特厚煤層堅(jiān)硬頂板孤島工作面綜放開(kāi)采技術(shù)研究

樊俊鵬，童 榮，王亞軍

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻煤礦山西有限公司，山西 大同 037000)

礦井生產(chǎn)過(guò)程中，受地質(zhì)條件、資源可采儲(chǔ)量、采掘銜接等因素影響，為保證產(chǎn)量要求，在工作面布置形式上往往會(huì)采用跳采方式，以至于單個(gè)采區(qū)經(jīng)常會(huì)形成一個(gè)甚至多個(gè)孤島工作面。孤島工作面由于其復(fù)雜的頂板結(jié)構(gòu)、相對(duì)集中的應(yīng)力環(huán)境致使其在開(kāi)采過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴}[1-5]，因而如何保證孤島工作面的安全順利生產(chǎn)成為現(xiàn)代化礦井亟待解決的問(wèn)題。為此，學(xué)者們進(jìn)行了多方面的研究，王兆會(huì)等[6]研究了淺埋孤島工作面頂板破斷形式，探索了工作面圍巖動(dòng)力破壞的原因，并提出了相應(yīng)的頂板控制方案。毛曉東等[7]以孤島工作面回采過(guò)斷層為研究點(diǎn)，運(yùn)用3DEC軟件模擬分析了工作面回采過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)及變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，提出了沖擊地壓綜合防治措施。朱廣安等[8]以深埋復(fù)雜不規(guī)則孤島工作面為地質(zhì)基礎(chǔ)，探索了孤島煤柱誘沖機(jī)制，并基于微震監(jiān)測(cè)對(duì)孤島工作面回采進(jìn)行了沖擊危險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。

同忻礦具有煤層埋藏深、厚度大、頂板結(jié)構(gòu)強(qiáng)、工作面開(kāi)采強(qiáng)度高的特點(diǎn)，目前針對(duì)此種條件下孤島工作面安全開(kāi)采技術(shù)的研究相對(duì)較少。故而，以同忻礦8102孤島工作面為背景，探索特厚煤層堅(jiān)硬頂板大采高綜放孤島工作面安全開(kāi)采技術(shù)，為今后類(lèi)似條件下孤島工作面的安全開(kāi)采提供借鑒。

1 工程概況

同忻礦8102工作面為同忻礦一盤(pán)區(qū)東翼最后一個(gè)未開(kāi)采的孤島工作面，工作面傾向長(zhǎng)251m，可采長(zhǎng)度1399m，平均煤厚18.6m，工作面位置如圖1所示。

圖1 8102工作面位置

8102工作面埋深為437.1～491.6m，煤層為半暗型煤層，中夾半亮型煤，性脆易碎。煤層傾角為0°～4°，平均1°。8102工作面覆巖主要以細(xì)砂巖、粉砂巖、中砂巖交錯(cuò)分布，完整性好、硬度大、強(qiáng)度高。

2 孤島工作面回采壓力分析

2.1 數(shù)值模型建立

為直觀展示8102孤島工作面回采期間工作面礦壓狀況，采用ABAQUS軟件建立三維數(shù)值模型，其中，3-5#煤層各工作面及煤柱寬度根據(jù)實(shí)際尺寸建立，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程情況建立14#煤層采空區(qū)與8102工作面對(duì)應(yīng)關(guān)系，模擬模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 工作面回采期間壓力分析

8102工作面回采過(guò)程中力學(xué)特征如圖3所示，由圖3可知：①8102工作面端部上隅角區(qū)域集中應(yīng)力高達(dá)27.42MPa，較其他區(qū)域更為集中；②8102工作面周?chē)煽諈^(qū)應(yīng)力低于原巖應(yīng)力，表明采空區(qū)上覆堅(jiān)硬巖層未充分垮落，存在承載結(jié)構(gòu)，采空區(qū)處于非充分采動(dòng)狀態(tài)；③8102工作面運(yùn)輸巷(靠8101采空區(qū)側(cè))較回風(fēng)巷(靠8103采空區(qū)側(cè))應(yīng)力更高。

