東周窯礦8103 綜放面過斷層片幫控制技術(shù)研究與應(yīng)用

蘇 鵬

（晉能控股集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

0 引 言

經(jīng)過多年的發(fā)展，綜合機(jī)械化放頂煤開采已經(jīng)成為我國(guó)厚煤層的主要開采方法，得到了大面積的推廣應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。與一次采全高相比，綜放開采工作面端面穩(wěn)定性差、煤壁發(fā)生片冒的頻率高，不僅影響工作面的正常生產(chǎn)，而且對(duì)工人的安全造成威脅。而工作面回采中遇到斷層等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，煤壁穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化，治理難度大幅增加[1-4]。因此，進(jìn)行綜放工作面過斷層煤壁片幫穩(wěn)定性研究，形成一套有效的控制技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)綜放工作面的正常、安全回采具有重要的意義。

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)條件

東周窯礦8103 工作面位于859 水平一盤區(qū)，工作面平均標(biāo)高為+923 m，地面平均標(biāo)高+1 431 m。工作面北部為采區(qū)3 條大巷，西部為8102 采空區(qū)，南部及東部為實(shí)體煤。所采煤層為山西組4 號(hào)煤，總厚度為7.2 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有2～4 層夾矸石，最大為2.4 m，最小為0.4 m，平均0.6 m，巖性多為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖、煌斑巖。根據(jù)工作面周邊地質(zhì)鉆孔BK46、J27、B1515、B1914 及掘進(jìn)過程中揭露情況，煤層頂?shù)装鍘r性如圖1 所示。

圖1 4 號(hào)煤頂?shù)装鍘r性

工作面范圍內(nèi)兩巷掘進(jìn)過程中實(shí)際揭露17 條斷層。根據(jù)以往4 號(hào)煤工作面的回采經(jīng)驗(yàn)，3 m 以上的斷層對(duì)生產(chǎn)的影響較大。該工作面落差大于3 m的有9 條，見表1。其中位于運(yùn)料巷的5103-02 斷層落差最大，為15 m，位于工作面前方1 196 m 處。

表1 8103 工作面3 m 以上斷層統(tǒng)計(jì)

1.2 生產(chǎn)條件

工作面開切眼長(zhǎng)度233 m，推進(jìn)距離1 517 m，采用綜合機(jī)械化后退式放頂煤開采，采高為3.2 m，放煤厚度4.0 m，采放比約為1∶1.2，自然垮落法管理采空區(qū)頂板，工作面主要設(shè)備見表2?；炯艿闹行木酁? 750 mm，工作阻力為13 000 kN，底板前端比壓2.64 MPa，支護(hù)強(qiáng)度1.23 MPa。

表2 8103 工作面主要開采設(shè)備

8103 工作面采用“四六”制作業(yè)方式。早班檢修設(shè)備，其余班生產(chǎn)出煤。工作面循環(huán)進(jìn)尺0.8 m，每天完成6 個(gè)正規(guī)循環(huán)，日進(jìn)尺4.8 m。

2 片幫特點(diǎn)及原因分析

2.1 片幫特點(diǎn)

在工作面回采過程中，進(jìn)行了3 周期來壓約40 m 范圍的礦壓觀測(cè)，對(duì)工作面煤壁的片冒情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由統(tǒng)計(jì)可以看出，8103 工作面煤壁片幫主要有以下特點(diǎn)：

1）片幫尺寸。片幫長(zhǎng)度集中在4 m 以上，占比83%，其中片幫長(zhǎng)度2～3 m 之間的發(fā)生頻率最大。片幫高度主要集中在2 m 以下，占比85%。見圖2。

圖2 工作面片冒統(tǒng)計(jì)

2）片幫位置和形式。片幫位置主要集中在煤壁的上分層，片幫形式為拉伸破壞和剪切破壞，如圖3所示。

圖3 8103 工作面主要片幫形式

3）斷層附近的片幫更加嚴(yán)重。5103-03 斷層落差為7.0 m，工作面推進(jìn)至該斷層附近時(shí)發(fā)生了回采以來的最大片幫，片幫尺寸為6.2 m×3.1 m×2.3 m（長(zhǎng)×高×深），對(duì)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。

