綜放順槽采空區(qū)懸頂分析及控制技術(shù)

郭子程

(潞安集團(tuán)高河能源公司，山西 長(zhǎng)治 047100)

綜采放頂煤是一種高效開(kāi)采厚煤層的方法，通過(guò)開(kāi)采下部煤層，放出上部煤體，實(shí)現(xiàn)厚煤層的一次開(kāi)采。由于開(kāi)采空間大，造成工作面的垮落帶和裂隙帶較普通綜采工作面較高，頂板回轉(zhuǎn)較大，存在動(dòng)-靜載荷加載，對(duì)煤巖體的損傷較大，如支護(hù)不合理則容易導(dǎo)致工作面、巷道冒頂事故的發(fā)生。

宋選民[1]對(duì)不同地質(zhì)條件下放頂煤的來(lái)壓規(guī)律和支架選型進(jìn)行了研究；弓培林[2]對(duì)頂煤的冒放性進(jìn)行了研究和處理；高清啟[3]對(duì)孤島放頂煤工作面冒頂?shù)臋C(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)冒頂?shù)闹饕蚴窍噜徆ぷ髅娴拈_(kāi)采過(guò)程中，老頂?shù)臄嗔褜?duì)相鄰側(cè)煤體的直接頂進(jìn)行了壓酥、破壞，直接導(dǎo)致支架前方未接頂處出現(xiàn)了超前冒落；方新秋[4]對(duì)綜放工作面端頭三角煤的穩(wěn)定性進(jìn)行了理論和數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)煤柱的寬度和圍巖的強(qiáng)度對(duì)其起關(guān)鍵作用，針對(duì)該情況，可以適當(dāng)?shù)脑黾用褐膶挾?，由現(xiàn)在的12 m增加到20 m，強(qiáng)度提升較大；李迎富[5]對(duì)工作面端頭三角煤的關(guān)鍵塊進(jìn)行了理論分析，提出了擠壓變形和滑落失穩(wěn)的判據(jù)， 認(rèn)為當(dāng)煤柱寬度較小，缺少足夠的承載能力時(shí)需要采用巷旁支護(hù)?？梢?jiàn)，研究放頂煤的頂板破斷規(guī)律對(duì)巷道的支護(hù)具有重要意義。

為了保證巷道在掘進(jìn)和回采期間的穩(wěn)定性， 一般支護(hù)設(shè)計(jì)偏保守，支護(hù)強(qiáng)度較大，但經(jīng)濟(jì)上不合理，同時(shí)回采后順槽懸頂較大，存在以下危害：

1)綜采工作面回采過(guò)程中，因順槽頂板不塌，容易導(dǎo)致機(jī)頭尾三角區(qū)積聚瓦斯，造成瓦斯預(yù)警或者超限。

2)如順槽頂板長(zhǎng)時(shí)間不垮落，隨著回采距離增加，兩巷機(jī)頭和機(jī)尾三角區(qū)會(huì)造成長(zhǎng)距離空頂現(xiàn)象，如某一時(shí)間集中垮落，則可能造成瓦斯瞬間涌出的可能性，對(duì)工作面人員及設(shè)備造成沖擊。

退錨技術(shù)指將錨桿托盤拆除、解除錨桿的錨固作用，使錨桿失效，回收托盤、桿體和螺母、鋼帶。韓朝軍[6]對(duì)退錨的時(shí)機(jī)和位置進(jìn)行了精準(zhǔn)控制，在端頭支架的支撐范圍之內(nèi)，同時(shí)在煤壁開(kāi)采線之外，這樣一方面所需的退錨力較小，另一方面有端頭支架的支撐保證了安全。張慶云[7]針對(duì)放頂煤工作面和巷道中煤塵較大的問(wèn)題，研發(fā)了帶防塵設(shè)備的退錨機(jī)。李錦雄[8]認(rèn)為采用后張拉法施工，錨固段在張拉后存在回彈現(xiàn)象，一方面導(dǎo)致錨桿的張拉強(qiáng)度損失，另一方面導(dǎo)致存在有效應(yīng)力。褚曉威[9]針對(duì)煤礦井下錨索的錨具滑脫現(xiàn)象進(jìn)行了分析，主要是機(jī)具出現(xiàn)不匹配的原因，例如錨索與夾片的強(qiáng)度有差距等。

本文依托余吾煤業(yè)公司S1205綜放工作面，研究頂板的垮落特征，當(dāng)出現(xiàn)順槽采空區(qū)懸頂較大時(shí)，應(yīng)采取何種措施應(yīng)對(duì)處理。

