水峪煤業(yè)厚煤層孤島綜放工作面端面煤巖體控制研究

李生亞

（汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè) 山西 孝義 032300）

隨著煤炭資源的不斷開(kāi)采，我國(guó)各大礦區(qū)尤其是一些服務(wù)年限較長(zhǎng)的礦區(qū)，資源開(kāi)采工作逐漸面臨向深部煤層轉(zhuǎn)移、向邊角區(qū)域轉(zhuǎn)移，或者回采地質(zhì)條件較差、鄰近工作面已回采完畢的孤島工作面甚至是進(jìn)行復(fù)采回收工作，采掘工作更趨復(fù)雜，綜放開(kāi)采的礦壓顯現(xiàn)也趨于明顯和劇烈，造成采掘工作面冒頂、片幫、設(shè)備損毀甚至人員傷亡，甚至可能引發(fā)瓦斯煤塵爆炸、沖擊地壓等嚴(yán)重災(zāi)害，安全生產(chǎn)局面十分嚴(yán)峻[1-3]。汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)6115綜放工作面，其兩側(cè)采空及上部9#煤層采空的地質(zhì)生產(chǎn)條件，對(duì)工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律及礦壓顯現(xiàn)特征產(chǎn)生不利影響?；诰唧w地質(zhì)生產(chǎn)條件及頂板控制難點(diǎn)，研究工作將綜合運(yùn)用文獻(xiàn)查閱、理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)等手段，對(duì)6115工作面的覆巖活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，得出厚煤層綜放開(kāi)采強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)條件下的頂板控制技術(shù)措施及端面煤巖體合理參數(shù)，為礦井安全生產(chǎn)工作提高保障系數(shù)。

1 工程概況

水峪煤業(yè)6115工作面開(kāi)采太原組10+11#煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層傾角2°～9°，平均傾角6°，上距9號(hào)煤層平均0.8 m，平均采深250 m～285 m。工作面有效推進(jìn)長(zhǎng)度1 320 m，工作面傾向長(zhǎng)度160 m。工作面采煤機(jī)割煤高度為2.9 m。割煤高度確定后，在煤層平均總厚度（含矸石）為7.69 m（純煤7.48 m）的情況下，放頂煤高度為4.79 m，采放比為1：1.65。工作面可采儲(chǔ)量1.62 Mt，工作面生產(chǎn)能力為1.66 Mt/a，設(shè)計(jì)服務(wù)年限12個(gè)月。6115工作面共布置2條巷道，即6115工作面運(yùn)輸順槽、6115材料順槽。工作面通風(fēng)系統(tǒng)采用為一進(jìn)一回的“U”型布置方式，工作面采用后退式開(kāi)采。工作面采用ZF4000/14.5/29 型中部液壓支架、ZFG5300/16/30H 型過(guò)渡支架、ZPT8000/16/30 型排頭液壓支架。

6115工作面頂煤的冒放性較好，煤的硬度普氏系數(shù)f 值小于3，工作面內(nèi)煤層產(chǎn)狀變化不大，煤層厚度穩(wěn)定。井田內(nèi)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，工作面前半部分為一軸向南北的向斜構(gòu)造，后半部分為一軸向南北的背斜構(gòu)造，工作面回采范圍內(nèi)斷層較發(fā)育，有三條逆斷層和一條正斷層，工作面直接頂為K2石灰?guī)r，致密堅(jiān)硬，據(jù)勘探中取樣試驗(yàn)結(jié)果，抗壓強(qiáng)度變化很大，為25.20 MPa～78.90 MPa，老頂為泥巖，9#煤層底板為10#+11#煤層頂板，巖性為灰白色泥巖，平均厚度0.8 m，節(jié)理發(fā)育。底板為鋁質(zhì)泥巖，局部為泥巖或炭質(zhì)泥巖，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，遇水變軟膨脹。具體頂?shù)装鍡l件如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

2 6115工作面頂板控制難點(diǎn)分析

6115工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件較為特殊，該工作面北鄰6117采空區(qū)，東鄰?fù)以灞０裁褐傲蓞^(qū)開(kāi)拓大巷，南鄰6113采空區(qū)，西鄰茹萊村保安煤柱，為兩側(cè)采空的孤島工作面，工作面布置情況如圖1 所示。根據(jù)本礦井及周邊礦區(qū)類(lèi)似工作面的回采工作經(jīng)驗(yàn)，6115工作面在回采期間面臨的頂板控制難點(diǎn)包括：

