復(fù)采綜放面頂板破斷規(guī)律及圍巖控制探討

王建明

(山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048019)

受早期開采技術(shù)落后、采面規(guī)劃不合理等因素影響，我國許多礦井存在大量煤炭資源遺留問題，嚴(yán)重影響了礦井綠色可持續(xù)發(fā)展。礦井生產(chǎn)后期為提高資源回收率，需要對遺留煤柱等進(jìn)行殘煤復(fù)采[1-2]。受原采煤方法和布置方式影響，復(fù)采過程中可能出現(xiàn)不規(guī)則空巷、煤柱或冒頂區(qū)等，造成采場圍巖應(yīng)力分布復(fù)雜，圍巖控制難度大等問題，嚴(yán)重制約著殘煤復(fù)采的有序推進(jìn)[3]。

本文以山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)3101孤島復(fù)采綜放面為背景，采用理論分析和數(shù)值模擬等方法，對孤島復(fù)采綜放面采場圍巖應(yīng)力分布和頂板破斷規(guī)律進(jìn)行研究，為保證復(fù)采工作面安全高效回采提供保障。

1 工程背景

山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)3101復(fù)采放頂煤工作面位于井田第一水平，埋深125～162 m。工作面南部為3102采空區(qū)，西部為一采區(qū)回風(fēng)巷及保護(hù)煤柱，北部為老舊采空區(qū)，東部為礦界保安煤柱。工作面設(shè)計走向長440 m，傾斜長145 m，可采儲量約39.7萬t，采用走向長壁綜采放頂煤采煤法。為控制兩側(cè)采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響，運輸巷及回風(fēng)巷各自開口30 m采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道斷面為矩形，尺寸分別為5.0 m×2.8 m和4.5 m×2.8 m；30 m以里均采用工字鋼棚支護(hù)，棚間距為0.7 m。

3101工作面回采的3號煤層屬結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可采、近水平的無煙煤，局部賦存夾矸1～2層，煤層厚度平均6.15 m，傾角3～5°。工作面基本頂為厚度約14.2 m的炭質(zhì)泥巖，直接頂為3.6 m厚的粉砂巖，直接底為平均厚度9.8 m的粉、細(xì)砂巖，老底為11 m厚的中細(xì)粒砂巖及泥巖，其頂?shù)装鍘r性力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 工作面頂?shù)装迕簬r力學(xué)參數(shù)

2 復(fù)采采場覆巖結(jié)構(gòu)特征分析

同常規(guī)綜放工作面形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)(如圖1)不同，殘煤復(fù)采綜放面回采過程中，受兩側(cè)采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響，工作面上覆基本頂巖層斷裂線向前推移，同時采場礦壓顯現(xiàn)劇烈，周期來壓步距不規(guī)律。同時受原老采空區(qū)遺留巷道影響，工作面圍巖應(yīng)力分布不規(guī)則，應(yīng)力集中程度高，留巷煤柱已發(fā)生失穩(wěn)誘發(fā)頂板突然斷裂形成沖擊地壓[4-5]。復(fù)采綜放面覆巖結(jié)構(gòu)的主要特點是受原兩側(cè)采空區(qū)回采擾動影響，上覆巖層破斷形成不連續(xù)、不規(guī)則、多裂隙的空間賦存結(jié)構(gòu)，造成復(fù)采采場頂板運動和圍巖應(yīng)力分布與原煤回采差異較大。因此，有必要對殘煤復(fù)采采場頂板結(jié)構(gòu)和圍巖應(yīng)力場進(jìn)行分析。

圖1 采場上覆巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型

一般而言，直接頂巖層隨回采進(jìn)程逐步斷裂冒落，產(chǎn)生碎脹效應(yīng)承載上覆基本頂巖層，并減少老頂巖層的下沉量和速度。同時在老頂巖層的反向沖擊和重力作用下，直接頂碎矸被壓縮形成更高強度和承載性能的密實結(jié)構(gòu)，進(jìn)而為老頂結(jié)構(gòu)的最終穩(wěn)定提供底部支撐。而殘煤復(fù)采工作面由于空間狀態(tài)與原煤回采狀態(tài)不同，隨著復(fù)采面回采擾動作用，上覆巖層在經(jīng)歷了周圍采場回采時破斷形成的穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)受到破壞，原有應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，殘煤復(fù)采采場頂板結(jié)構(gòu)運動表現(xiàn)出以下特點：

1) 受原周圍采場回采擾動造成復(fù)采采場上覆形成的不連續(xù)、不規(guī)則、多裂隙頂板結(jié)構(gòu)，在回采過程中，頂板斷裂尺寸及厚度均不規(guī)則，但各巖塊回轉(zhuǎn)、沉降、擠壓形成點或面接觸式“砌體梁”結(jié)構(gòu)，仍是頂板結(jié)構(gòu)的最終穩(wěn)定狀態(tài)。

2) 由于頂板斷裂的不規(guī)則性造成各巖塊應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，對采空區(qū)內(nèi)冒落矸塊壓實載荷也不同，引起采空區(qū)矸體密實程度不均勻，造成近工作面頂板垮落變現(xiàn)出一定程度的傾斜，進(jìn)而促使巖塊間產(chǎn)生較大推力，形成“砌體梁”接觸面擠壓力源。

