回收大巷煤柱工作面過空巷圍巖破壞機(jī)理和控制技術(shù)

劉炳權(quán)，李正甲，代雙成，袁小浩，邢旭東

(北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

礦井在服務(wù)年限期間，工作面回采時，經(jīng)常會遇到過空巷和貫通回撤巷道等情況。綜采工作面過空巷一直以來是煤礦開采過程中的技術(shù)難題，空巷的存在嚴(yán)重威脅著工作面回采過程中安全生產(chǎn)，如果過空巷時，空巷上方的基本頂在回采工作面推進(jìn)過程中，提前發(fā)生破斷或者基本頂一次破斷長度比正常綜采工作面增加，則基本頂?shù)钠茢嘁鸬膸r塊失穩(wěn)，就會導(dǎo)致工作面出現(xiàn)頂板大面積來壓現(xiàn)象[1-3]，這樣液壓支架漏液、壓架，切頂、頂板大面積冒頂、煤壁片幫等安全事故就會出現(xiàn)，這樣也加大了過空巷的難度，使回采工作陷入被動。因此，研究綜采工作面如何快速安全過空巷就有其重要的現(xiàn)實意義。

長期以來，諸多學(xué)者對綜采工作面頂板上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律和采場支架所需要的支護(hù)阻力做了大量的研究，并取得了很多成果。錢鳴高院士和李鴻昌教授根據(jù)采場上覆巖層的砌體梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型得出計算工作面支架阻力的方法[4]；何滿朝院士提出長壁開采切頂短壁梁理論，該理論講明了通過切斷應(yīng)力傳遞路徑，使基本頂周期性破斷引起的壓力減緩或消失[5];大多數(shù)的工程技術(shù)人員和學(xué)者對普通綜采和綜放開采的頂板上覆巖層結(jié)構(gòu)特征研究較多，但是對大采高綜采條件下，上覆基本頂運(yùn)移規(guī)律研究較少，而且一般將大采高綜采上覆巖層基本頂破斷形成的結(jié)構(gòu)[6-9]看成是單一層面的結(jié)構(gòu)問題，如文獻(xiàn)[10-12]研究了綜放工作面過空巷的問題，目前還沒有將回采大巷煤柱、過空巷等煤礦開采的技術(shù)難題結(jié)合起來研究，探尋綜采工作面圍巖的破壞機(jī)理，為此研究此工程條件下的礦壓規(guī)律和圍巖破壞機(jī)理，就有其重要的意義。

在圍巖控制方面，目前針對過空巷的支護(hù)方法，大多采用木垛支護(hù)、錨網(wǎng)索支護(hù)等支護(hù)方法，木垛支護(hù)由于支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)工藝的問題，會導(dǎo)致在過空巷時，支架的控頂距增大，從而導(dǎo)致頂板大面積來壓冒頂?shù)氖鹿?。對于錨網(wǎng)索的支護(hù)方法，雖然能較好的控制空巷頂板及幫部圍巖的完整性，但是在采場超前支承壓力的影響下，對頂板的失穩(wěn)與破斷控制的效果大打折扣，尤其是該礦的工程條件中，工作面中部存在大巷煤柱，大巷煤柱對采場超前支承壓力的影響，需要本文進(jìn)行深一步的探索。

以天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司對伊泰納林廟煤礦二號礦井運(yùn)營的項目6-2116綜采工作面過回收大巷煤柱時的礦井末采為工程背景，分析過空巷基本頂運(yùn)移規(guī)律，采用數(shù)值模擬和理論分析的方法對空巷的圍巖破壞機(jī)理進(jìn)行研究，通過數(shù)值模擬的方法研究充填8號聯(lián)巷的充填強(qiáng)度，然后根據(jù)現(xiàn)場實際情況，提出以煤粉-水泥充填木垛接頂經(jīng)濟(jì)適用的支護(hù)方案，并通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗的方法對不同支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行評價，為相似的回收大巷煤柱時如何安全高效過空巷提供了參考。

1 工程概況

6-2116綜采工作面是天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司對伊泰納林廟煤礦二號井運(yùn)營項目的最后一個工作面，也是回收大巷煤柱工作面，工作面傾斜長度239.7 m、走向長度2 367 m，設(shè)計采高5.5 m，最大采高6 m，屬于大采高綜采工作面。6-2116綜采工作面東鄰井底車場，西鄰礦井邊界煤柱，南鄰6-2101至6-2110工作面采空區(qū)，北鄰6-2115工作面采空區(qū)，上部為4-2煤層(間距約70 m)回采時需經(jīng)過縱向貫穿工作面的17條聯(lián)巷和3個暗井。3條大巷從南到北依次為6-2煤西翼輔運(yùn)大巷、6-2煤西翼回風(fēng)大巷、6-2煤西翼主運(yùn)大巷。大巷煤柱與6-2116綜采工作面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 工作面空間位置關(guān)系