1 礦井地質(zhì)條件

工作面埋藏深度+350 m～+535 m，該煤層為3#煤層，賦存于二疊系山西組地層中下部，為陸相湖泊沉積，煤層厚度穩(wěn)定，平均為6.34 m。煤層底板1.5 m，為炭質(zhì)泥巖和部分矸石混合物。工作面圍巖特征如表1所示。

表1 S1205工作面巖性綜合柱狀表Table 1 Lithologic synthetic column table of S1205 working face

2 頂板破斷分析

2.1 綜放面覆巖結(jié)構(gòu)形成

在綜放工作面回采過(guò)程中，直接頂和頂煤隨著回采直接冒落，基本頂隨著回采距離的增加出現(xiàn)懸頂，在礦山壓力的作用下會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)、破斷， 形成“O-X”破裂結(jié)構(gòu)，對(duì)產(chǎn)生的過(guò)程進(jìn)行描述，工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)形成過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)形成過(guò)程Fig.1 Structure formation process of overburden strata of the working face

如圖1所示，把堅(jiān)硬的基本頂假設(shè)為板結(jié)構(gòu)，當(dāng)懸頂達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，中部彎矩較大，容易產(chǎn)生斷裂線Ⅰ，隨著跨度的進(jìn)一步增大，板結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)軸成斷裂線Ⅱ，隨后短軸成斷裂線Ⅲ，此時(shí)只是板的周圍產(chǎn)生了斷裂，與周圍結(jié)構(gòu)失去了相互鉸接，加上下部已經(jīng)采空，在上覆巖層的壓力作用下板結(jié)構(gòu)中心進(jìn)行了破斷，形成了分塊斷裂線Ⅳ，理論上形成了2塊結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)1和2，這是工作面初次來(lái)壓。隨著采煤循環(huán)的不斷進(jìn)行，頂板會(huì)發(fā)生周期性的破斷，導(dǎo)致上覆的結(jié)構(gòu)破斷一直在不斷的重復(fù)產(chǎn)生，但由于塊度比較小，如圖中的塊度3小于塊度2，這也是周期來(lái)壓步距小于初次來(lái)壓步距的原因。

在放頂煤工作面垂直剖面傾向方向，形成的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 工作面覆巖鉸接結(jié)構(gòu)Fig.2 Hinge structure of overlying strata of the working face

C段由于開(kāi)挖后缺少支撐，會(huì)完全壓實(shí)采空區(qū)。A塊會(huì)保持原來(lái)的位態(tài)，只是應(yīng)力經(jīng)過(guò)了重新的分布，B塊形成了“鉸接”結(jié)構(gòu)，其承載能力一端與A塊有關(guān)，一端與C塊有關(guān)，承載能力與A、C塊對(duì)其水平擠壓能力和接觸面粗糙程度有關(guān)，巷道位置的選擇需要重點(diǎn)考慮B塊的位置和斷裂線的位置。這種鉸接結(jié)構(gòu)就是相鄰工作面基本頂巖層在本工作面煤體上方形成的破斷結(jié)構(gòu)。

2.2 關(guān)鍵塊相關(guān)參數(shù)的確定

根據(jù)上文的分析，弧形三角塊B對(duì)下方巷道的穩(wěn)定性影響較大，因此確定其基本參數(shù)對(duì)煤柱的選擇具有重要參考意義，B塊主要包括以下4個(gè)基本參數(shù)：基本頂?shù)臉O限走向塊度長(zhǎng)度L，基本頂傾向塊度長(zhǎng)度l，基本頂巖梁的厚度ME以及關(guān)鍵塊在側(cè)向煤體中的斷裂位置S0。

2.2.1L的確定

根據(jù)上述的分析，長(zhǎng)度L為基本頂發(fā)生破斷的距離，即周期來(lái)壓步距。根據(jù)余吾煤業(yè)S1205相鄰工作面基本頂巖層的周期來(lái)壓步距為11 m,可以推斷S1205工作面基本頂周期來(lái)壓步距亦為11 m左右，即：

L=11 m .

