綜放工作面過不同層位空巷圍巖變形破壞與控制技術研究

許 謙，吳增明，張旭波

(潞安化工集團 王莊煤礦，山西 長治 046031)

礦井開采后期會出現(xiàn)工作面開采區(qū)域存在殘留空巷的情況，且在多數(shù)礦井中普遍存在，也是該類工作面頂板控制面臨的基本問題。工作面與殘留空巷間的交匯角度、空巷寬度、空巷垮落空間幾何尺寸均是回采過空巷難易程度判斷的主要依據(jù)。我國學者通過分析綜放工作面過空巷時支架-圍巖穩(wěn)定性控制的技術難點，在過空巷合理的時空節(jié)點上實施注漿固結修復、支架支撐力保障和實施停采等壓等綜合技術措施，并闡述了相應的控制機理，建立了綜放工作面過空巷時基本頂破斷的結構模型，分析得出了過空巷時關鍵條件下的支架臨界工作阻力。在分析工作面頂板物理模型的基礎上，建立了工作面穩(wěn)定性力學模型，對頂板穩(wěn)定性和煤柱穩(wěn)定性的關系進行了深入分析，并通過數(shù)值計算和現(xiàn)場觀測對分析結果進行了驗證[1]。本文通過對王莊煤礦6212綜放工作面過不同層位空巷時的圍巖變形破壞情況及相應的控制技術進行研究，為實現(xiàn)6212工作面安全高效開采提供理論與實踐基礎。

1 工程概況

王莊煤礦建成投產(chǎn)于1966年12月，核定生產(chǎn)能力達700萬t。6212綜放工作面位于王莊煤礦62采區(qū)，62回風井南180 m，工作面東北為6209、6210已采工作面，西北為實體煤，東南為6208在采工作面，西南接630/3膠帶巷，工作面煤層穩(wěn)定。工作面切眼長215 m，總推進度281.5 m，煤層均厚6.6 m，(煤層傾角為1～4 °)兩巷和切眼均沿煤層底板掘進。巷道的支護形式均采用“錨網(wǎng)梁+錨索”支護，巷道的斷面規(guī)格：6212運巷3.2 m(高)×5.0 m(寬)；6212風巷3.2 m×4.5 m。煤層及上覆巖層物理力學性質(zhì)及節(jié)理力學參數(shù)，見表1、表2。6212綜放工作面開采區(qū)域內(nèi)存在9條空巷，并且空巷的層位也存在較大差異性，如圖1所示，實線為頂板空巷，虛線為煤層空巷，實線與虛線相連為穿層空巷。

表1 煤層及上覆巖層物理力學性質(zhì)

表2 煤層及上覆巖層及節(jié)理力學參數(shù)

2 綜放工作面過空巷DDA分析

DDA以最小勢能原理建立平衡方程式，求解有限單元類型的網(wǎng)格，可計算單元或塊體大位移和大變形，可以說DDA法兼顧了有限元法與離散元法的優(yōu)點，但又對它們做了更進一步的發(fā)展，而且計算嚴格地遵循經(jīng)典的力學法則，具有更明確的物理和幾何上的含義?；贒DA數(shù)值模擬軟件，結合6212工作面的賦存地質(zhì)環(huán)境以及現(xiàn)場實際應用情況，構建出相應的數(shù)值計算模型(模型范圍設定為：長×高為300 m×200 m)。模擬出6212綜放工作面過空巷時的動態(tài)模擬過程，通過對綜放工作面過不同層位空巷(煤層空巷、頂板空巷、穿層空巷)時巷道頂板的下沉量進行監(jiān)測，得到綜放工作面過不同層位空巷過程中頂板下沉量的演化規(guī)律，見圖2。在此基礎上,對不同層位空巷頂板下沉量進行對比分析。

圖1 6212工作面與空巷位置關系示意

圖2 不同層位空巷頂板下沉量對比

1) 煤層空巷在煤層開挖之前，其頂板下沉量約為0.37 m，前期隨著開挖長度不斷的增加，空巷圍巖變形量較小，空巷頂板基本不發(fā)生下沉，當工作面開挖至空巷16 m處，空巷頂板處開始出現(xiàn)較小下沉量，工作面距離空巷越近，其頂板下沉量越明顯，當開挖至空巷8 m處，其頂板發(fā)生明顯下沉，下沉量數(shù)值最高達到0.71 m，約為無采動影響時頂板下沉量的1.92倍。