圖3 垂直應(yīng)力和最大主應(yīng)力分布

綜上可得：由于8102孤島工作面周?chē)煽諈^(qū)未充分采動(dòng)，回采期間，采空區(qū)頂板覆巖結(jié)構(gòu)重新失穩(wěn)激活，受強(qiáng)動(dòng)載影響，孤島工作面極有可能發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，因此采取成套的技術(shù)措施以保證8102孤島工作面安全高效回采迫在眉睫。

3 孤島工作面安全生產(chǎn)技術(shù)保障體系

3.1 小煤柱沿空掘巷技術(shù)

3.1.1 穩(wěn)定后采空區(qū)側(cè)向支承壓力計(jì)算

8101、8103工作面分別于2010年、2015年回采結(jié)束，孤島工作面兩側(cè)采空區(qū)端部結(jié)構(gòu)已趨于穩(wěn)定。依據(jù)彈塑性力學(xué)理論、極限平衡理論[9]，建立采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力分布力學(xué)模型，確定采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力降低區(qū)范圍，為8102孤島工作面小煤柱巷道的布置提供理論依據(jù)。采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力分布力學(xué)模型如圖4所示。圖4中，M為煤層采厚，m；σx為水平應(yīng)力，MPa；σy為垂直應(yīng)力，MPa；σyl為垂直應(yīng)力峰值，MPa；τxy為煤層與巖層間剪應(yīng)力，MPa；x1為極限平衡區(qū)寬度，m；α為煤層傾角，(°)；Px為采空區(qū)對(duì)煤柱的水平約束力，MPa。

圖4 側(cè)向應(yīng)力分布力學(xué)模型

8102工作面為近水平煤層，α可按0°計(jì)算，則采空區(qū)極限平衡區(qū)寬度為[10，11]：

(1)

式中，β為8101、8103采空區(qū)側(cè)壓系數(shù)，取0.91；φ0為3-5#煤內(nèi)摩擦角，取28°；C0為3-5#煤黏聚力，取1.8MPa；Px為采空區(qū)對(duì)煤柱的側(cè)向約束力，取0。

令σy=11.6MPa(原巖垂直應(yīng)力)，M=18m，計(jì)算得出兩側(cè)采空區(qū)0～14.52m范圍內(nèi)為孤島工作面?zhèn)认蛑С袎毫档蛥^(qū)。根據(jù)小煤柱沿空掘巷布置原則，小煤柱巷道應(yīng)處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，考慮到巷道寬度為5.5m，故8102孤島工作面兩回采巷道小煤柱寬度最大為9.02m。

3.1.2 煤柱寬度下限計(jì)算

在巷道布置于應(yīng)力降低區(qū)的前提下，煤柱越窄圍巖受力越小，但煤柱寬度要保證有能夠隔絕采空區(qū)瓦斯、水、火的能力，同時(shí)也需要保證煤柱的穩(wěn)定性，因此煤柱寬度需滿(mǎn)足式(2)：

B≥X1+X2+X3

(2)

式中，B為煤柱寬度，m；X1為煤柱在采空區(qū)側(cè)的破裂區(qū)寬度，m；X2為煤柱在巷道側(cè)的破裂區(qū)寬度，m；X3為煤柱安全系數(shù)，取X3=0.3(X1+X2)。

由同忻礦一盤(pán)區(qū)巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果可知，煤柱兩側(cè)煤體破裂深度在1.5～1.9m之間，即X1=X2=1.5m，X3=0.9m，因此煤柱寬度B最小為3.9m。

綜上所述，8102工作面小煤柱寬度B應(yīng)在3.9～9.02m之間。遵循“煤柱越窄，應(yīng)力環(huán)境越好”原則，同時(shí)為避免采空區(qū)氣體泄露，最終確定8102孤島工作面兩回采巷道小煤柱寬度為6m。

3.2 高工作阻力液壓支架選型

為保證8102孤島工作面的安全生產(chǎn)，適當(dāng)?shù)奶岣吖ぷ髅嬷Ъ芄ぷ髯枇χ陵P(guān)重要，一般大采高綜放支架工作阻力表達(dá)式如式(3)[12-14]：

PZ=Gd+Q=Ldhdγ+

(3)