6-2116綜采工作面最先通過9號聯(lián)巷，在通過此聯(lián)巷時并未對其進(jìn)行重新支護(hù)和充填，聯(lián)巷的頂板采用“錨索+工字鋼棚”方式支護(hù)，6-2116綜采工作面于6月3日夜班與9號聯(lián)巷貫通，貫通時礦壓顯現(xiàn)劇烈，支架安全閥大范圍泄液，50～120號架頂板出現(xiàn)切斷式破壞，工作面支架高度由5.5 m被壓至4.1～4.3 m，漏矸深度達(dá)2 m以上，高度達(dá)4 m以上，巷幫鐵質(zhì)錨桿及托盤大量進(jìn)入刮板輸送機(jī)，回采工作陷入被動。直至6月12日夜班，工作面才完全通過空巷，同時原西翼3條大巷貫穿整個6-2116工作面，造成工作面中部形成應(yīng)力集中區(qū)，原大巷兩幫片幫嚴(yán)重，頂板破碎漏矸，頂板控制難度大，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度和安全。

在這種工程背景下，就必須探索一套針對該地質(zhì)條件下，大采高綜采工作面回收大巷煤柱時過空巷的圍巖控制技術(shù)。

2 過空巷圍巖破壞機(jī)理分析

2.1 建立6-2116綜采工作面數(shù)值模型

根據(jù)納林廟二號礦井6-2煤層的頂?shù)装鍘r層情況，直接頂為厚8.13～23.06 m(平均13.93 m)的細(xì)砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，較堅硬，發(fā)育大型交錯層理。直接頂上部為厚0.85～14.20 m(平均5.77)的砂質(zhì)泥巖，主要以泥質(zhì)為主，少量砂質(zhì)，發(fā)育小型水平層理，直接底為厚2.00～6.92 m(平均4.22 m)的砂質(zhì)泥巖，較堅硬，發(fā)育大型交錯層理?；镜诪楹?.2～8.95 m(平均為5.67 m)的細(xì)砂巖(局部為粉砂巖)，泥質(zhì)膠結(jié)，堅硬，發(fā)育型交錯層理。使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對6-2116綜采工作面的現(xiàn)場實際情況進(jìn)行模擬，模型高度為97.5 m；模型中6-2116綜采工作面的工作面推進(jìn)長度取150 m,考慮到實際情況和邊界效應(yīng)對模擬計算結(jié)果的實際影響和超前支承壓力的距離要求，在工作面推進(jìn)方向兩端各留設(shè)寬30 m保護(hù)煤柱，則模型長度為310 m，其中工作面長度250 m，兩端保護(hù)煤柱各30 m。工作面推進(jìn)方向為X軸，即模型的長，工作面長度方向為Y軸，即模型的寬，垂直方向即為Z軸。模型的整體尺寸(長×寬×高)150 m×310 m×97.5 m，模型共78 824個六面體單元，本構(gòu)關(guān)系為庫倫模型，并采取大變形模式，底邊界和左右邊界水平方向固定，其模型實際效果如圖2所示。

圖2 空間位置關(guān)系的數(shù)值模型

2.2 工作面前方圍巖破壞影響分析

要探索大巷煤柱對工作面的影響，就需要分別模擬有大巷煤柱和無大巷煤柱2種情況，基于此探尋工作面推進(jìn)時煤壁前方支承壓力分布情況。通過數(shù)值模擬計算，完成工作面開挖后，得到其計算結(jié)果即6-2煤層工作面煤壁前方支承壓力應(yīng)力分布云圖如圖3所示，通過應(yīng)力云圖可知，大巷煤柱的存在，會影響工作面前方支承壓力的大小，無大巷煤柱時的應(yīng)力云圖如圖3b所示，工作面推過8號聯(lián)巷，應(yīng)力分布呈現(xiàn)機(jī)頭和機(jī)尾應(yīng)力高，工作面中部較低的情況，且應(yīng)力最高為57 MPa；有大巷煤柱時應(yīng)力云圖如圖3c所示，工作面推過8號聯(lián)巷，機(jī)頭和機(jī)尾應(yīng)力較低，工作面中部應(yīng)力急劇增加至70 MPa；有大巷煤柱時工作面推進(jìn)至8號聯(lián)巷附近如圖3a所示，工作面前方支承應(yīng)力分布呈現(xiàn)機(jī)頭和機(jī)尾應(yīng)力低，中部會超前形成支承應(yīng)力增高區(qū)且數(shù)值在57 MPa，即兩邊低中間高且應(yīng)力超前工作面分布，這樣會使基本頂提前破斷，導(dǎo)致基本頂一次破斷長度增加，根據(jù)以往的研究，如果出現(xiàn)基本頂超前破斷，那么現(xiàn)有的支護(hù)形式很難避免圍巖破壞嚴(yán)重、工作面中部頂板移近量劇增的情況，也就印證了前文所提到的工作面推過9號聯(lián)巷時，工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈的情況。

