三道溝煤礦綜采工作面端頭懸頂治理方法研究

霍雷敏

(國家能源集團(tuán)國源電力公司三道溝煤礦, 陜西 榆林市 719407)

0 引言

我國地下煤礦廣泛采用綜采工藝,對(duì)于綜采工作面而言,人員及設(shè)備作業(yè)主要從端頭直接頂位置開始實(shí)施,往往會(huì)形成懸頂現(xiàn)象[13]。工作面推進(jìn)過程中,當(dāng)頂板達(dá)到極限垮落時(shí),懸頂就會(huì)發(fā)生垮落,對(duì)工作面回采造成安全隱患。因此,采取合適的方法對(duì)懸頂進(jìn)行有效治理,對(duì)于工作面安全回采至關(guān)重要[4-5]。

在這方面研究中,劉海勝[6]提出了端頭頂板礦山壓力監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)及退錨技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控管理綜合安全技術(shù)措施;蘇波[7]提出利用定向水力壓裂技術(shù)破壞頂板完整性,將工作面支架承受的高應(yīng)力向遠(yuǎn)離頂板方向轉(zhuǎn)移的懸頂治理方法;李海洋[8]為解決斜溝煤礦16502工作面回采巷道端頭懸頂過長的問題,提出采用靜態(tài)破碎技術(shù)處理,懸頂長度減少45%,端頭懸頂過長的問題得到解決。綜合文獻(xiàn)分析,對(duì)于工作面懸頂治理技術(shù)的研究取得了一定成果,然而在工作面端頭懸頂機(jī)理及其治理方法優(yōu)選方面有待進(jìn)一步研究。

本文以三道溝煤礦85207工作面為工程背景,研究工作面端頭懸頂機(jī)理,對(duì)懸頂治理方法進(jìn)行綜合優(yōu)選,并給出工作面端頭懸頂?shù)脑敿?xì)治理方案及其輔助措施,以保證工作面安全高效回采。

1 工作面概況

三道溝煤礦位于神東礦區(qū)東部,85207工作面主要回采5-2煤層,煤層厚度為6.03～6.95 m,平均為6.51 m,煤層底板標(biāo)高在1028.11～1140.87 m之間,煤層傾角為0°～3°,平均傾角為0.5°。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖,基本頂為粉砂巖,直接底為粉砂巖,基本底為中粒砂巖,煤巖體綜合柱狀圖見圖1。

圖1 煤巖體綜合柱狀圖

該礦井工作采用綜采一次采全高回采工藝,全部垮落法管理頂板。工作面開采過程中,端頭架后部常出現(xiàn)巷道懸頂問題,懸頂面積有時(shí)達(dá)10 m2,超過了煤礦安全規(guī)程的規(guī)定。后部懸頂突然垮落可造成風(fēng)壓急劇增大,影響礦井的正常生產(chǎn),同時(shí)也存在較大的安全隱患。因此,針對(duì)工作面端頭懸頂?shù)葐栴},提出可靠的懸頂治理方法是非常必要的。

2 工作面端頭懸頂機(jī)理分析

85207 工作面端頭存在大范圍懸頂情況,易發(fā)生頂板垮落,形成冒落沖擊危害,同時(shí)還會(huì)造成端頭部位有毒有害氣體擴(kuò)散,對(duì)工作面安全回采帶來不利影響。為解決工作面端頭懸頂問題,研究采用FLAC3D數(shù)值軟件對(duì)85207工作面懸頂情況進(jìn)行分析,闡明工作面端頭懸頂機(jī)理。

2.1 模型建立

根據(jù)85207工作面實(shí)際情況,構(gòu)建數(shù)值分析模型(見圖2),模型尺寸為400 m×584.5 m×61.5 m。模擬工作面長300 m,采空區(qū)長150 m,模型底部水平與垂直位移固定,模型邊界水平位移固定。對(duì)模型頂部施加5.2 MPa的豎向壓力,對(duì)模型水平方向施加7.0 MPa的水平應(yīng)力,數(shù)值模擬采用的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 工作面數(shù)值模型