式中，PZ為支架載荷，N；Gd為支架承載煤體重力，N；Q為支架所受變形壓力，N；Ld為支架控頂距，m；hd為直接頂厚度，m；γ為直接頂容重，kN/m3；f為摩擦系數(shù)；Pi為直接頂重量，N；Pj+1為老頂重量，N；hi、li分別為巖塊厚度和長(zhǎng)度，m；a為裂隙傾角，(°)；QB為變形壓力層重量，N；K為矸石剛度，N/m；s為矸石壓縮量，m；hj+1為基本頂巖塊厚度，m；Δ為基本頂頂巖塊A下沉量，m；c為支架合力作用點(diǎn)距煤壁的距離，m。

8102工作面內(nèi)覆巖結(jié)構(gòu)及參數(shù)見(jiàn)表1、2。

表1 8102工作面覆巖結(jié)構(gòu)及參數(shù)

表2 覆巖力學(xué)參數(shù)

巖層極限下沉量Δj及可能下沉量Δm表達(dá)式分別如式(4)、式(5)。當(dāng)Δj≤Δm時(shí)，該巖層為需控巖層，當(dāng)Δj>Δm時(shí)，該巖層基本頂巖層。

(4)

式中，hd為直接頂厚度，m；q為直接頂線(xiàn)載荷，N；l為來(lái)壓步距，取27m；k為無(wú)量綱系數(shù)，k=0.1h；[σc]=(0.3～0.35)R，其中，R為直接頂抗壓強(qiáng)度，MPa。

Δm=(hc+hf)(1-p1)+(1-Kp)hm

(5)

式中，hc為采高，取3.8m；hf為放煤厚度，取15.2m；p1為煤炭損失率，取20%；Kp為碎脹系數(shù)，取1.2；hm為直接頂累計(jì)厚度，m。

第一步，將有關(guān)參數(shù)代入式(4)、式(5)，以此來(lái)判斷需控巖層。

Δm1=19×(1-0.2)+(1-1.2)×0.9=15.02m

可見(jiàn)，C1為需控巖層。

由此類(lèi)推：

Δm13=19×(1-0.2)+(1-1.2)×60.43=3.114m

可見(jiàn)，C13為需控巖層。

Δm14=19×(1-0.2)+(1-1.2)×71.33=0.934m

因此，C14及以上巖層為基本頂巖層。

第二步，將有關(guān)參數(shù)代入式(6)來(lái)確定無(wú)變形壓力巖層。

Δd=ηhd(1+λ)

(6)

式中，Δd為控頂區(qū)內(nèi)頂煤體的總變形量；η為為孔隙率；λ為側(cè)壓系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算得Δd=6.41m，頂煤變形量與C1～C5巖層抵消，將剩余需控巖層數(shù)據(jù)帶入式(3)，計(jì)算工作阻力得：

=1.75×60.43×2.5+7789.4=11843.2kN

支架安全系數(shù)取2，在保證工作阻力的前提下，考慮到工作面采高、采煤工藝等要求，最終確定同忻8102孤島工作面采用ZF21000/27.5/42型大采高放頂煤液壓支架。

3.3 高位堅(jiān)硬巖層地面水力致裂技術(shù)

3.3.1 致裂目標(biāo)層確定

同忻礦工作面回采期間發(fā)生強(qiáng)礦壓現(xiàn)象的根源在于垮落帶范圍內(nèi)存在有厚硬巖層，這些厚硬巖層垮落步距大，垮落過(guò)程中來(lái)壓表現(xiàn)強(qiáng)烈[15，16]。因此為有效解決8102工作面回采過(guò)程中可能遇到的強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴}，地面水力壓裂目標(biāo)層應(yīng)為處于工作面垮落帶范圍內(nèi)的厚硬巖層，以達(dá)到弱化頂板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減小頂板垮落步距，降低礦壓顯現(xiàn)程度，消除安全隱患的目的。

基于“巖石碎脹系數(shù)法”計(jì)算特厚煤層綜放工作面垮落帶高度[14]，垮落帶計(jì)算公式為：

(7)

式中，φ為回采率；Kp為煤、巖綜合碎脹系數(shù)。

8102工作面平均采厚為18.6m(考慮放矸)，回采率為0.89，巖石碎脹系數(shù) 1.25～1.4，代入垮落帶計(jì)算公式得，垮落帶高度為41.39～66.22m。

結(jié)合8102工作面柱狀圖可知，工作面范圍內(nèi)處于垮落帶高度范圍內(nèi)共有兩層堅(jiān)硬巖層，分別為距3#—5#煤頂板66.5m處厚12m的細(xì)礫巖和距頂板78.5m處厚13.7m的中粒砂巖，此兩層即為8102孤島工作面地面水力壓裂致裂目標(biāo)層。

