尤為重要[1]。但是厚煤層孤島綜放工作面回采后超前支承壓力范圍、峰值以及與煤壁距離相對(duì)于一般條件工作面都大[2],因此,在保證工作面安全停采的前提下,要合理確定工作面停采煤柱留設(shè)尺寸,最大限度地提高資源回收率[3-5]。開(kāi)展針對(duì)性的分析探究,在確保生產(chǎn)安全的同時(shí)最大程度提升煤炭回采率,對(duì)于礦井綜合收益的提升有著積極意義[2]。通過(guò)FLAC數(shù)值模擬分析建新煤化4206孤島工作面合理停采線位置,在保證回撤通道穩(wěn)定的前提下,既能保證輔運(yùn)大巷不受破壞,又能使煤炭資源損失最小。

2 4206 工作面概況

4206工作面位于42盤(pán)區(qū)東部,如圖1所示,工作面呈西南-東北方向布置,其南為4208工作面(已開(kāi)采),北界為4204工作面(已開(kāi)采),東界為42盤(pán)區(qū)安裝通道,西界為42盤(pán)區(qū)輔運(yùn)、膠帶、總回風(fēng)大巷。工作面上方地表山巒起伏、植被發(fā)育、森林茂密,無(wú)村莊、自然河流和固定水源存在。

圖1 4206工作面布置圖

4206工作面4-2煤層基本頂板為小街砂巖,厚度15～20m,分布穩(wěn)定,以中細(xì)粒砂巖為主,單軸飽和抗壓強(qiáng)度23.8 MPa,單軸飽和抗剪斷強(qiáng)度C=3.0,φ=42°,裂隙不發(fā)育,巖芯完整,巖體基本質(zhì)量為Ⅲ級(jí),為中等堅(jiān)固巖石,屬較穩(wěn)性頂板。底板多以泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖為主,細(xì)砂巖次之,泥巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度9.38 MPa,巖體基本質(zhì)量為Ⅲ～Ⅳ級(jí),為堅(jiān)固性差至中等堅(jiān)固巖石,屬穩(wěn)定性差至較穩(wěn)定底板,局部地段因粘土含量增高,遇水易膨脹變形,為不穩(wěn)定性底板。

3 4206 工作面末采期間問(wèn)題

4206孤島工作面末采期間,由于孤島工作面超前支承壓力的影響,工作面的兩巷收斂、底鼓嚴(yán)重。譬如,在回風(fēng)順槽的防火墻向里(煤墻側(cè))50m范圍連續(xù)出現(xiàn)8根鋼帶斷裂,頂板下沉嚴(yán)重,運(yùn)順施工巷口(原頂板加固處)出現(xiàn)頂板下沉,最大下沉量達(dá)到0.5 m。同時(shí)輔運(yùn)大巷頂板、拱肩部變形嚴(yán)重,“煤爆”聲頻繁,同時(shí)伴隨頂板掉渣現(xiàn)象。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè),工作面超前50～80m范圍內(nèi)壓力顯現(xiàn)劇烈,表現(xiàn)為每天平均底鼓量400mm,巷道斷面收斂量200mm,π型梁彎曲變形、折斷等。

4 停采煤住的模擬分析

如果4206工作面停采煤柱留設(shè)如果過(guò)大,則浪費(fèi)了大量的煤炭資源,考慮到可以通過(guò)采取超前工作面切頂卸壓,來(lái)控制工作面推采過(guò)程中的頂板壓力顯現(xiàn),應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)減少停采煤柱的尺寸。在建新煤化現(xiàn)場(chǎng)使用的高位斷頂卸壓措施可以將工作面垂直上方60m范圍內(nèi)的巖層實(shí)施爆破卸壓,卸壓步距設(shè)置在25m一組。因此,數(shù)值計(jì)算模型考慮在離大巷25m、50m、75m和100m處各施加一組切頂卸壓措施,以4206工作面運(yùn)輸順槽為例,并建模進(jìn)行計(jì)算。

采取卸壓措施后,考慮在離大巷25m、50m、75m和100m處各施加一組切頂卸壓措施,得到運(yùn)輸順槽圍巖應(yīng)力、位移云圖,得到其隨工作面推進(jìn)距離之間的關(guān)系,如圖2所示。