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

在本模型中,按照順序依次開挖85205工作面、85207工作面兩順槽、85207工作面,并計(jì)算至平衡狀態(tài)。85205工作面及85207工作面不斷推進(jìn),煤層逐步被剔除。數(shù)值模擬中錨桿(索)的力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 模型中支護(hù)錨桿/錨索的性能參數(shù)

由于工作面存在上下端頭懸頂問題,85207回風(fēng)巷一側(cè)為區(qū)段煤柱及85205工作面采空區(qū),而85207主運(yùn)巷一側(cè)為區(qū)段煤柱及實(shí)體煤,主運(yùn)巷一側(cè)的區(qū)段煤柱受損程度小,對(duì)頂板的支撐效果更好。由此可見,工作面主運(yùn)巷側(cè)端頭更易懸頂,為此重點(diǎn)分析工作面主運(yùn)巷端頭懸頂問題。

2.2 工作面端頭懸頂機(jī)理

工作面端頭直接頂懸頂數(shù)值分析結(jié)果見圖3,圖中不同顏色代表直接頂下沉量,以直接頂下沉量小于0.2 m作為工作面端頭后部懸頂范圍。從圖3可以看出,在工作面端頭后部懸頂區(qū)域(直接頂下沉量小于0.2 m區(qū)域)呈現(xiàn)直角圓弧型,可近似看作直角三角形。與現(xiàn)場(chǎng)巷道懸頂情況類似,說明模擬結(jié)果能真實(shí)的反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)情況。圖中A點(diǎn)為工作面推進(jìn)位置延長線與巷道煤柱側(cè)幫部的交點(diǎn),B點(diǎn)為工作面端頭后部懸頂區(qū)域圓弧中點(diǎn)。測(cè)量得出A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的直線距離為15 m,C點(diǎn)與D點(diǎn)之間的直線距離為30 m。

圖3 工作面端頭后部直接頂懸頂模擬結(jié)果

工作面回采后,直接頂不會(huì)全部垮落,在工作面端頭位置直接頂由于受到巷道煤柱側(cè)煤壁、工作面前方煤體支撐,造成工作面端頭直接頂不能垮落,并且在工作面端頭部位形成三角形懸頂區(qū)域(△ACD)。隨著工作面推進(jìn),懸頂面積將不斷擴(kuò)大,懸頂長度一旦超過頂板極限垮落距,三角形懸頂會(huì)沿著斜邊呈現(xiàn)弧形垮落,對(duì)工作面安全回采構(gòu)成威脅。

2.3 頂板極限垮落距確定

根據(jù)Marcus板簡化方法,將三角形懸頂區(qū)域假設(shè)為由多個(gè)條型梁組成的板,力學(xué)分析模型見圖4。將直接頂懸頂條形梁按照巖梁考慮,假設(shè)巖梁CD長為L,并受均布荷載q作用,q值按直接頂自身重量計(jì)算。巖梁兩端分別受巷道煤柱側(cè)煤體及工作面前方煤體支撐,視為固支梁。

圖4 三角形懸頂力學(xué)分析模型

由此得到巖梁CD的極限跨落距表達(dá)式如下:

式中,q為直接頂自重產(chǎn)生的荷載,取0.12 MPa;L為巖梁CD的極限跨落距,m;h為直接頂巖梁CD的厚度,取4.85 m;Rt為直接頂巖石的抗拉強(qiáng)度,取2.39 MPa。

將相關(guān)參數(shù)代入公式(1),可得L=30.6 m,即極限垮落距為30.6 m,而數(shù)值分析得到的極限垮落距為30 m?？梢钥闯?理論計(jì)算值與數(shù)值模擬值接近,驗(yàn)證了理論分析的可靠性。