2.2 片幫原因

綜合分析，造成8103 綜放工作面煤壁片幫的主要因素有：

1）實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，4 號(hào)煤的單軸抗壓強(qiáng)度為9.7 MPa，折算成普氏系數(shù)為0.97，為松軟煤層，內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育程度高，受工作面集中應(yīng)力的影響，極易沿裂隙面發(fā)生滑落形成片幫。

2）采用綜放開采，超前支承壓力分布范圍大，加大了支架上方頂煤的破碎程度，水平位移大，在支架前方漏頂。

3）工作面斷層分布密集，受斷層影響煤層本身的塑性破壞區(qū)域范圍大，工作面回采至斷層附近時(shí)，斷層活化，煤壁發(fā)生沿?cái)鄬用娴幕圃斐墒Х€(wěn)。

4）工作面支架管理存在短板，多個(gè)液壓支架的位態(tài)不正，頂梁抬頭現(xiàn)象嚴(yán)重，初撐力不足，漏液多，工作阻力低，對(duì)頂板的支護(hù)效果差。

5）煤壁片幫后未及時(shí)采取措施，無支護(hù)空間的增大誘發(fā)了冒頂?shù)陌l(fā)生，形成了片幫-冒頂-片幫的惡性循環(huán)，加劇了工作面片冒的程度。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立

以8103 工作面的地質(zhì)生產(chǎn)條件為基礎(chǔ)，采用UDEC 數(shù)值模擬軟件對(duì)影響煤壁片幫的因素進(jìn)行分析。

圖4 UDEC 數(shù)值計(jì)算模型

工作面推進(jìn)方向?yàn)閤 軸方向，豎直方向?yàn)閥 軸。模型尺寸為150 m×60 m，圍巖本構(gòu)關(guān)系為摩爾-庫(kù)倫模型?；卷攭K度為6.0 m×4.0 m，直接頂塊度為2.0 m×1.5 m，割煤和放煤的塊度一致，均為0.25 m×0.25 m。數(shù)值計(jì)算模型如圖4 所示。

上部邊界約束條件為應(yīng)力邊界，下部邊界條件為位移邊界，工作面回采方向可自由移動(dòng)，豎直方向固定鉸支。模型兩側(cè)為煤體和頂?shù)装鍘r體，采用位移邊界條件，豎直方向自由運(yùn)動(dòng)，x 方向固定。

以平均不平衡力達(dá)到最大不平衡力的1/15 000，視模型為原巖應(yīng)力狀態(tài)。

3.2 模擬方案

主要模擬端面距和支架工作阻力對(duì)煤壁片幫、冒頂?shù)挠绊懗潭龋饕哪M方案為：

1）端面距對(duì)煤壁穩(wěn)定性影響。保持支架工作阻力為10 400 kN 不變，模擬端面距為0.00、250、500、750、1 000、1 250 m 6 種情況下煤壁的片冒情況。

2）支架工作阻力對(duì)煤壁穩(wěn)定性影響。保持端面距為0.5 m 不變，模擬工作阻力為11 500 、12 000 、12 500、13 000、13 500、14 000 kN 時(shí)的煤壁穩(wěn)定性。

3.3 模擬結(jié)果分析

圖5 數(shù)值模擬結(jié)果（端面距0.5m）

端面距為0.5 m 時(shí)，煤壁片冒情況的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5 所示。

根據(jù)6 種方案的數(shù)值結(jié)果，可得到端面距對(duì)煤壁穩(wěn)定性關(guān)系曲線，如圖6 所示。

由圖6（a）可以看出，端面穩(wěn)定性與端面距的大小成近似反比例關(guān)系，端面距越大，端面穩(wěn)定性越差。當(dāng)端面距小于500 mm 時(shí)，煤壁片冒尺寸較小，一般在260 mm 以下，端面控制效果好。當(dāng)端面距超過500 mm 時(shí)，隨著端面距的增大，端面穩(wěn)定性急劇降低，當(dāng)端面距為1.5 m 時(shí)，片幫超過1.0 m，冒頂超過1.5 m，煤壁片冒難以控制。

由圖6（b）可以看出，支架工作阻力對(duì)端面失穩(wěn)有較好的控制效果。當(dāng)支架工作阻力從11 500 kN升至13 000 kN 的過程中，煤壁片幫、冒頂尺寸呈直線下降，下降速率大。但當(dāng)工作阻力由13 000 kN 提高至14 000 kN 時(shí)，片幫、冒頂?shù)某叽缫灿兴鶞p小，但降幅較小。