圖3 有無大巷煤柱時工作面推進(jìn)應(yīng)力分布云圖

2.3 過空巷圍巖破壞機(jī)理分析

在普通的綜采工作面前方如果存在有空巷或者未被充填的空巷時，由于工作面的推進(jìn)，工作面前方就會形成應(yīng)力增高區(qū)。我們可以把工作面和空巷之間距離內(nèi)的實體煤看成是煤柱，在超前支承應(yīng)力的作用下，煤柱隨著工作面的推進(jìn)，就會變得破碎逐漸失穩(wěn)，導(dǎo)致支撐力減弱，最終無法起到支撐頂板的作用，在這個過程中，基本頂?shù)膽翼斁嚯x不斷增加，就會導(dǎo)致基本頂提前破斷，從而造成工作面前方支承應(yīng)力劇增，頂板下沉量激增，嚴(yán)重的話就會引起頂板大面積冒落。根據(jù)以往大采高綜采的研究，做出空巷上方基本頂破斷結(jié)構(gòu)的示意如圖4所示，在超前支承應(yīng)力的作用下，引起空巷上覆基本頂?shù)奶崆捌茢?，形成巖塊A、巖塊B、巖塊C。其破斷大致結(jié)構(gòu)如圖所示，由于巖塊B的結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，導(dǎo)致工作面劇烈來壓，引起安全生產(chǎn)事故。根據(jù)前文的分析，大巷煤柱的存在，會引起工作前方支承壓力的超前分布，導(dǎo)致基本頂一次破斷距離增加，由于9號和8號聯(lián)巷都是雙聯(lián)巷，在工作面通過8號聯(lián)巷—聯(lián)巷時煤體破碎還在可控范圍，但是工作面通過8號聯(lián)巷二段聯(lián)巷時就會像前文所述，工作面支架出現(xiàn)來壓劇烈，安全閥大范圍漏液的情況，此時巖塊B的失穩(wěn)造成的影響比普通綜采工作面更為劇烈。

圖4 基本頂斷裂結(jié)構(gòu)示意

基于此條件下，對于空巷的處理根據(jù)以往的學(xué)者的研究，通常采用調(diào)斜工作面、縮減工作面長度、降采高、降低回采速度等方法[13-15]來調(diào)整頂板的懸頂距離，防止頂板超前破斷?？障飪?nèi)部，往往采取單體支柱密集支護(hù)、木垛、錨網(wǎng)索、充填、掛柔性金屬網(wǎng)等方法[16-18]來進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)?；谝陨戏治?，采取充填空巷的方法，讓空巷和煤體形成一個整體，采取一定的措施，就會讓空巷圍巖具有很強(qiáng)的支承能力，并減少大巷煤柱的影響，讓其應(yīng)力分布情況與煤體完成一致時，工作面就可以順利推進(jìn)，周期來壓造成的影響也會減弱。

2.4 過空巷圍巖破壞穩(wěn)定性分析

根據(jù)前文分析，無論工程條件如何變化，最終都會落在關(guān)鍵巖塊B上，即要想順利通過空巷，減輕大巷煤柱和大采高的影響，就必須保證頂板上方，基本頂巖塊B不發(fā)生失穩(wěn)，基于此建立力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 力學(xué)模型

依據(jù)前文分析，在空巷上方基本頂破斷力學(xué)模型中，巖塊A、巖塊B、巖塊C形成鉸接結(jié)構(gòu)，而巖塊B的長度基本等于工作面周期來壓步距。因為巖塊B的上覆巖層容易產(chǎn)生離層，導(dǎo)致力無法傳遞，所以我們可以假設(shè)巖塊B所受到的力為上覆巖層的重力。

根據(jù)圖5對關(guān)鍵塊B進(jìn)行力學(xué)分析，建立垂直方向和水平方向力和力矩的平衡方程：

P1+P2+QA=qLsinθ+q0(b+d)+QB

(1)

