淺埋深綜采工作面回撤階段壓架冒頂機理與防治

伊永杰

(國能神東煤炭集團保德煤礦，山西省忻州市，036600)

神府東勝煤田煤層埋藏淺、傾角小、厚度大、地質條件簡單，煤質優(yōu)良。國家能源集團神東煤炭集團在該煤田目前已建成多個年產量超過千萬噸的綜采工作面。在這種高產高效綜采工作面搬家時，神東煤炭集團通過采用預先掘出回撤通道，使工作面搬家時間縮短至10 d以內，大大加快了工作面的搬家速度。

工作面回撤階段的巷道布置如圖1所示。在停采線附近預先掘出2條垂直于回采巷道的回撤通道，靠近工作面的為主回撤通道，另一條為輔回撤通道，其間采用聯絡巷連接。在現場實際運用中，當工作面與主回撤通道貫通時，經常會遇到工作面底板和主回撤通道底板不一致的情況，為此神東煤炭集團率先采用沿垂直于主回撤通道方向預先掘出若干調節(jié)巷，使采煤機沿調節(jié)巷頂底板調節(jié)工作面底板和頂板的位置，準確而又方便地控制底板標高。為了保證搬家時工作人員的安全，還會在距離停采線15～20 m處懸掛隔離網，避免破碎矸石冒落到回撤空間。

圖1 工作面回撤階段的巷道布置

近年來隨著淺部煤炭資源的日益枯竭，各大礦井的開采煤層逐漸向較深部轉移。多個工作面在臨近回撤通道處出現了片幫、漏矸甚至冒頂現象，當漏冒嚴重時還會導致支架活柱大幅下縮甚至被壓死、采煤機無法通過等事故，嚴重影響了礦井的正常生產和回撤工作，因此找出此類條件下壓架冒頂問題的機理成為亟待解決的關鍵問題。

基于預掘回撤通道的一系列優(yōu)勢，目前這項技術已經得到了廣泛的推廣使用[1-2]，并形成了較為成熟的評估和發(fā)展體系[3-4]。在預掘回撤通道頂板管理問題上，眾多研究人員針對預掘回撤通道的支護設計[5-6]、頂板結構穩(wěn)定[7-9]、回撤階段防滅火[10]和支架拆除工藝[11]等領域進行了深入研究，這些研究結果對預掘回撤通道技術在現場中的應用起到了重要的指導作用。但由于神東礦區(qū)工作面在回撤通道均采用高性能垛式支架管理頂板，回撤空間的頂板問題較少，反而由于采用了調節(jié)巷，使得工作面在接近回撤通道時容易發(fā)生冒頂甚至壓架事故，目前這方面的研究較少。因此，本文以大柳塔礦回撤通道處發(fā)生的壓架冒頂事故為研究背景，對工作面發(fā)生壓架冒頂事故的原因、機理以及防治對策開展研究。

1 臨近回撤通道冒頂事故案例

1.1 大柳塔煤礦52304工作面壓架冒頂事故

52304工作面是神東礦區(qū)大柳塔礦5-2煤層三盤區(qū)首個采用7 m采高支架的工作面。煤層傾角1°～3°，工作面走向推進長度4 547.6 m，傾斜長度301.0 m，在回撤階段其埋深為+275 m，調節(jié)巷長度20.0 m，寬為4.0 m，主回撤通道為6.8 m，輔回撤通道寬度為6.0 m，回撤通道間隔20.0 m，在52304工作面推進至距回撤通道20.0 m時采取停采等壓；在距回撤通道17.5 m時出現周期來壓，此時工作面正在懸掛柔性網，期間39～108號支架活柱下縮嚴重，86～88號支架活柱行程不足1 m，采煤機無法通過，端面漏矸嚴重，在調節(jié)巷與工作面交叉點端面頂板漏冒最大高度達5.0 m、沿工作面傾向連續(xù)漏冒范圍達33.0 m，如圖2所示，現場頂板漏冒情況如圖3所示，處理了14 d才最終解決，嚴重影響了該工作面的安全高效生產。