圖6 端面穩(wěn)定性影響因素模擬結(jié)果

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，8103 工作面的端面距應(yīng)控制在500 mm 以內(nèi)，支架工作阻力為13 000 kN，當(dāng)前支架選型合理。

4 控制措施及效果

通過對(duì)8103 工作面片幫特點(diǎn)及原因的分析，結(jié)合數(shù)值模擬的分析結(jié)果，在8103 工作面采取以下控制措施。

4.1 玻璃鋼錨桿加固

對(duì)于一般片幫區(qū)域在煤壁上補(bǔ)打玻璃鋼錨桿加固。錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 500 mm，采用2 卷K2345 樹脂藥卷錨固，布置方式為“二一二”五花布置，2 根錨桿的上位錨桿距頂800 mm，間距為700 mm，單根錨桿布置在2 根錨桿之間，距頂板1 500 mm，如圖7 所示。錨桿排距視現(xiàn)場(chǎng)情況而定，保持在800～1 000 mm 之間。所有的錨桿配木托盤，規(guī)格為300 mm×300 mm×50 mm（長(zhǎng)×寬×厚）、孔徑為22 mm。

圖7 玻璃鋼錨桿布置示意圖（單位：mm）

4.2 注漿加固

注漿可以提高煤體的物理力學(xué)性能，提高煤壁穩(wěn)定性，但注漿成本相對(duì)較高。因此，一般在工作面通過斷層或片幫嚴(yán)重時(shí)采取注漿措施。注漿孔布置見圖8。上排注漿孔距離頂板600 mm，向上傾斜20°，下排注漿孔距離頂板1 600 mm，垂直煤壁，上下排交錯(cuò)布置，排距為3 000 mm。注漿孔φ32 mm，孔深為8 000 mm，注漿壓力不得大于8 MPa，當(dāng)有漿液流出時(shí)及時(shí)調(diào)整壓力或停止注漿。

圖8 注漿孔布置圖（單位：mm）

4.3 其他措施

1）保證支架初撐力和工作阻力。當(dāng)支架出現(xiàn)片冒造成不接頂時(shí)，要及時(shí)采取背板接頂?shù)却胧?，避免支承壓力向前方轉(zhuǎn)移，加劇片幫。

2）及時(shí)移架。滯后采煤機(jī)2 個(gè)支架開始移架，并且?guī)阂萍?，移架過程中支架降低高度不得超過80 mm，貼頂前移。

3）加強(qiáng)煤壁片幫預(yù)警監(jiān)測(cè)。加強(qiáng)對(duì)工作面全長(zhǎng)、全時(shí)段的礦壓觀測(cè)，加強(qiáng)煤壁片幫預(yù)警，一旦出現(xiàn)支架工作阻力驟降及位態(tài)不正等情況，及時(shí)采取措施加固煤壁。

4.4 治理效果

采取以上措施后，8103 工作面煤壁片幫冒頂?shù)陌l(fā)生頻率明顯降低，片幫范圍有明顯改善。最大片幫長(zhǎng)度由6.2 m 變?yōu)?.5 m，片幫深度和高度均小于1.5 m，經(jīng)過落差最大的斷層5103-02 時(shí)，由于提前采取了注漿加固措施，工作面正常回采，未觀測(cè)到明顯片幫，工作面煤壁穩(wěn)定性控制取得了理想的效果。

5 結(jié) 論

1）8103 綜放工作面片幫長(zhǎng)度集中在4 m 以上，高度主要集中在2 m 以下，片幫形式主要為拉伸破壞和剪切破壞。

2）煤層單軸抗壓強(qiáng)度低、工作面斷層分布密集、支架管理存在短板、未及時(shí)采取處理措施等是造成工作面片幫頻發(fā)的主要原因。

3）數(shù)值模擬分析表明，8103 工作面的端面距應(yīng)控制在500 mm 以內(nèi)，支架工作阻力為13 000 kN。

4）通過采取玻璃鋼錨桿、注漿加固、提高支架工作阻力、及時(shí)帶壓移架等措施，工作面片幫頻率和范圍明顯減少，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采。