式中：q為巖塊B上覆巖層載荷,MN/m;QA,TA,QB,TB為巖塊在兩端所受的剪切應(yīng)力和水平推力，MN;θ為巖塊B的旋轉(zhuǎn)角,(°);P1為空巷的支護(hù)阻力，MN;P2為工作面的支護(hù)阻力，MN;b為空巷的控頂距，m;d為工作面的控頂距，m;L為基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄?，即巖塊B的長度，m。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

通過式(6)求解出空巷所需的支護(hù)強(qiáng)度[21]，P1≥5.17 MPa時，即可避免巖塊B發(fā)生滑動失穩(wěn)與回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。

3 數(shù)值分析

3.1 充填模型的建立

根據(jù)前文的分析，6-2116綜采工作面過空巷由于大巷煤柱存在的影響，傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護(hù)已經(jīng)不能減弱基本頂一次破斷距離增加對工作面產(chǎn)生的影響，所以通過理論計算，確定可以用充填的方法解決。為探索充填材料的最佳強(qiáng)度以及充填加固技術(shù)對回收大巷煤柱時大采高綜采工作面過空巷時頂板的控制機(jī)理，參考相關(guān)文獻(xiàn)的研究方法，結(jié)合6-2116綜采工作面的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果和高水速凝材料的力學(xué)性能，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對空巷充填后的采場應(yīng)力分布和圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，與理論計算結(jié)果相互驗證并給工業(yè)性試驗提供依據(jù)。數(shù)值模型整體沿用上文已經(jīng)建立好的模型，高水速凝材料的力學(xué)性能見表1。

表1 充填材料的力學(xué)性能

3.2 不同充填強(qiáng)度下的數(shù)值分析

通過模擬不同充填強(qiáng)度的情況，分別對工作面的超前支承應(yīng)力分布、塑性區(qū)范圍和巷道圍巖變形量等指標(biāo)進(jìn)行分析，研究不同強(qiáng)度高水速凝材料的充填對工作面過空巷的支護(hù)效果，并確定最佳的充填強(qiáng)度。

由圖6可得，當(dāng)充填體強(qiáng)度達(dá)7.1 MPa時，工作面前方超前支撐壓力明顯減小。

圖6 超前支承應(yīng)力分布云圖

由圖7可以得出，當(dāng)充填體材料的強(qiáng)度增加，工作面前方的圍巖塑性變形區(qū)的范圍逐漸減小。當(dāng)充填體強(qiáng)度大于7.1 MPa時，工作面前方的塑性分布區(qū)域明顯降低。由圖中可以知道，當(dāng)空巷中充填了高水速凝材料后，空巷的支撐效果得到改善，工作面頂板破碎也減弱，但是隨著充填材料強(qiáng)度的增加，對其效果的改善越發(fā)不明顯。綜上所述，高水速凝材料對工作面的順利推進(jìn)有明顯的補(bǔ)強(qiáng)作用，通過上述分析，充填體強(qiáng)度在10.5 MPa左右較為適宜。

圖7 塑性區(qū)分布

充填體強(qiáng)度對圍巖移近量的影響。通過數(shù)值模擬分析得到圍巖移近量與充填體強(qiáng)度的關(guān)系如圖8、9所示。首先布置圍巖移近量的測點(圖8)，通過對這些測點數(shù)據(jù)的提取，得到圍巖移近量與充填體強(qiáng)度的關(guān)系(圖9)。

圖8 測點布置

由圖9可知，在沒有充填體維護(hù)的巷道，圍巖移近量較大，隨著充填體強(qiáng)度的增加，巷道圍巖的變形量逐漸減少，當(dāng)充填體強(qiáng)度達(dá)到7.1 MPa時，充填體對巷道支撐能力明顯提高；當(dāng)充填體強(qiáng)度在10.5 MPa附近時，充填體的支護(hù)效果最佳。之后隨著充填體強(qiáng)度的提高，巷道圍巖變形量變化并不明顯。

圖9 巷道圍巖變形量與充填體強(qiáng)度關(guān)系曲線

3.3 8號空巷在不同充填強(qiáng)度下的支護(hù)效果評價

通過前文分析可知，相較于空巷沒有充填，經(jīng)過充填材料的充填能大幅提升空巷的支撐能力，圍巖的塑性區(qū)擴(kuò)展范圍縮小，巷道圍巖的變形量也得到控制，尤其是充填體材料強(qiáng)度大于8.7 MPa時，充填體的支護(hù)效果更加明顯。同時，為確保6-2116綜采工作面順利通過空巷，對空巷的充填材料強(qiáng)度越大就越好，但是更高的支護(hù)強(qiáng)度就會引起增加充填材料的用量，高水速凝材料對成本的控制較為不利，探討決定采用煤粉-水泥充填，充填體上方1.2 m采用木垛接頂?shù)幕旌铣涮罘绞?，這是一種更為經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方式，為探究支護(hù)強(qiáng)度能否達(dá)到前文分析的效果，采用下文所述的工業(yè)性試驗。