圖2 52304綜采面頂板冒頂位置示意

圖3 工作面漏冒現場照片

1.2 回撤階段壓架冒頂主控因素確定

結合文獻[10]統(tǒng)計的神東礦區(qū)調節(jié)巷交叉點冒頂事故統(tǒng)計表發(fā)現，大柳塔礦52304工作面端面漏冒也發(fā)生在與主回撤通道溝通的調節(jié)巷附近，因此，判斷該冒頂事故應該與調節(jié)巷有關。根據統(tǒng)計結果表明神東礦區(qū)回撤階段冒頂事故主要發(fā)生在布置調節(jié)巷且處于較大埋深的工作面，埋深淺的工作面都沒有發(fā)生過冒頂事故，據此認為調節(jié)巷的存在與否以及特定的埋深是誘發(fā)大柳塔礦52304工作面回撤階段冒頂事故的主因。

2 回撤階段工作面壓架冒頂機理

2.1 理論分析

當調節(jié)巷成巷以后，其上方應力便轉移至巷幫兩側煤體，形成應力集中區(qū)。支承壓力峰值位置與煤壁之間區(qū)域為塑性區(qū)，其中靠近煤壁處應力低于原巖應力的煤體為破裂區(qū)，如圖4所示。若塑性區(qū)寬度為x0，并近似認為塑性區(qū)內應力分布為線性分布，則破裂區(qū)寬度x可用公式(1)表示。

圖4 調節(jié)巷開挖后應力轉移情況

(1)

式中：K——為應力集中系數；

γH——覆巖載荷；

p——支架的支撐阻力；

m——煤體高度；

C——煤體黏聚力；

φ——煤體內摩擦角；

f——煤層與頂底板接觸面的摩擦系數；

ξ——三軸應力系數。

當工作面接近調節(jié)巷，工作面超前支承壓力也將前移至調節(jié)巷附近煤體上方，持續(xù)增大的應力會造成破裂區(qū)煤體徹底失去承載能力，并且在調節(jié)巷與工作面交叉處由于支護力不足，造成嚴重的片幫事故，使得頂板懸露面積加大，進而導致頂板冒落。壓架冒頂的演化過程如圖5所示，當頂板破碎冒落后，支架的支撐阻力難以有效傳遞到覆巖結構，而導致其失穩(wěn)并造成支架活柱大幅下縮甚至壓死事故。

圖5 壓架冒頂的演化過程

根據式(1)，破裂區(qū)寬度與埋深呈正相關，因此冒落的可能性和程度會隨著埋深的增加而加大。為進一步分析調節(jié)巷對工作面冒頂和壓架影響的機理，需要進一步分析調節(jié)巷對煤體垂直應力以及巷道圍巖變形量的影響。

2.2 調節(jié)巷對煤體應力和圍巖變形影響的數值模擬

2.2.1 模型方案的建立和參數的選取

采用FLAC3D有限元數值計算軟件，針對調節(jié)巷對壓架冒頂的影響這一問題進行模擬研究。模擬中巖層賦存特征參照了大柳塔礦52304工作面覆巖實際分布情況。模擬共設定2組方案：方案一中模型的長×寬×高為300 m×200 m×120 m，其中，煤層厚度為5 m，底板厚度20 m，煤層埋深為100 m，調節(jié)巷支護形式與現場保持一致。此次模擬制定了100、150、200、250、300、350、400 m 7組埋深條件，以確定存在調節(jié)巷的前提下，埋深對工作面前方圍巖穩(wěn)定的影響。當模擬埋深超過100 m時，上覆巖層重量以均布載荷的形式施加到模型頂界面上，根據神東礦區(qū)巖層平均容重，確定埋深每增大50 m，均布載荷增加1.25 MPa。方案二重點模擬在埋深為250 m的工作面中，調節(jié)巷的存在與否對煤體垂直應力和變形的影響。