3.3.2 地面致裂孔位置

8102孤島工作面共施工三組地面垂直鉆井，均位于工作面中部，分別對(duì)應(yīng)采位50m、采位235m以及采位740m處，依次編號(hào)為T(mén)X1、TX2、TX3，如圖5所示，以期解決8102工作面初次來(lái)壓、一次見(jiàn)方來(lái)壓以及過(guò)上覆遺留煤柱期間的強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴}。鉆孔施工位置及參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 鉆孔施工位置及參數(shù)

圖5 垂直鉆孔施工位置

3.3.3 致裂施工設(shè)計(jì)

地面水力壓裂采用水力噴砂射孔方式進(jìn)行，套管射孔成功后對(duì)目標(biāo)層運(yùn)用水力噴射壓裂液進(jìn)行水力壓裂，壓裂限壓50MPa。壓裂液要求：配液水質(zhì)pH為6.5～7.5，機(jī)械雜質(zhì)小于0.2%；配液用水需精細(xì)過(guò)濾；活性水為“清水+0.05%表面活性劑+0.05%殺菌劑”。選用0.425～0.85mm石英砂作為射孔介質(zhì)，選用0.225～0.425mm石英砂作為主支撐劑。

水力噴射壓裂工具最下級(jí)固定式噴槍安裝8×?6.3mm的噴嘴，90°相位角組合(每層安裝4個(gè)噴嘴，上下兩層的噴嘴)；第2級(jí)以上采用滑套式噴槍?zhuān)惭b8×?6.3mm的噴嘴，90°相位角組合(每層安裝4個(gè)噴嘴，上下兩層的噴嘴相位45°)。

3.4 巷道卸壓技術(shù)

為避免8102孤島工作面小煤柱巷道像以往大煤柱巷道一樣發(fā)生強(qiáng)礦壓現(xiàn)象，工作面回采前在兩回采巷道實(shí)體煤幫預(yù)防性地施工大直徑卸壓孔，目的是讓巷道煤體充分塑性破壞，集中應(yīng)力進(jìn)一步向煤體深部轉(zhuǎn)移，從而減小支護(hù)壓力，使巷道更易維護(hù)。

⑤http：//tv.cctv.com/2016/10/31/VIDEkjc5TIDsgmTGjYhFsvq3161031.shtml。例如，北京一日游，某國(guó)際旅行社：長(zhǎng)城貴賓VIP專(zhuān)線(xiàn)，原價(jià)160元，現(xiàn)價(jià)100元/位，并且先旅游，后付款，上車(chē)簽訂旅游協(xié)議，純玩無(wú)購(gòu)物，旅游的景點(diǎn)包括八達(dá)嶺長(zhǎng)城、十三陵地下宮殿、十三陵水庫(kù)、恭親王府、頤和園等10個(gè)景點(diǎn)，還能免費(fèi)乘坐纜車(chē)。

2102、5102巷采用ZDY4000L型履帶式全液壓鉆機(jī)，鉆孔直徑200mm，在實(shí)體煤幫中上部施工兩排卸壓鉆孔，鉆孔呈三花形式布置，鉆孔間水平距離900mm，垂直距離700mm，孔深20m，鉆孔參數(shù)見(jiàn)表4，用黃泥漿封孔2m。

表4 實(shí)體煤幫鉆孔參數(shù)

4 工程應(yīng)用

4.1 支架應(yīng)用效果分析

支架初撐力和循環(huán)末阻力是判別支架適應(yīng)狀況的重要指標(biāo)。為探究8102孤島工作面支架適應(yīng)性情況，對(duì)工作面從初采到一次見(jiàn)方位置處共250m范圍內(nèi)支架受力參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

4.1.1 初撐力

8102孤島工作面額定初撐力24MPa，初采一次見(jiàn)方范圍內(nèi)工作面支架初撐力分布頻率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。由表5可知，各統(tǒng)計(jì)支架達(dá)到額定初撐力80%的比例分別為：30#支架為65.1%，60#支架為70.4%，90#支架為72.7%，120#支架為64.5%，初撐力整體合格率較高，頂板控制效果良好，極大降低了孤島工作面冒頂風(fēng)險(xiǎn)。