2.2.2斷裂跨度l的確定

l是指基本頂在傾向方向發(fā)生破斷的總長(zhǎng)度，用于表示B塊的基本長(zhǎng)度，l的長(zhǎng)度可用下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：L為工作面基本頂周期來(lái)壓步距，11 m；s為工作面超前距離 ，取300 m。代入式(1)得到l=12.6 m。

2.2.3基本頂巖層的厚度ME的確定

關(guān)鍵塊的厚度ME即為基本頂巖層的厚度。根據(jù)地質(zhì)鉆孔和鉆孔窺視，S1205工作面基本頂?shù)暮穸葹?.5 m。

2.2.4斷裂位置

關(guān)鍵塊B的斷裂位置對(duì)其能否形成鉸接結(jié)構(gòu)并且保持一定的穩(wěn)定性具有關(guān)鍵的作用，進(jìn)而影響到煤體一側(cè)和回采巷道的應(yīng)力分布狀態(tài)。

(2)

式中：Sm為工作面超前距離，300 m；ME為基本頂巖梁厚度，6.5 m；CE為基本頂巖梁周期來(lái)壓步距，11 m；γE為基本頂容重，0.026 MN/m3；k為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為覆巖平均容重，0.025 MN/m3；H為煤層埋深，500 m。代入式(2)，得S0=5.05 m。

3 退錨技術(shù)

3.1 退錨工藝

根據(jù)上文分析，頂板回采后的形態(tài)見(jiàn)圖3。

圖3 工作面懸頂結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Suspended roof structure of the working face

順槽采空區(qū)在關(guān)鍵塊B下方，隨著工作面的不斷推進(jìn)不會(huì)及時(shí)的垮落，因此使用退錨工藝，主要為：

1)將鐵梯靠在煤墻上，由2名作業(yè)人員扶牢鐵梯，作業(yè)人員站在鐵梯上，并系好安全帶進(jìn)行作業(yè)，或搭設(shè)牢固可靠的作業(yè)平臺(tái)。

2)退錨索時(shí)，將退錨機(jī)的高壓管接到風(fēng)動(dòng)或電動(dòng)漲拉泵上。

3)膠順退錨索時(shí)，作業(yè)人員可站在轉(zhuǎn)載機(jī)身上進(jìn)行退錨。

4)人員站在鐵梯上退錨時(shí)，由2名作業(yè)人員扶牢鐵梯，1名作業(yè)人員站在鐵梯上將退錨機(jī)卡住錨索進(jìn)行退錨，并系好安全帶，另1名作業(yè)人員按照現(xiàn)場(chǎng)跟班對(duì)干的口令對(duì)漲拉泵緩緩送液，直至將錨索退下。

5)端頭、端尾退錨后，嚴(yán)禁向采空區(qū)扔托盤、鎖具等物品，采空區(qū)里不得有鐵器出現(xiàn)。

6)錨索因變形等原因無(wú)法退掉時(shí)，用風(fēng)鎬將錨索托盤周圍的煤炭破碎，將錨索托盤松動(dòng)。

3.2 退錨效果

為了檢測(cè)退錨的效果，采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)退錨的情況以及監(jiān)測(cè)退錨后頂板端頭支架的壓力。圖4所示為100#端頭支架的工作阻力，圖5所示為110#端頭支架作阻力，從11月1日開(kāi)始，進(jìn)行了退錨實(shí)驗(yàn)。

圖4 100#支架工作阻力Fig.4 Working resistance of No.100 support

圖5 110#支架工作阻力Fig.5 Working resistance of No.110 support

從圖4、5中可以看出：

1)經(jīng)過(guò)退錨工序后，支架的最大工作阻力降低，如100#端頭支架，最大工作阻力由49.1 MPa下降至46.5 MPa。而110#端頭支架，最大工作阻力由43 MPa下降至35 MPa，說(shuō)明了退錨有助于減少懸頂?shù)拈L(zhǎng)度，從而減少了支架的工作阻力。

2)經(jīng)過(guò)退錨工序后，雖然頂板來(lái)壓強(qiáng)度降低，但是頂板垮落步距減少，垮落次數(shù)增加，100#端頭支架來(lái)壓次數(shù)和頻率更為明顯。

4 結(jié)論

1)基于地質(zhì)條件和綜采放頂煤理論，計(jì)算了覆巖頂板破斷形成的“O-X”結(jié)構(gòu)基本參數(shù)，從理論上分析了順槽采空區(qū)懸頂?shù)脑驗(yàn)殛P(guān)鍵塊B的支撐結(jié)構(gòu)。

2)關(guān)鍵塊B的跨度為12.6 m，斷裂線位置距回采巷道為5.05 m，因此順槽采空區(qū)上方由于堅(jiān)硬塊的存在，不容易垮落。

3)通過(guò)退錨技術(shù)，端頭支架最大工作阻力由43 MPa下降至35 MPa，說(shuō)明了退錨有助于減少懸頂?shù)拈L(zhǎng)度，從而減少了支架的工作阻力。