李士杰

(山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100)

我國由于諸多歷史原因，采用的房柱式、巷柱式等不規(guī)范開采方法及小煤窯開采，導(dǎo)致了大量資源破壞及浪費?，F(xiàn)階段通過長壁開采法來回收這些資源時，工作面回采時不可避免地要與存留的空巷交會。由于空巷的圍巖性質(zhì)極差，在工作面推進(jìn)到巷道附近時煤柱破碎，嚴(yán)重破壞頂板的穩(wěn)定性，對礦井的高產(chǎn)高效帶來嚴(yán)重威脅[1-6]。本文基于經(jīng)坊礦3-802工作面工程地質(zhì)條件，對工作面過空巷時圍巖的應(yīng)力及破壞特征進(jìn)行研究分析。

1 工程概況

本文的研究對象為經(jīng)坊礦3-802工作面，該工作面采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤工藝回采，采用全部垮落法管理頂板，工作面走向長度1 170 m，傾向長度213 m.北側(cè)鄰近3-803工作面(已采)，南側(cè)鄰近礦界保安煤柱和華昇榮煤礦采空區(qū)，西側(cè)鄰近陶清河河道，東側(cè)與八采區(qū)軌道、回風(fēng)巷相連通。地面標(biāo)高+921～+945 m，工作面底板標(biāo)高+490～+570 m；所采3號煤層厚度5.9～6.3 m，平均6.2 m；煤層傾角2～8°，平均5°；煤為黑色，塊狀、粉末狀，以亮煤為主。工作面煤層頂?shù)装迩闆r如圖1所示。瓦斯絕對涌出量11.04 m3/min，瓦斯相對涌出量2.45 m3/t，具有爆炸性，不易自燃。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r性

根據(jù)3-802綜采工作面采掘情況，工作面回采至445 m處時，94號液壓支架至95號液壓支架處揭露空巷。空巷沿底板掘進(jìn)，空巷為矩形，斷面為8.4 m2(3 m×2.8 m)，長度為161 m，采用玻璃鋼錨桿+塑料網(wǎng)+錨索支護(hù)。工作面及空巷位置見圖2.

圖2 工作面及空巷位置圖

2 工作面頂板斷裂位置

工作面推進(jìn)時，隨著頂板暴露的面積不斷增大，直接頂將在達(dá)到彎矩最大位置處發(fā)生初次斷裂；之后隨著工作面的不斷推進(jìn)，基本頂即發(fā)生周期破斷?？障飾l件下基本頂發(fā)生破斷的位置[7]可以分為三種：①基本頂斷裂位置位于空巷前方的實煤體當(dāng)中；②基本頂破斷位置位于空巷上部；③基本頂破斷位置位于煤柱上方，如圖3所示。破斷位置的不同對空巷的影響有很大差異，當(dāng)斷裂線位于煤柱和空巷上方時，關(guān)鍵塊體的回轉(zhuǎn)會對空巷產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，空巷圍巖破壞嚴(yán)重；當(dāng)斷裂線位于實體煤上方區(qū)時，關(guān)鍵塊體空巷位于應(yīng)力降低區(qū)，空巷圍巖穩(wěn)定性好?？障锷细采w結(jié)構(gòu)見圖3.

工作面前方頂板的斷裂位置大致為工作面超前支承壓力峰值位置，參考文獻(xiàn)[8]求得頂板的斷裂位置為：

(1)

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建及方案

本文基于3-802工作面的煤層地質(zhì)條件，利用FLAC3D數(shù)值計算軟件研究該工作面過空巷前超前應(yīng)力分布及空巷圍巖變形破壞特征。建立圖4所示的模型，模型沿走向長度為200 m、傾向100 m、高度55 m；模型的頂部施加均布載荷q=9.8 MPa，四周及底邊固定位移，設(shè)定法向約束；工作面埋深度取430 m，側(cè)壓系數(shù)取1.2；各巖層采用的力學(xué)參數(shù)見表1，計算采用Mohr Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，垮落帶采用雙屈服模型處理。

圖4 數(shù)值模型

表1 數(shù)值計算模型中的煤巖體力學(xué)參數(shù)

