淺談復(fù)采工作面充填過空巷回采技術(shù)

范江濤

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 三元石窟煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

煤炭是我國(guó)的主體能源，由于淺部煤炭資源儲(chǔ)量的減少，為了減緩煤礦向深部高應(yīng)力區(qū)域發(fā)展，許多礦區(qū)開展了對(duì)舊式采煤方法殘留煤炭資源的二次開采工作，其中難點(diǎn)在長(zhǎng)壁綜采回采過空巷時(shí)，特別是平行空巷的圍巖控制。馬占國(guó)等對(duì)多種采煤方法殘留煤柱的復(fù)采問題進(jìn)行了研究，并建立了礦柱和采空區(qū)充填體共同支撐的彈性板柱的力學(xué)模型[1]；柏建彪等提出了空巷基本頂模型，研究了充填技術(shù)與支護(hù)參數(shù)[2]；杜科科等[3]研究了過空巷期間頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律和結(jié)構(gòu)變化，并得出了等壓過空巷技術(shù)參數(shù)；楊榮明等[4]采用彈性地基梁模型分析出工作面在過空巷時(shí)老頂斷裂線位置。

1 研究背景

石窟煤業(yè)現(xiàn)對(duì)301采區(qū)巷道保護(hù)煤柱及邊角煤進(jìn)行回收，布置30106復(fù)采工作面，30106煤柱回收工作面長(zhǎng)度隨地質(zhì)條件變化，煤層平均厚為6 m，工作面設(shè)計(jì)布置情況如圖1。復(fù)采區(qū)域位于井田的中西部，約0.13 km2，尚有剩余儲(chǔ)量約66萬t，在布置30106工作面過程中共發(fā)現(xiàn)主要空巷6條，通過對(duì)揭露的空巷現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及分析后發(fā)現(xiàn)，殘留空巷寬度一般在3.5～4.2 m，高度為2.7～3 m，局部空巷高度為6.0～7.0 m，多為矩?cái)嗝?，空巷揭露情況見表1。

工作面回采實(shí)體煤時(shí)，回采空間受到基本頂周期性破斷斷裂塊形成的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的保護(hù)作用。但如果復(fù)采工作面推進(jìn)至回采工作面內(nèi)平行空巷時(shí)，基本頂?shù)钠茢辔恢脮?huì)前移至空巷前距實(shí)體煤較近巖層，破斷前懸頂加長(zhǎng)，破斷后，由于煤柱產(chǎn)生破壞，支架前方容易造成切頂事故，支架工作阻力也隨破斷巖塊尺寸變大而增加，造成冒頂、支架壓架事故。

圖1 30106復(fù)采工作面布置及空巷揭露平面

表1 30106復(fù)采工作面空巷揭露匯總

2 復(fù)采工作面基本頂超前斷裂分析

由于空巷，煤柱與前方實(shí)體煤不存在相互水平作用力而導(dǎo)致失穩(wěn)狀態(tài)。即使空巷寬度小，復(fù)采工作面也可能超前斷裂。所以建立如圖2所示模型，研究必然斷裂時(shí)的空巷寬度。

圖2 空巷臨界寬度力學(xué)分析模型

煤柱的失穩(wěn)破壞發(fā)生在寬度W小于臨界失穩(wěn)寬度W*，頂板巖層失去煤柱支撐力形成長(zhǎng)度較大的懸臂梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)固支端剪切力、彎矩最大?；卷斣谄涔讨Ф说募羟辛?、彎矩由于頂板受力狀態(tài)的改變而增大?？障飳挾容^大煤柱失穩(wěn)，懸臂梁折斷時(shí)基本頂?shù)膽冶坶L(zhǎng)度lx大于等于其極限破斷步距l(xiāng)(即回采實(shí)體煤時(shí)周期來壓步距)，即Lx=lx+W+Ax>l。

因此，此時(shí)空巷寬度Ax

Ax≥l-lx-W*

(1)

式中：Ax為空巷寬度，m；l為回采實(shí)體煤時(shí)周期來壓步距，m；lx為復(fù)采工作面與上次周期斷裂線距離，m；W*為煤柱失穩(wěn)臨界寬度。

其中煤柱失穩(wěn)臨界尺寸用公式(2)計(jì)算:

(2)

式中:ρ為覆巖平均視密度，kg/m3；H為平均采深，m；σc為煤層單抽抗壓強(qiáng)度，MPa；g為重力加速度；M為采高；B為煤柱承載覆巖寬度，m，其中空巷上覆巖層覆巖一半和部分復(fù)采工作面基本頂結(jié)構(gòu)與其上覆巖層的重量。其等效寬度為：

(3)

懸臂梁結(jié)構(gòu)達(dá)到極限破斷步距和復(fù)采面與周期斷裂線距離最小時(shí)，這個(gè)寬度為超前斷裂的充分條件，即lx=0且Lx= l將上述條件及式(1)(3)代入公式(2)得：

(4)

式中：A0為空巷臨界寬度。

(5)