4 現(xiàn)場工業(yè)試驗效果分析

4.1 工業(yè)試驗方案

根據(jù)綜采工作面空巷頂板的情況，考慮到經(jīng)濟(jì)因素和現(xiàn)場技術(shù)條件等限制，為節(jié)省材料的成本，創(chuàng)造效益，隨后依據(jù)高水速凝材料的強(qiáng)度，設(shè)計出一套既經(jīng)濟(jì)，而且其支護(hù)強(qiáng)度和高水速凝材料支護(hù)強(qiáng)度相當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方式，即采用煤粉-水泥充填，木垛接頂支護(hù)的混合支護(hù)設(shè)計。

為探尋新設(shè)計方案的支護(hù)效果，現(xiàn)場施工將8號聯(lián)巷分為2個試驗段，分別采用2種不同的支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)，8號聯(lián)巷需要充填支護(hù)段全長共130 m，由于中部大巷通過地段不需要支護(hù)，所以試驗段長度，基于大巷煤柱寬度，來設(shè)計即每個試驗段為30 m和100 m，根據(jù)前文分析，每個試驗段補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案設(shè)置見表2，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，做出支護(hù)方案設(shè)計，如圖10所示，對這2種方案的支護(hù)效果分別評價。

表2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

圖10 試驗段支護(hù)設(shè)計

4.1 6-2116綜采工作面礦壓顯現(xiàn)和圍巖穩(wěn)定性

根據(jù)設(shè)計方案，在2019-07-17開始到2019-07-22截止6-2116綜采工作面完全通過8號聯(lián)巷，在此期間通過工作面礦壓監(jiān)測設(shè)備，對其全過程進(jìn)行礦壓監(jiān)測并且工作人員對工作面頂板情況和煤壁穩(wěn)定性情況進(jìn)行全程統(tǒng)計。選取較有代表性的礦壓監(jiān)測曲線圖，進(jìn)行對比分析。

根據(jù)礦壓監(jiān)測報表可知，2019-06-03整面工作阻力統(tǒng)計合格率:72.26%，2019-07-17整面工作阻力統(tǒng)計合格率:82.80%；總共提升10.54%。2019-06-08整面工作阻力統(tǒng)計合格率:45.79%；2019-07-17整面工作阻力統(tǒng)計合格率:73.36%；總共提升27.57%。2019-06-12整面工作阻力統(tǒng)計合格率:64.87%，2019-07-22整面工作阻力統(tǒng)計合格率:80.59%，總共提升15.72%。

圖11 工作面礦壓監(jiān)測

5 結(jié) 論

1)基本頂由于大巷煤柱的存在，導(dǎo)致一次破斷的斷裂步距增加，致使工作面前方產(chǎn)生超前破斷，作為承擔(dān)載荷作用的基本頂，引起來壓強(qiáng)度很大，所以在這種情況下，采用常規(guī)支護(hù)的空巷難以抵抗，因此，需要進(jìn)行充填支護(hù)，來預(yù)防基本頂?shù)某捌茢唷?/p>

2)通過力學(xué)分析、數(shù)值模擬等手段解釋了大巷煤柱附近即工作面中部頂板下沉量較大的原因是基本頂?shù)钠茢嗪娃D(zhuǎn)動失穩(wěn)。理論分析的結(jié)果是對空巷的支護(hù)應(yīng)大于5.17 MPa。通過數(shù)值模擬分析工作面前方支承應(yīng)力分布和塑性區(qū)分布情況，結(jié)果表明：充填體輕度高于10.5 MPa時。圍巖基本穩(wěn)定穩(wěn)定且變化不再明顯。最終確定充填體強(qiáng)度為10.5 MPa.

3)根據(jù)現(xiàn)場的工業(yè)性試驗，6-2116綜采工作面采用了先進(jìn)的礦壓監(jiān)測技術(shù)，通過設(shè)置不同的試驗段，對比其不同支護(hù)效果下的整面的工作阻力統(tǒng)計合格率?？梢缘贸觯焊咚倌牧铣涮詈兔悍?水泥充填木垛接頂充填效果基本一致，錨網(wǎng)索不足以在該地質(zhì)條件下實現(xiàn)正常的支護(hù)效果。說明煤粉-水泥充填木垛接頂過空巷的技術(shù)效果可行。