圖1 6115工作面布置圖

（1）兩側(cè)的6113 工作面及6117 工作面均已采空，兩采空區(qū)側(cè)向支承壓力均向本工作面集中并形成疊加，會(huì)造成回采期間頂板壓力較大，礦壓顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈；

（2）6115 工作面頂部9#煤層已采空，局部留有煤柱，上部煤柱會(huì)對(duì)本工作回采形成應(yīng)力集中，工作面過(guò)煤柱期間的頂板管理難度較大；

（3）工作面回采范圍內(nèi)斷層較發(fā)育，主要影響是斷層附近頂板破碎，對(duì)采掘工作面頂板控制不利，回采時(shí)應(yīng)加強(qiáng)頂板支護(hù)工作；

（4）工作面整體頂?shù)装鍡l件較差，老頂堅(jiān)硬，但底板較軟，遇水易膨脹，回采過(guò)程中易發(fā)生煤壁片幫、端面冒頂，支架易出現(xiàn)錯(cuò)茬、咬架、倒架現(xiàn)象，安全威脅較大，鄰近的6113工作面及6117工作面在回采期間均發(fā)生過(guò)嚴(yán)重倒架停產(chǎn)事故，應(yīng)引起高度重視。

3 端面煤巖體穩(wěn)定性影響因素分析

基于6115 工作面的具體地質(zhì)生產(chǎn)條件及頂板控制難點(diǎn)，研究工作將綜合運(yùn)用多種研究手段，對(duì)6115工作面的覆巖活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際礦壓觀測(cè)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，得出厚煤層綜放開(kāi)采強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)條件下的頂板控制技術(shù)措施。

3.1 工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律分析

6115綜放工作面直接頂為8 m厚的K2灰?guī)r，隨采隨冒來(lái)充填采空區(qū)，工作面老頂為11 m 厚的泥巖，泥巖較軟弱，基本不具備承載性能，斷裂后無(wú)法形成具有承載能力的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，即無(wú)法作為頂板關(guān)鍵層，必須向更高的層位尋找具備承載性能的關(guān)鍵層，計(jì)算分析得到垮落帶高度大致是15.38 m～19.23 m，關(guān)鍵層破斷距約為40 m。水峪煤業(yè)10#+11#煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸層較多，內(nèi)生裂隙較發(fā)育，礦井采掘過(guò)程中發(fā)現(xiàn)煤層較破碎，易塌落，冒頂片幫幾率較大，必須引起礦方采場(chǎng)管理的高度重視。

3.2 端面煤巖體穩(wěn)定性影響因素模擬分析

（1）UDEC離散元程序廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，本礦井煤層為近水平煤層，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)生產(chǎn)狀況進(jìn)行簡(jiǎn)化和抽象的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)數(shù)值模擬模型為水平模型，盡量規(guī)避無(wú)關(guān)因素的影響。選取工作面的推進(jìn)方向（水平方向）為x 軸方向，豎直方向?yàn)閥 軸方向，建立了200 m×75 m的計(jì)算模型，煤巖層實(shí)際厚度與地質(zhì)柱狀圖參數(shù)保持一致。本文的模擬計(jì)算中，煤巖體和節(jié)理的物理、幾何參數(shù)是在現(xiàn)場(chǎng)的原巖參數(shù)的基礎(chǔ)上確定的，具體參數(shù)選取如表2、3 所示。模型建立后運(yùn)算至初始平衡，然后分別進(jìn)行模擬采掘工作。

表2 巖層力學(xué)參數(shù)

表3 節(jié)理力學(xué)參數(shù)

（2）端面距對(duì)端面煤巖體穩(wěn)定性的影響。共制定7 個(gè)模擬方案，對(duì)應(yīng)的端面距分別取0 m、0.25 m、0.5 m、0.75 m、1.0 m、1.25 m、1.5 m，模擬所得端面破壞參數(shù)與端面距關(guān)系如圖2 所示。端面距小于等于0.5 m 時(shí)，頂煤冒漏和煤壁片幫控制效果較好，當(dāng)端面距大于0.5 m時(shí)，端面開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的片幫端面冒頂狀況?？芍嗣婷绊斊瑤涂刂茟?yīng)盡量保證端面距在0.5 m以下，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該控制支架梁端距不大于0.3 m。