2) 頂板空巷與穿層空巷在煤層開挖之前，其頂板下沉量均為0.39 m，頂板下沉規(guī)律大致和煤層空巷的開挖規(guī)律大致相同，當工作面開挖至16 m處，空巷頂板下沉開始受到采動影響；當工作面鄰近空巷時，其頂板下沉規(guī)律基本相同，當工作面開挖至空巷12 m處，這兩種空巷均出現(xiàn)明顯下沉；當工作面距離空巷4 m處，頂板下沉速率達到最大值，進入過空巷劇烈影響區(qū)，穿層空巷頂板下沉量約為0.79 m，約為無采動時空巷頂板下沉量的2.03倍，頂板空巷頂板下沉量約為0.98 m，約為無采動時空巷頂板下沉量的2.51倍。

3) 當工作面穿過空巷后，針對穿層空巷，其頂板下沉量最大值約為1.63 m。針對煤層空巷，其頂板下沉量最大值為1.81 m。

綜上所述，無論是針對哪種過空巷問題，當工作面開挖至工作面附近時，對其空巷頂板處的下沉量影響均是顯著的，其中頂板空巷的頂板下沉量最為明顯，約為無采動時空巷頂板下沉量的2.51倍。

3 綜放面過空巷圍巖控制

工作面通過空巷之前，必須提前一段時間對空巷進行預加固，提高空巷圍巖的穩(wěn)定性，以保證工作面過空巷期間采場圍巖能一直保持穩(wěn)定，從而使工作面順利通過空巷[2]。空巷的預加固應一般在工作面推進到距離空巷50 m以內(nèi)前完成?？紤]到6212工作面日進尺預計為4.8 m，而超高水材料充填體需要7 d才能達到最終強度的90%以上，如果某段空巷的預加固采用了超高水材料注漿的方法，則必須在工作面推進到距離空巷85 m以內(nèi)前完成注漿工作。

3.1 空巷加固方案

6212綜放工作面不同層位的空巷由不同的加固方式進行加固，按照現(xiàn)場實施主要方法有：①頂板空巷，主要加固方式為：底板鋪大板、鋪網(wǎng)，再打設聯(lián)鎖木垛；②煤層空巷，2 m間距打設木垛；③空巷與工作面巷道交叉口位置，補打錨索桿、架設工字鋼棚、打設聯(lián)鎖木垛及高水材料充填。

3.2 高水充填技術

高水充填材料主要由A、B兩種物料組成。A料主要以鋁土礦、石膏等獨立煉制并復合超緩凝分散劑構成，B料由石膏、石灰與復合速凝劑構成。二者以1∶1比例配合使用，滿足井下充填要求，水體積最高可達97%。超高水材料固結體體積相應變小，凝結時間可控、易調(diào)，輸送距離基本不受限制。

在6212工作面回采初期會切割原6209風巷，該巷道沿3號煤層底板布置，與工作面方向垂直，與現(xiàn)6212風巷之間僅間隔5 m左右的煤柱。6209風巷和6212風巷都在6212工作面切眼前方53 m左右與斜交6212工作面的62上山軌道巷相交。由于原6209風巷、6212風巷與62上山軌道巷形成的交叉點距離很近，在工作面回采過程中，交叉點附近的較大范圍圍巖一定處于應力疊加影響區(qū)范圍內(nèi)，特別是原6209風巷和6212風巷之間的整個窄煤柱受到應力疊加影響程度最為嚴重，極易發(fā)生變形和破壞，因此在所有交叉點中，6212工作面回采通過該處的交叉點難度最高。為此，首先在交叉口附近適當位置打密閉墻；其次6212風巷交叉口位置打設一梁四柱單體支柱工字鋼棚，棚距0.5 m；最后用高水材料充填，現(xiàn)場情況如圖3所示。

圖3 6212風巷與原6209風巷、62上山軌道巷交叉口加固示意

4 結 語

1) 王莊煤礦6212綜放面開采過程中要過9條不同層位的空巷，為實現(xiàn)該工作面在復雜條件下安全開采，對6212綜放面過空巷時空巷圍巖的穩(wěn)定性及其控制技術進行研究。

2) 采用DDA模擬分析了6212綜放面過不同層位(頂板、煤層、穿層)空巷時圍巖變形破壞情況，得到了不同層位空巷頂板下沉量演化曲線，揭示了綜放工作面過不同層位空巷的變形破壞機理。

3) 為實現(xiàn)對不同層位空巷圍巖的有效控制，對綜放工作面過空巷采取了相應的加固方法及部分位置采用端頭高水充填技術。回采期間，揭露空巷未出現(xiàn)片冒事故，取得了良好的控制效果。