3.2 工作面回采下煤體應(yīng)力

圖5為工作面推進(jìn)不同距離時空巷與工作面前方煤體間的垂直應(yīng)力分布曲線，工作面推進(jìn)60 m時，空巷與工作面間煤柱應(yīng)力曲線呈“馬鞍型”。工作面前方應(yīng)力峰值約30 MPa，應(yīng)力影響范圍約60 m，空巷基本不受工作面回采的影響。工作面推進(jìn)85 m時，工作面前方應(yīng)力峰值增加到約32 MPa，應(yīng)力影響范圍與推進(jìn)60 m時基本一致。工作面推進(jìn)110 m時，空巷與工作面間煤柱應(yīng)力曲線仍然呈“馬鞍型”，工作面前方應(yīng)力峰值不再增加，此時空巷開始進(jìn)入超前支承應(yīng)力的影響范圍內(nèi)，空巷兩幫應(yīng)力有較小增加；工作面推進(jìn)135 m時，煤柱應(yīng)力曲線呈現(xiàn)單峰值，此時空巷兩幫應(yīng)力明顯增大，均大于15 MPa；工作面推進(jìn)150 m時，空巷處在超前應(yīng)力峰值作用下，此時空巷兩幫應(yīng)力出現(xiàn)陡增，左幫達(dá)到27 MPa，右?guī)瓦_(dá)到25 MPa；工作面推進(jìn)156 m時，空巷右?guī)吞幵诔皯?yīng)力峰值作用下，垂直應(yīng)力進(jìn)一步增加到28 MPa，而空巷左幫煤柱處在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，應(yīng)力值較低。說明工作面推進(jìn)到空巷附近時，圍巖處在疊加高應(yīng)力下。

3.3 工作面回采下空巷圍巖破壞特征

圖6為工作面推進(jìn)不同距離下空巷圍巖塑性破壞情況。推進(jìn)60 m時，由于空巷未收到超前應(yīng)力的影響，塑性區(qū)分布與空巷掘進(jìn)期間一致，幫部塑性區(qū)深度2.5 m，頂板塑性區(qū)3 m，底板1.75 m.推進(jìn)85 m時，由于空巷受超前應(yīng)力的影響較小，塑性區(qū)范圍增大，且開始呈不對稱分布，幫部及頂板塑性區(qū)深度不變，底板增大了0.5 m，但空巷左上角圍巖塑性區(qū)明顯增大。之后隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，空巷的塑性破壞區(qū)不斷增加，推進(jìn)135 m時，左幫塑性區(qū)深度6.5 m，右?guī)退苄詤^(qū)深度3 m，頂板塑性區(qū)4 m，底板塑性破壞深度不變，但破壞范圍更大。之后空巷在超前支承壓力峰值的影響下，空巷圍巖塑性破壞嚴(yán)重，塑性區(qū)與工作面塑性區(qū)貫通，空巷處在頂板斷裂線以內(nèi)，將受到頂板斷裂塊體回轉(zhuǎn)影響，空巷變形劇烈。

4 工作面過空巷安全措施

工作面推進(jìn)到靠近空巷時，由于空巷與工作面的煤柱較窄，受超前支承應(yīng)力與空巷應(yīng)力的疊加作用，煤柱處在破碎狀態(tài)而失去其承載能力，直接頂及老頂在空巷上方破斷，易導(dǎo)致頂板下沉，造成壓架事故，還會引起片幫、底鼓造成嚴(yán)重的安全事故，因此需要采取安全措施來保證工作面過空巷時的安全性。

4.1 過空巷期間前期準(zhǔn)備工作

1) 拆除空巷密閉，對空巷進(jìn)行瓦斯排放。

2) 空巷貫通前，工作面從90號液壓支架開始鋪設(shè)金屬網(wǎng)，隨工作面推進(jìn)，金屬網(wǎng)逐步延伸至100號液壓支架，頂板破碎時鋪設(shè)雙層金屬網(wǎng)。鋪網(wǎng)要求：聯(lián)網(wǎng)采用16號鉛絲，短邊搭接300 mm，長邊搭接100 mm，雙邊雙聯(lián)、隔孔相連、雙絲雙扣，所有鋪設(shè)的金屬網(wǎng)必須撐緊、鋪平，不得出現(xiàn)墜包；移架工在移架過程中不準(zhǔn)出現(xiàn)撕網(wǎng)現(xiàn)象。

3) 空巷采用玻璃鋼錨桿+塑料網(wǎng)+錨索支護(hù)，空巷貫通前對空巷進(jìn)行超前支護(hù)，支護(hù)方法為：采用直徑不小于0.16 m、長度不小于3 m的圓木，配合1 000 mm×300 mm×100 mm的木質(zhì)墊板垂直于空巷頂?shù)装逵赏庀蚶镞M(jìn)行支設(shè)，每排支設(shè)2根，排距3 m，木點柱柱距1 m，距兩幫各1 m .打設(shè)點柱時要使頂部的垛板緊貼頂板，柱底要打在硬底上，打穩(wěn)打牢，如遇底板松軟，必須“穿鞋”，柱鞋規(guī)格為300 mm×300 mm×100 mm.如空巷局部壓力增大，致使點柱受擠壓、變形、彎曲、柱體開裂等時要及時采取措施，加強(qiáng)該段支護(hù)?？障锱R時支護(hù)示意見圖7.