表5 支架初撐力分布百分比統(tǒng)計(jì) %

4.1.2 循環(huán)末阻力

初采期間共統(tǒng)計(jì)了312個(gè)工作循環(huán)末阻力，見(jiàn)表6。通過(guò)分析表6得知，工作面支架循環(huán)末阻力在不同分布范圍占比為：0～10MPa范圍內(nèi)為1.8%，10～20MPa范圍內(nèi)為20.8%，20～30MPa范圍內(nèi)為43.3%，30～40MPa范圍內(nèi)為15.5%，40～50MPa范圍內(nèi)為7.7%，50～60MPa范圍內(nèi)為10.8%。初采過(guò)程中工作面支架約有18.5%處于高工作阻力狀態(tài)(40MPa以上)的，支架整體工作負(fù)荷低，支護(hù)能力的富余量大。

表6 支架循環(huán)末阻力占比統(tǒng)計(jì) %

綜上所述，21000kN大采高放頂煤液壓支架在8102孤島工作面初采過(guò)程中適應(yīng)效果良好，滿(mǎn)足工作面實(shí)際生產(chǎn)需求。

4.2 地面水力致裂效果分析

由于一次見(jiàn)方區(qū)域致裂效果與初次來(lái)壓區(qū)域致裂效果基本類(lèi)似，因此只對(duì)初次來(lái)壓區(qū)域水力致裂效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，區(qū)域裂隙參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 初次來(lái)壓區(qū)域裂隙參數(shù)

初次來(lái)壓區(qū)域水力致裂成縫效果良好，基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。最終致裂裂縫與工作面呈斜交形態(tài)，裂縫擴(kuò)展范圍覆蓋了整個(gè)工作面長(zhǎng)度，裂縫擴(kuò)展效果較好，有效弱化了工作面頂板結(jié)構(gòu)，降低了孤島工作面初次來(lái)壓強(qiáng)度。

4.3 小煤柱巷道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為了驗(yàn)證8102孤島工作面6m小煤柱巷道布置的合理性，在巷道掘進(jìn)期間及工作面初采期間巷道表面位移進(jìn)行了觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果表明：8102孤島工作面回采巷道掘進(jìn)期間頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?21mm，兩幫最大移近量為140mm；回采期間，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?00mm，兩幫最大移近量為1020mm。巷道采用小煤柱沿空掘巷布置，使得巷道在掘進(jìn)及回采過(guò)程中變形維持在可控的范圍之內(nèi)，未出現(xiàn)錨桿錨索失效現(xiàn)象，保證了工作面的安全順利生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

1)8102孤島工作面回采期間最大垂直應(yīng)力可達(dá)27.42MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.61，若不采取相應(yīng)技術(shù)措施回采期間工作面將面臨強(qiáng)礦壓風(fēng)險(xiǎn)。

2)工作面兩側(cè)采空區(qū)側(cè)向支承壓力降低區(qū)范圍為0～14.52m。為使小煤柱巷道處于較低應(yīng)力環(huán)境，同時(shí)保證煤柱具有一定穩(wěn)定性，煤柱寬度B應(yīng)滿(mǎn)足3.9≤B≤9.02，最終確定沿空掘巷小煤柱留設(shè)寬度為6m。

3)理論計(jì)算表明液壓支架工作阻力至少應(yīng)大于20866.4kN，最終確定采用ZF21000/27.5/42型大采高放頂煤液壓支架。

4)8102工作面冒落帶發(fā)育高度約為80m，為有效弱化頂板，縮短來(lái)壓步距，降低來(lái)壓強(qiáng)度，在工作面初次來(lái)壓范圍內(nèi)、一次見(jiàn)方來(lái)壓范圍內(nèi)以及過(guò)上覆遺留煤柱范圍內(nèi)施工地面水力致裂孔，致裂目標(biāo)層為距3#—5#煤層頂板66.5m處厚12m的細(xì)礫巖和距頂板78.5m處厚13.7m的中粒砂巖。

5)通過(guò)采用小煤柱沿空掘巷、21000kN高工作阻力液壓支架、地面水力致裂以及巷道大直徑卸壓孔等技術(shù)措施，可有效降低工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，確保工作面安全高效生產(chǎn)。