姜 濤,許 鑫,常 健,龐亭亭,薛 森

(山西長平煤業(yè)集團有限責任公司, 山西 高平 048411)

隨著采煤技術(shù)和采煤配套設(shè)備的進步,大采高工作面開采技術(shù)在國內(nèi)外礦山得到了廣泛應用。面臨煤炭資源需求量的日益增加,部分礦山通過增加工作面的開采長度,提高礦井的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率,從而實現(xiàn)礦井的高產(chǎn)高效集中生產(chǎn),如榆家梁煤礦實現(xiàn)了400 m超長工作面的生產(chǎn)[1]. 增加工作面長度可以提高礦井生產(chǎn)能力,同時降低巷道掘進率、減少材料消耗,提高了資源回采率。然而,工作面長度受到工作面配套設(shè)備的裝備水平、通風及安全等條件制約,頂板管理難度增大,設(shè)備故障增加,勞動組織復雜[1-5]. 同時,工作面長度的增加導致開采過程中圍巖應力增加,煤壁片幫等礦壓災害頻發(fā),制約了工作面的安全高效開采。針對這一問題,以某礦300 m長工作面回采為工程背景,采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法對大采高長工作面回采條件下煤體片幫因素進行研究,以保證該礦長工作面的安全高效回采。

1 工作面概況

某礦主要開采3#煤層,煤層平均厚度為5.35 m,采用一次采全高的開采方式。工作面直接頂和基本頂分別為泥巖和粉砂質(zhì)泥巖,直接底和基本底分別為泥巖和粉砂巖,地質(zhì)柱狀圖見圖1. 根據(jù)礦山工作面布置條件,以往工作面長度平均為250 m,為提高工作面的生產(chǎn)能力,設(shè)計將工作面傾向長度增加至300 m. 其中,5312工作面為該礦首個大采高加長工作面,走向長度為1750 m,傾向長度為301.5 m,現(xiàn)場回采過程中工作面片幫現(xiàn)象頻發(fā)。

圖1 頂?shù)装鍘r性柱狀圖

2 工作面長度對煤體片幫的影響分析

2.1 現(xiàn)場煤壁片幫特點

現(xiàn)場5312工作面回采過程中,頂板來壓較之前250 m長工作面劇烈,基本頂初次垮落步距和周期來壓步距有所減小。加長工作面回采過程中煤壁位置容易發(fā)生片幫破壞,其中片幫寬度主要集中在1.0～3.0 m,片幫深度在0～1000 mm居多。

加長工作面條件下,工作面煤壁片幫破壞形式為支架頂部前端冒落和煤體中部的片幫,見圖2. 初步推斷其原因,工作面長度的增加導致作用在煤壁上的應力逐漸增加,使煤壁中下部煤體容易發(fā)生塑性破壞,導致其抗剪強度減小,最終發(fā)生片幫。

圖2 煤壁片幫形式圖

2.2 工作面長度對煤壁片幫影響分析

2.2.1 數(shù)值模型建立

為了進一步分析工作面長度的增加對圍巖應力分布的影響,揭示其對煤壁片幫的影響機制,采用FLAC3D軟件根據(jù)現(xiàn)場實際地層柱狀分布情況建立數(shù)值計算模型,見圖3. 模型尺寸為長420 m×寬180 m×高50 m,其中x軸正方向表示工作面的推進方向。分別建立采高6 m,工作面長度為250 m、300 m和350 m的3個模型,研究大采高條件下不同長度工作面開采圍巖超前支承壓力分布規(guī)律。

圖3 幾何模型示意圖

在數(shù)值模型側(cè)表面施加法向位移約束,模型下部邊界施加固定位移邊界條件,頂部施加應力邊界條件,從而模擬未構(gòu)筑的覆巖荷載。數(shù)值模型中的煤巖體均采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型?，F(xiàn)場對煤體和頂?shù)装鍑鷰r鉆取試樣,開展室內(nèi)巖石力學實驗,獲取數(shù)值模擬所需的不同巖性巖石力學參數(shù),見表1.

表1 數(shù)值模擬巖體力學參數(shù)表

2.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

沿工作面傾向中央位置(y=210 m)作模型切面,提取不同工作面長度條件下圍巖應力分布云圖,見圖4. 可以看出,隨著工作面向前推進,不同工作面長度條件下采空區(qū)前方和后方實體煤柱均形成明顯的應力集中,而采空區(qū)出現(xiàn)應力降低區(qū)。究其原因,工作面回采后,原作用在煤層上的荷載逐漸向采空區(qū)四周煤柱轉(zhuǎn)移,導致在工作面前方形成支承應力區(qū)。隨著工作面長度的增加,工作面周圍巖體中應力集中程度和范圍逐漸增加,圍巖垂直應力峰值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。由此說明,工作面長度的增加加劇了煤層開采圍巖的應力集中現(xiàn)象。