圖2 端面破壞參數(shù)與端面距關(guān)系曲線

（3）支架工作阻力對(duì)端面煤巖體穩(wěn)定性的影響。共制定6個(gè)方案，對(duì)應(yīng)支架工作阻力分別取3 000 kN、4 000 kN、5 000 kN、6 000 kN、7 000 kN 和8 000 kN，模擬所得端面破壞參數(shù)、頂板下沉量與支架工作阻力的關(guān)系如圖3 所示。當(dāng)支架工作阻力低于7 000 kN 時(shí)，綜放端面冒高和片幫參數(shù)均達(dá)到550 mm以上，端面煤巖體冒頂片幫較嚴(yán)重；但當(dāng)支架工作阻力達(dá)到7 000 kN 及以上時(shí)，端面冒頂高度控制在250 mm 以?xún)?nèi)，煤壁片幫深度降到200 mm 以?xún)?nèi)，端面煤巖體得到較好控制。因此支架工作阻力應(yīng)不低于7 000 kN。

圖3 端面破壞參數(shù)、頂板下沉量與支架工作阻力關(guān)系曲線

（4）支架前立柱走向傾角對(duì)端面煤巖體穩(wěn)定性的影響。設(shè)計(jì)5 個(gè)模擬方案，對(duì)應(yīng)支架前立柱走向傾角分別為79°、81°、83°、85°和87°，模擬所得端面破壞參數(shù)、頂板下沉量與支架前立柱走向傾角的關(guān)系如圖4所示。當(dāng)支架前立柱走向傾角為83°時(shí)，端面控制效果良好；當(dāng)支架前立柱走向傾角為85°和87°時(shí)，液壓支架能在豎直方向提供較高的支護(hù)力，但無(wú)法提供足夠的水平支護(hù)力；當(dāng)支架前立柱走向傾角為79°和81°時(shí)，頂板下沉量較大，回采高度無(wú)法保證，且綜放端面出現(xiàn)輕微的煤壁片幫和頂煤冒漏狀況。綜上可知，當(dāng)液壓支架前立柱走向傾角為83°時(shí)，綜放工作面端面煤巖體控制效果較好。

圖4 端面破壞參數(shù)、頂板下沉量與前立柱走向傾角曲線

4 工作面頂板控制技術(shù)實(shí)踐

制定6115綜放開(kāi)采礦壓觀測(cè)方案，沿工作面均勻布置6個(gè)測(cè)站，進(jìn)行了礦壓觀測(cè)共60天，記錄測(cè)站壓力表的數(shù)值隨工作面推進(jìn)度的變化情況，從而分析工作面的來(lái)壓規(guī)律等，重點(diǎn)對(duì)4次周期來(lái)壓的來(lái)壓步距、礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度、支架工作阻力變化、端面冒頂片幫特征進(jìn)行分析，周期來(lái)壓步距平均為15.9 m，周期來(lái)壓顯現(xiàn)較明顯，來(lái)壓先后順序?yàn)橹猩喜肯葋?lái)壓，中下部及下部后來(lái)壓，常出現(xiàn)大范圍煤壁片幫，片幫深度大多在0.2 m～1.3 m范圍內(nèi)，未引起嚴(yán)重冒頂事故。通過(guò)上下順槽的礦壓觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，工作面超前支承壓力峰值出現(xiàn)在煤壁前方5 m～10 m 處，超前支承壓力影響區(qū)域在煤壁前方0 m～25 m 范圍內(nèi)，對(duì)工作面上下順槽執(zhí)行超前支護(hù) 30 m的距離是較為合理的。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于水峪煤業(yè)6115綜放工作面，其兩側(cè)采空及上部9#煤層采空的地質(zhì)生產(chǎn)條件，對(duì)工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律及礦壓顯現(xiàn)特征產(chǎn)生不利影響。基于這些難點(diǎn)工作，對(duì)6115綜放工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律及端面煤巖體破壞機(jī)理展開(kāi)分析，進(jìn)而借助UDEC數(shù)值模擬工具，模擬得出合理的控制參數(shù)指標(biāo)：端面距控制在0.5 m以?xún)?nèi)，梁端距控制在0.3 m 以?xún)?nèi)，液壓支架工作阻力不低于7 000 kN，液壓支架前立柱走向傾角控制在83°附近。最后，制定6115 綜放工作面礦壓觀測(cè)方案，對(duì)工作面開(kāi)展了為期60 d的礦壓觀測(cè)，統(tǒng)計(jì)并分析得出礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，提出預(yù)防端面煤巖體冒頂片幫的實(shí)踐措施、加強(qiáng)工作面來(lái)壓期間及過(guò)斷層期間的頂板管理措施等，保障了礦井安全生產(chǎn)。