根據(jù)工作面頂板，運(yùn)用RST采場(chǎng)礦壓分析軟件得l=12 m，將ρ=2 600 kg/m3，H=220 m，σc=19 000 kN/m2，l=12 m。

代入(4)式可得空巷臨界寬度A0為:

=4.114 m

超前斷裂出現(xiàn)在4.114 m寬的空巷時(shí)，結(jié)合表1可知當(dāng)30106復(fù)采工作過平行空巷時(shí)必然引起超前斷裂。

3 充填空巷復(fù)采可行性分析

由表1分析可知，30106復(fù)采工作面過平行空巷時(shí)必然引起超前斷裂。如果采用充填材料將空巷充滿，使其基本恢復(fù)原巖狀態(tài)，則原本空巷的位置相當(dāng)于由充填材料替換了煤體的正常工作面，使空巷與工作面之間的煤柱仍具較強(qiáng)承載能力，則不需要對(duì)空巷進(jìn)行維護(hù)。利用FLAC3D軟件對(duì)30106工作面充填空巷復(fù)采可行性進(jìn)行研究。

建立長(zhǎng)×寬×高=250 m×220 m×70 m的模型，煤巖體采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，液壓支架線彈性本構(gòu)模型，重力g=-9.81 m/s2。模型限制底部、側(cè)面水平位移，上部應(yīng)力邊界模擬覆巖載荷，進(jìn)行一次平衡計(jì)算模擬開挖前狀態(tài)。利用Extrusion模塊輸入液壓支架關(guān)鍵點(diǎn)位并連接，劃分網(wǎng)格后生成液壓支架并導(dǎo)入模型開切眼內(nèi)組合。地層模型如圖3，液壓支架模型如圖4。

圖3 地層模型

圖4 液壓支架模型

當(dāng)推進(jìn)至距空巷4 m，煤柱達(dá)到臨界尺寸失去對(duì)頂板的支撐力，此時(shí)支架阻力最大，此時(shí)圍巖關(guān)系及支架阻力分析如圖5、圖6。

對(duì)比圖5中(a)(c)可知，復(fù)采工作面距空巷4 m時(shí)，煤柱幾乎沒有應(yīng)力集中區(qū)域表明煤柱基本失去承載能力，不同的是充填空巷支承壓力并沒有發(fā)生轉(zhuǎn)移，特別在空巷左側(cè)并未形成應(yīng)力集中區(qū)域，這表明由于充填體的存在，使得煤柱在空巷側(cè)承受壓力減小，且由于側(cè)向約束的存在使得煤柱發(fā)生破壞的范圍減小。

圖5 復(fù)采工作面距空巷4 m時(shí)空巷充填與否圍巖關(guān)系對(duì)比

對(duì)比圖5中(b)(d)可知，復(fù)采工作面距空巷4 m時(shí)，空巷附近及煤柱圍巖基本全部發(fā)生塑性破壞，但充填空巷后支架上方塑性破壞基本維持在頂煤及直接頂處，并未發(fā)生超前破斷，由此可知充填空巷可以有效解決復(fù)采工作面過空巷超前破斷問題。

由圖6(a)(b)對(duì)比分析可知，空巷充填與否液壓支架前柱壓力大于后柱，表明復(fù)采工作面仍符合放頂煤開采的固有規(guī)律。但當(dāng)復(fù)采工作面前方空巷被充填后，有效抑制超前斷裂的發(fā)生，當(dāng)工作面距空巷4 m時(shí)，支架立柱油壓并未發(fā)生明顯增長(zhǎng)，液壓支架立柱油壓最大值為25.4 MPa(四柱油壓均值，對(duì)應(yīng)工作阻力4 220 kN)，此阻力小于礦井現(xiàn)有的ZF4800/17/33型放頂煤液壓支架，若不充填空巷，受到前方空巷影響工作面頂板發(fā)生超前破斷導(dǎo)致支架受力迅速增大，液壓支架立柱油壓最大值為30.7 MPa(四柱油壓均值，對(duì)應(yīng)工作阻力5 101 kN)，此阻力大于礦井現(xiàn)有的ZF4800/17/33型放頂煤液壓支架，表明對(duì)空巷采取充填措施后使得現(xiàn)有支架能夠符合30106實(shí)際工況。

圖6 距空巷4 m時(shí)空巷充填與否支架應(yīng)力對(duì)比

4 結(jié) 語

1) 通過建立力學(xué)模型，對(duì)復(fù)采工作面前方有平行空巷時(shí)進(jìn)行受力分析，給出了考慮煤柱承載、復(fù)采工作面與上次周期斷裂線距離、周期來壓步距等影響因素的基本頂產(chǎn)生超前斷裂的充分條件。

2) 通過數(shù)值模擬分析了復(fù)采工作面的圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布，通過對(duì)比分析得出充填空巷能夠有效改善復(fù)采工作面圍巖受力情況。

3) 通過對(duì)支架的受力分析可知，當(dāng)復(fù)采工作面前方空巷被充填后，能夠有效抑制超前斷裂的發(fā)生，證明了充填空巷復(fù)采的可行性。