圖4 垂直應力分布云圖

為了分析工作面長度對煤層應力的影響,提取不同方案工作面前方煤層垂直應力數(shù)據(jù),繪制見圖5. 可以看出,工作面長度為250 m條件下,前方支承應力峰值為18.7 MPa,距離煤壁14.1 m;工作面長度為300 m條件下,前方煤體應力峰值最大為21.2 MPa,距煤壁距離為12.7 m;工作面長度為350 m條件下,距離工作面前方煤壁10.4 m位置出現(xiàn)應力峰值24.8 MPa. 由此可知,工作面長度增加后,工作面前方支承應力峰值逐漸增大,且應力峰值位置距離煤壁越來越近,導致煤壁因承受較大的應力發(fā)生片幫。

圖5 不同工作面長度的超前支承壓力曲線圖

2.2.3 煤壁片幫機理分析

地下煤層回采過程中,圍巖應力在采動作用下重新分布,隨著工作面不斷向前推進,工作面上方巖層裂隙逐漸發(fā)育,最終發(fā)生破斷,因而使煤體內(nèi)部應力作用點向前移動,最終在工作面前方形成支承壓力[6-7]. 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,工作面長度的變化對圍巖支承應力影響較大。一方面,隨著工作面長度的逐漸增加,工作面前方煤體支承應力逐漸增大,導致煤體在超前支承壓力作用下發(fā)生塑性破壞,其承載強度逐漸降低;另一方面,隨著工作面長度的增加,超前支承應力峰值逐漸向工作面煤壁區(qū)域移動,加劇了工作面煤壁的破壞,最終表現(xiàn)為煤壁片幫現(xiàn)象加劇。因此,在加長工作面回采過程中,應采用合適的支護手段提高工作面前方煤體的強度,避免片幫現(xiàn)象發(fā)生。

3 加長工作面煤壁注漿加固控制技術(shù)

加長工作面開采過程中,較大的超前支承應力作用使煤體發(fā)生破壞,導致其承載強度較低,僅依靠優(yōu)化綜采工藝參數(shù)已無法滿足生產(chǎn)需求。為了保證大采高加長工作面的正?；夭?提出在煤壁內(nèi)注入雙液無機注漿材料提高煤體的承載強度,采用超前中深孔預注漿對工作面煤壁和頂板進行加固,從而避免片幫現(xiàn)象的發(fā)生。

3.1 煤壁注漿方案設(shè)計

1) 注漿鉆孔布置。

在工作面推進過程中,為避免片幫冒頂發(fā)生,在工作面前方頂板和煤壁采取注漿加固措施。根據(jù)工作面長度300 m條件下數(shù)值模擬結(jié)果,工作面前方支承應力峰值距煤壁為12.7 m,基于此設(shè)計注漿鉆孔深度為12 m. 工作面煤壁注漿鉆孔采用雙排“三花”布置,鉆孔間距6 m、排距1 m、鉆孔直徑為42 mm. 上排孔開孔位置距工作面煤壁頂板3 m,設(shè)計30°仰角;下排孔垂直于煤壁,距底板高度2.0 m. 在煤壁片幫較嚴重或是構(gòu)造區(qū)域可適當增加鉆孔深度以保證正常回采。鉆孔布置示意圖見圖6.

圖6 鉆孔布置示意圖

2) 注漿工藝參數(shù)。

注漿材料選用聯(lián)邦加固1號注漿材料,水灰體積比1∶1,15 min左右失去流動性,35 min左右硬化,2 h強度8 MPa;鉆孔封孔長度為4～6 m,封孔材料選擇聯(lián)邦加固1號注漿(雙液)材料,水灰體積比0.8∶1,1～3 min失去流動性,10 min以內(nèi)硬化。綜采工作面煤壁注漿系統(tǒng)采用井下移動式雙液注漿系統(tǒng),見圖7. 設(shè)備放置在工作面順槽巷道內(nèi),注漿管長度根據(jù)現(xiàn)場情況而定,工作面推進至注漿設(shè)備附近時,將注漿系統(tǒng)整體前移,依次循環(huán)進行注漿作業(yè)。

圖7 注漿系統(tǒng)示意圖

3.2 注漿效果考察分析

工作面回采期間,在破碎區(qū)域煤壁處實施了超前注漿,注漿后煤壁情況見圖8,注漿加固區(qū)煤壁完整性較好。此外,對工作面注漿后的煤壁片幫情況進行統(tǒng)計,結(jié)果見表2. 通過對現(xiàn)場注漿前后煤壁片幫量進行觀測對比可以看出,注漿加固后,在觀測統(tǒng)計范圍內(nèi),工作面煤壁片幫頻率明顯減少,且片幫范圍均比較小,片幫寬度基本在1.5 m以下,片幫深度基本在600 mm以下,注漿加固效果比較理想,達到了防止煤壁片幫的要求,對工作面的正?；夭商峁┝吮Ｕ?。

圖8 注漿后煤壁情況圖

4 結(jié) 語

1) 針對大采高加長工作面煤壁片幫突出問題,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了工作面長度對煤壁片幫的影響機制。工作面長度增加后,超前支承壓力峰值增大,導致煤體更易發(fā)生破壞,引起工作面片幫現(xiàn)象加劇。

2) 提出采用超前中深孔預注漿對工作面煤壁和頂板進行加固的注漿方式,現(xiàn)場試驗結(jié)果表明,注漿后煤壁片幫寬度和深度均有大幅降低,保證了工作面的安全開采。