2.2.2 模擬結果分析

方案一中不同埋深對巷道圍巖變形的影響曲線如圖6(a)所示，可知當埋深從100 m增加至400 m時，頂底板移近量從77.5 mm增大至1 011.6 mm，兩幫移近量從40.0 mm增大至1 340.0 mm，表明埋深增大時，巷道頂底板及兩幫變形呈現線性增加的趨勢。圖6(b)為方案二中有、無調節(jié)巷時的圍巖應力峰值變化曲線，圍巖應力云圖如圖6(c)和圖6(d)所示，可知，調節(jié)巷的存在對工作面前方煤體支承應力分布影響較大，當有調節(jié)巷時煤體邊角處易出現應力集中現象，最大支承應力峰值達到21.6 MPa，應力集中系數為3.4；而當沒有調節(jié)巷時煤體最大支承應力峰值為15.6 MPa，應力集中系數僅為2.4；由此可見，在一定的埋深條件下，回撤階段調節(jié)巷的存在會造成煤體應力顯著增加，工作面前方支承應力會在調節(jié)巷交叉點周邊圍巖中疊加形成更大的集中應力現象，加劇回撤階段調節(jié)巷交叉點周邊煤體的失穩(wěn)破壞，最終導致工作面端面出現頂板冒頂。

圖6 數值模擬結果

3 防治對策

調節(jié)巷將工作面前方煤體分割為幾段煤柱，這將會增大煤體局部應力，削弱煤體的承載力，并使得工作面部分頂板懸漏面積增大，隨著埋深的加大，極易引起煤體大面積破壞片幫和端面漏冒等問題，給工作面頂板的控制帶來巨大的困難。同時工作面在回撤階段要進行掛網作業(yè)，這將會減緩工作面的推進速度，客觀上又增加了頂板管理的難度。因此，為保證工作面的安全回撤，提出以下預防措施。

3.1 回撤巷道布置的優(yōu)化

目前神東礦區(qū)綜采面回撤巷道系統(tǒng)主要包括主回撤通道、輔回撤通道和調節(jié)巷，而當埋深逐漸加大時，調節(jié)巷是引起工作面發(fā)生壓架冒頂事故的主要原因。因此應重點在調節(jié)巷的布置方面對回撤巷道進行合理選擇。數值模擬結果表明，改變調節(jié)巷的間隔和寬度對巷道的變形量影響很小，但是調節(jié)巷圍巖變形量對埋深特別敏感，因此應以埋深為條件，確定調節(jié)巷適用范圍。

工作面接近調節(jié)巷時，其前方煤體被分割為獨立的煤柱。由于調節(jié)巷的長度一般為15～20 m，間隔一般大于40 m，且隨著工作面的推進，煤柱的走向尺寸逐漸減少，因此其承載能力也逐漸降低。根據奧伯特·德瓦爾(Obert-Dwvall)公式，煤柱的強度可表示為：

(2)

式中：R——煤柱的強度；

Rc——煤的立方體單軸抗壓強度；

B——煤柱寬度；

h——煤柱高度。

根據神東礦區(qū)調節(jié)巷普遍布置情況，h取5 m、調節(jié)巷長度取20 m，則煤柱寬度B在工作面推進至調節(jié)巷時為20 m，經過實驗室對神東多個工作面煤樣的測定，Rc取13.5 MPa。將煤體的極限承載力隨工作面推進的變化情況與不同埋深條件下工作面進入調節(jié)巷過程中煤體應力值變化相比較，如圖7所示。

由圖7可知，工作面剛進入調節(jié)巷時應力值最大，隨著工作面不斷推進，應力呈下降趨勢，這是由于超前支承壓力不斷轉移所致。據此可知超前支承壓力峰值位置由埋深100 m時的13 m增大至埋深300 m時的20 m，因此工作面發(fā)生壓架冒頂危險區(qū)域為進入調節(jié)巷的初始期。圖7還揭示了當埋深達到250 m時，工作面在進入調節(jié)巷3～7 m間應力值超出煤柱的極限載荷，當埋深不超過200 m時，煤體處于較為安全狀態(tài)，因此可確定調節(jié)巷試用的臨界埋深應在200～250 m之間，并且在進入調節(jié)巷初期為最危險狀態(tài)。