圖7 空巷臨時支護(hù)示意

空巷貫通后在空巷兩頭設(shè)置風(fēng)障，切眼一側(cè)的風(fēng)障在保證空巷支護(hù)完好的情況下隨工作面推進(jìn)而不斷向外移動，以保證工作面風(fēng)流符合要求，同時要將此區(qū)域內(nèi)木料、鐵器等雜物清理干凈，確?？障飪?nèi)無任何物料。

4.2 過空巷期間安全措施

1) 對空巷區(qū)域頂板及煤幫要進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

2) 空巷及附近煤幫片幫嚴(yán)重時，要及時在支架護(hù)幫板上方上圓木維護(hù)頂板；煤幫滑坡時，片幫超過1個循環(huán)進(jìn)度，要超前移架管理頂板；若超前移架后仍探不到煤幫，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況使用單體液壓支柱(垂直煤幫)配合半圓木頂住煤幫防止片幫加深。如出現(xiàn)漏頂現(xiàn)象，必須在支架前梁上用圓木維護(hù)。進(jìn)行漏頂區(qū)域架棚抬棚(上料)管理頂板時，需等待頂板穩(wěn)定后，先清理好退路，然后按照“先兩邊后中間”的原則，對工作面破碎區(qū)域進(jìn)行逐架架棚和上料維護(hù)頂板作業(yè)。

3) 過空巷期間，泵站壓力必須達(dá)到30 MPa,過空巷時，在頂板完好的情況下，支架前梁、前柱初撐力必須達(dá)到24 MPa，如頂板破碎時，視現(xiàn)場情況而定，要以保證支架平整度為主，不得強(qiáng)求支架初撐力而致使支架升得過高，活柱升脫。相鄰支架間不能有明顯錯差(不超過支架前梁的2/3)，支架不擠、不咬，架間空隙不超過100 mm.并且加強(qiáng)液壓系統(tǒng)的檢修維護(hù)，嚴(yán)禁支架帶病作業(yè)?？障锾幰萍軙r要帶壓移架，到位后要升緊所有立柱、千斤頂，保證支護(hù)效果。

4) 采煤機(jī)在過空巷時，要放緩采煤機(jī)速度，降低頂滾筒，防止?jié)L筒將錨索托盤卷起造成托盤飛濺傷人，嚴(yán)禁損傷頂板網(wǎng)片。移架工在空巷區(qū)域移架時要及時帶壓移架，并及時打出護(hù)幫板護(hù)頂，防止空巷處頂板下沉。

5) 工作面空巷處冒頂、漏頂時，必須停止采煤，采煤機(jī)過空頂、漏頂區(qū)域前必須檢查采煤機(jī)前方的支架頂部瓦斯?jié)舛龋瑵舛?1%時，方可回采作業(yè)。工作面切眼內(nèi)及采空區(qū)空頂超過0.5 m3、瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.8%時，必須停止作業(yè)，采取措施處理。

6) 過空巷期間密切關(guān)注上隅角及工作面瓦斯變化情況，由瓦斯員對后溜、架間、人行道、機(jī)道及空巷揭露處前后5組支架的瓦斯進(jìn)行檢測，任何一處瓦斯?jié)舛瘸^0.8%時，必須停機(jī)處理。發(fā)現(xiàn)瓦斯涌出異常應(yīng)及時向通風(fēng)調(diào)度匯報，根據(jù)指示進(jìn)行處理。

5 結(jié) 語

1) 本文以經(jīng)坊礦3-802工作面的煤層地質(zhì)條件，分析了工作面過空巷時頂板斷裂位置對空巷圍巖穩(wěn)定的影響，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了工作面推進(jìn)過程中空巷與工作面之間煤柱的應(yīng)力分布及空巷圍巖塑性區(qū)的分布變化。結(jié)果顯示，工作面離空巷越近，煤柱的疊加應(yīng)力越大，煤柱破壞失去承載力，導(dǎo)致空巷塑性破壞變形越嚴(yán)重。

2) 為了防止工作面靠近空巷時發(fā)生安全事故，給出了空巷進(jìn)行臨時支護(hù)的方案，并對過空巷期間頂板及瓦斯控制提出了安全措施，保證工作面過空巷期間的安全生產(chǎn)。