3) 同時由于頂板結(jié)構(gòu)的強度、剛度不同，對于上軟下硬頂板結(jié)構(gòu)，上覆軟弱老頂巖層自重及其上覆承重以均布載荷方式傳遞至下部堅硬直接頂巖層中，并與直接頂巖層產(chǎn)生同步運動。

為準(zhǔn)確掌握復(fù)采工作面上覆巖層運動規(guī)律，采用FLAC3D數(shù)值軟件模擬了3101工作面回采過程中，頂板垂直位移變化及塑性區(qū)分布特征，如圖2和圖3所示。

圖3 工作面推進(jìn)不同距離直接頂塑性區(qū)演變規(guī)律

從圖2可以看出，隨著工作面推進(jìn)，復(fù)采工作面兩側(cè)臨原舊采空區(qū)位置老頂首先發(fā)生失穩(wěn)，垂直位移從兩側(cè)逐漸向內(nèi)部擴展；在工作面推進(jìn)至50 m時，復(fù)采工作面后方采空區(qū)與老舊采空區(qū)貫通；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，工作面逐步進(jìn)入充分采動階段，采空區(qū)形成“O-X”型破壞圈。此后老頂垮落充分，頂板運動趨于緩和，頂板形成的“O-X”型破壞結(jié)構(gòu)逐漸減小。根據(jù)礦壓控制機理，采空區(qū)頂板結(jié)構(gòu)自下向上逐步發(fā)生斷裂破壞，而高位頂板極限垮落步距較低位頂板小，使得覆巖結(jié)構(gòu)受力支點向深部轉(zhuǎn)移，進(jìn)而造成“O-X”型結(jié)構(gòu)依次遞減。

圖2 工作面推進(jìn)不同距離老頂垂直位移變化規(guī)律

從圖3可以看出，頂板平衡失穩(wěn)前，工作面兩側(cè)煤柱最先破壞，此后塑性區(qū)向工作面內(nèi)部轉(zhuǎn)移，最終形成“O-X”型塑性區(qū)。

3 圍巖控制技術(shù)措施

根據(jù)前面理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，對于復(fù)采綜放面圍巖控制，已知相較于常規(guī)綜放面回采，復(fù)采綜放面不僅受臨近采空區(qū)側(cè)向支承壓力作用，而且周圍存在一定數(shù)量的空巷及煤柱等，導(dǎo)致工作面回采過程中采場圍巖應(yīng)力集中程度高，周期來壓不規(guī)律等礦壓異?，F(xiàn)象；同時，由于支承應(yīng)力向下傳遞，在回采擾動作用下，工作面煤壁極易發(fā)生片幫冒頂?shù)仁鹿?，造成圍巖控制困難，繼而影響工作面安全高效生產(chǎn)。因此，基于復(fù)采綜放面圍巖控制機理，結(jié)合采場圍巖應(yīng)力和頂板運動規(guī)律，在綠色高效生產(chǎn)的前提下，本文提出從加強支護(hù)和生產(chǎn)工藝改進(jìn)兩個方面進(jìn)行采場圍巖控制，保證工作面安全正常生產(chǎn)。

1) 加強支護(hù)。受臨近采空區(qū)和空巷、煤柱等影響，造成采場支承壓力高，圍巖應(yīng)力集中明顯等現(xiàn)象，可以通過增加支護(hù)強度等方式達(dá)到控制圍巖失穩(wěn)的目的。具體可以通過提高綜放支架初撐力和工作阻力，集中應(yīng)力區(qū)增加帶帽點柱等，或采用其他輔助措施進(jìn)行加強支護(hù)。

2) 改進(jìn)生產(chǎn)工藝。針對復(fù)采綜放面超前支承壓力較大，易造成工作面煤壁片幫、漏冒頂事故，放頂煤支架需要及時帶壓移架，減少前方煤壁控頂暴露時間，同時可以采取小循環(huán)短進(jìn)尺快放煤生產(chǎn)工藝，使工作面超前支承壓力快速前移，避免高應(yīng)力長時間作用于懸空煤壁，造成工作面持續(xù)礦壓現(xiàn)象異常。

4 結(jié) 語

1) 復(fù)采綜放面受原兩側(cè)采空區(qū)回采擾動影響，上覆巖層破斷形成不連續(xù)、不規(guī)則、多裂隙的空間賦存結(jié)構(gòu)，不規(guī)則巖塊經(jīng)過回轉(zhuǎn)、沉降、擠壓形成點或面接觸式“砌體梁”結(jié)構(gòu)。由于頂板的不規(guī)則斷裂，造成采空區(qū)矸體密實程度不均勻，近工作面頂板垮落變現(xiàn)出一定程度的傾斜，形成“砌體梁”接觸面擠壓力源。同時上軟下硬頂板結(jié)構(gòu)荷載傳遞至下部堅硬直接頂巖層中，使其與直接頂巖層產(chǎn)生同步運動。

2) 針對復(fù)采采場存在的圍巖應(yīng)力集中，來壓不規(guī)律，煤壁易片幫、漏冒頂?shù)惹闆r，通過提高綜放支架初撐力等加強支護(hù)措施和小循環(huán)短進(jìn)尺快放煤勤移架的改進(jìn)生產(chǎn)工藝，解決了圍巖控制難題。