圖7 不同埋深下煤體應力變化曲線

綜合考慮在埋深超過200 m的工作面應取消調節(jié)巷。若調節(jié)巷未掘出，可采用從回撤通道向工作面方向打水平鉆孔并充填石灰進行標記，同時可結合高程測量等方法控制工作面底板標高；若調節(jié)巷已預先掘出，則應考慮對調節(jié)巷進行回填，或在調節(jié)巷盡頭掘出新的主回撤通道。

3.2 回撤期間掛網工序位置的合理選取

工作面通常會在距離回撤通道10～20 m處掛網，掛網初期頂板會處于大面積懸漏狀態(tài)，對頂板質量要求很高。但是現場工人在選取位置時往往根據經驗，缺乏科學合理方法，有時造成掛網初期處于來壓位置而誘發(fā)冒頂事故。如在大柳塔煤礦52304工作面案例中，掛網恰逢最后一次周期來壓位置，使冒頂事故雪上加霜。

對多個工作面掛網案例進行研究，確定了掛網位置X可表示為：

(3)

式中：Xmin——允許最小掛網長度，m；

Xo——最大掛網長度，即柔性網實際長度，m；

Lz——最后一次周期來壓起始位置距主回撤通道的距離，m；

Lc——周期來壓持續(xù)長度，m；

n——富余系數，取2～4，一般取3即可；

d——采煤機截深，m，神東礦區(qū)普遍為0.8 m。

因此現場合理掛網位置的選取需結合礦壓規(guī)律和掛網相關參數。根據工作面前期多次周期來壓規(guī)律對最后一次周期來壓進行預測，當預測最后一次周期來壓位置小于最小掛網長度，則掛網位置可以在最小和最大掛網位置之間任意選擇；當周期來壓位置大于最小掛網位置但小于最小掛網位置與來壓持續(xù)長度之和，考慮到實際掛網過程會持續(xù)較長時間，則應選擇在來壓前2～4刀處進行掛網；當來壓位置大于最小掛網位置與來壓持續(xù)長度之和時，則只需在來壓結束之后進行掛網作業(yè)即可，若后期柔性網長度不足，應采用金屬網進行續(xù)接。

4 工程實踐

52303工作面是52304工作面的接替面，2個工作面地質條件相同。鑒于52303工作面在回撤階段的埋深已經達到287 m，因此在52303工作面預先掘出的調節(jié)巷盡頭重新開掘了新主回撤通道?？紤]到52304工作面掛網位置不合理性帶來的嚴重影響，特針對52303工作面前期礦壓規(guī)律確定了合理的掛網位置。

統(tǒng)計出掛網前6次的周期來壓平均步距為17.0 m，來壓持續(xù)長度為4.6 m。掛網前最后一次來壓起始位置在33.8 m，故預測掛網期間周期來壓位置在16.8 m。工作面的最小掛網長度在12.0 m左右，利用式(3)可得出合理的掛網位置為距回撤通道19.2 m處，因此否定了礦方原定在16.0 m處掛網的經驗判斷，考慮到柔性網的長度為20.0 m，最終礦方選取在19.0 m處掛網。開采實踐表明：掛網期間工作面礦壓較為正常，工作面在15.5 m處來壓，此時已掛網完畢，來壓期間未出現冒頂現象，工作面實現了安全順利的回撤。

5 結語

(1)數值模擬結果表明，隨著埋深的增加，調節(jié)巷會大大增大巷道圍巖的變形量和煤體的應力極值，容易引發(fā)工作面發(fā)生片幫冒頂甚至壓架等事故。

(2)提出了系統(tǒng)的防治對策，當工作面埋深超過200 m，應取消布置調節(jié)巷；若調節(jié)巷已經預先掘出，應對調節(jié)巷進行充填或者開掘新的主回撤通道；確定了回撤階段掛網工序合理位置的選取原則，并在大柳塔礦52303工作面得到了成功應用。