從圖2(1)可看出,工作面回采時(shí),超前175m處兩巷已受到回采的超前影響。兩巷的垂直應(yīng)力開(kāi)始增加,兩幫垂直應(yīng)力在超前75m處達(dá)到峰值,隨后降低(圍巖產(chǎn)生塑性破壞),頂板垂直應(yīng)力在超前25m處達(dá)到峰值,隨后降低(圍巖產(chǎn)生塑性破壞),即兩巷超前劇烈影響范圍為0-75m。順槽在4206回采期間圍巖應(yīng)力不斷增加,峰值出現(xiàn)在25m處,達(dá)到29.6 MPa；距工作面200～50m范圍呈增加趨勢(shì),且125～50m范圍增加速度不斷變大。從圖2(2)可看出,超前工作面200～150m范圍,工作面推進(jìn)對(duì)順槽圍巖穩(wěn)定性影響不大,隨著工作面推進(jìn),順槽圍巖移近量迅速增加,當(dāng)距工作面小于50m時(shí),順槽圍巖收斂十分劇烈。由此可知,4206工作面回采期間,超前影響不小于150m,劇烈影響范圍不小于50m。經(jīng)分析后150m為停采煤柱留設(shè)的合理煤柱尺寸采取切頂卸壓后,停采煤柱150～250m范圍時(shí),輔運(yùn)大巷圍巖應(yīng)力與位移基本變化不大,當(dāng)停采煤柱留設(shè)為125m時(shí)頂板應(yīng)力與位移增幅加劇,因此,停采煤柱選擇150m為宜。

圖2 順槽圍巖應(yīng)力、位移與工作面距離關(guān)系

5 相關(guān)技術(shù)措施

5.1 深孔斷頂預(yù)裂

在4206回采末期,為了治理強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴},在4206工作面運(yùn)回順200m、175m、150m、120m、80m位置前期已經(jīng)進(jìn)行了深孔斷頂卸壓,為保證工作面停采位置前后頂板充分卸壓,減小工作面上網(wǎng)和回撤區(qū)段的頂板壓力,現(xiàn)在4206工作面運(yùn)回順100m、135m、190m、210m增加四組深孔斷頂預(yù)裂。

前期斷頂爆破孔方案如下:每組預(yù)裂孔:回風(fēng)巷3個(gè),運(yùn)輸巷3個(gè),孔徑113mm。回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷卸壓孔沿煤層傾向布置,從巷道幫中線向上每隔500mm施工一個(gè)。1號(hào)孔:角度15°,孔深95m,終孔位置頂板向上25m。2號(hào)孔:角度30°,孔深95m,終孔位置頂板向上47.5 m。3號(hào)孔:角度45°,孔深88.5 m,終孔位置頂板向上62.6 m。施工圖如圖3所示。

圖3 4206工作面斷頂鉆孔示意圖

后期的補(bǔ)孔方案為了實(shí)現(xiàn)充分卸壓,設(shè)計(jì)爆破孔在水平投影上有交錯(cuò),如圖4所示。

圖4 補(bǔ)孔示意圖

5.2 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

將監(jiān)測(cè)所得的4206工作面運(yùn)輸順槽表面位移和超前支撐壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖5所示。

圖5 順槽圍巖應(yīng)力、位移與工作面距離關(guān)系

從圖5(1)可看出,工作面回采時(shí),超前175m處兩巷已受到回采的超前影響。兩巷的垂直應(yīng)力開(kāi)始增加,兩幫垂直應(yīng)力在超前75m處達(dá)到峰值,隨后降低(圍巖產(chǎn)生塑性破壞),相比于圖2(1)可以看出,兩幫的垂直應(yīng)力峰值由20MPa下降到10MPa左右,下降了50%,說(shuō)明卸壓起到了很好的效果；頂板垂直應(yīng)力在超前25m處達(dá)到峰值,相比于圖2(1)垂直應(yīng)力峰值由29.6 MPa下降到了15MPa左右,下降了50%左右,卸壓措施對(duì)于頂板應(yīng)力的治理起到的明顯的成效；從圖5(2)中可以看出,頂板的最大位移量相比較于圖2(2)中的380mm下降到了220mm,頂板的最大位移量下降了160mm；兩幫的最大位移量也下降到了80mm左右,說(shuō)明深孔斷頂預(yù)裂卸壓措施在控制頂板以及兩幫變形的問(wèn)題起到了很好的效果。

6 結(jié)論

針對(duì)4206工作面末采期間的停采煤柱留設(shè)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果以及工業(yè)性試驗(yàn)提出以下結(jié)論:

6.1 根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果得出4206工作面若采用深孔斷頂措施,建議停采煤柱尺寸選擇150m較宜。

6.2 經(jīng)過(guò)工業(yè)性實(shí)驗(yàn)得出在4206工作面運(yùn)回順100m、135m、190m、210m增加四組深孔斷頂預(yù)裂措施時(shí),頂板和兩幫的最大垂直應(yīng)力相比較之前下降了50%,分別下降到了15MPa和10MPa；頂板和兩幫的最大變形量相比較之前分別下降到了220mm和80mm。