3 工作面端頭懸頂治理方法優(yōu)選

通過前述分析,工作面頂板極限垮落距為30.6 m,急需對(duì)頂板工作面端頭懸頂采取治理措施,為此研究提出對(duì)工作面巷道煤柱側(cè)頂板實(shí)施斷頂,以消除懸頂危害。研究提出4種懸頂治理方案,方案一:對(duì)工作面端頭基本頂提前斷頂;方案二:對(duì)工作面端頭直接頂提前斷頂;方案三:對(duì)工作面端頭基本頂與直接頂提前斷頂;方案四:對(duì)工作面端頭直接頂與巷道頂煤提前斷頂。

研究采用FLAC3D數(shù)值軟件對(duì)每種方案進(jìn)行數(shù)值分析,進(jìn)而確定最優(yōu)治理方案,數(shù)值模擬采用的斷頂模型見圖5。提前在85207工作面回采巷道煤柱幫上部頂板開挖寬度為0.5 m的槽,4種方案的開挖高度分別為9.32 m、4.85 m、14.17 m與7.25 m,以此模擬提前對(duì)兩順槽上部頂板實(shí)施的4種斷頂方案,4種方案的數(shù)值模擬結(jié)果見圖6。

圖5 模擬工作面提前斷頂模型

圖6 4種方案的數(shù)值模擬結(jié)果

不同方案的數(shù)值分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3,由表3可以看出,基本頂斷頂方案與直接頂斷頂方案對(duì)比,端頭后部懸頂面積幾乎相等,兩種方案中三角形懸頂區(qū)域AB及CD長度相等,數(shù)值分別為12.5 m和25 m。兩種方案相比未實(shí)施措施前,AB長度減少2.5 m,CD長度減少5 m,三角形懸頂面積減少了68.8 m2,減少的幅度達(dá)30%,懸頂面積達(dá)到156.25 m2,這兩種方案存在工作面端頭處懸頂面積過大的問題。

表3 數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

對(duì)于直接頂斷頂與巷道頂煤斷頂方案,與方案實(shí)施前相比,AB長度減少5 m,CD長度減少10 m,懸頂面積減少75 m2,減少的幅度達(dá)33.4%,懸頂面積達(dá)150 m2,這兩種方案同樣存在工作面端頭處懸頂面積過大的問題。

對(duì)于直接頂與基本頂斷頂方案,與方案實(shí)施前相比,AB長度減少7.4 m,CD長度減少14.8 m,三角形懸頂面積減少167.24 m2,減少的幅度達(dá)74.2%,工作面端頭懸頂面積僅為57.76 m2,工作面端頭懸頂治理效果最好。最終確定方案三為最佳懸頂治理方案。

4 工作面端頭懸頂治理方案

4.1 工作面端頭提前爆破

通過在工作面回采巷道煤柱幫上部頂板布設(shè)鉆孔,每處位置的4個(gè)鉆孔斜向采空區(qū)方向,傾斜角度分別為77°、74°、68°、54°,鉆孔長度分別為13.8 m、10.8 m、7.8 m、5.1 m。工作面推進(jìn)前,對(duì)巷道頂板打鉆孔,隨后將乳化炸藥裝入鉆孔底部進(jìn)行爆破,鉆孔布置方式見圖7。工作面推進(jìn)時(shí),端頭處基本頂與直接頂提前斷裂,端頭上部基本頂回轉(zhuǎn)下沉量加大,直接頂懸頂面積減少,工作面端頭懸頂面積隨之減少。

圖7 工作面回采巷道鉆孔布置

4.2 工作面端頭提前淺孔水壓致裂

在工作面兩巷道端頭位置實(shí)施淺孔水壓致裂,采取“兩堵一封”致裂方式,向采空區(qū)頂板(靠近煤柱幫位置)以仰角70°施工鉆孔,施工直徑Φ56 mm鉆孔,鉆桿直徑為42 mm,鉆孔深度設(shè)計(jì)為11.8 m,致裂孔間距為5 m。每個(gè)孔致裂1次,致裂點(diǎn)位于基本頂中下部,致裂時(shí)間10～16 min,以此達(dá)到致裂直接頂與基本頂?shù)哪康?水壓致裂鉆孔施工方法見圖8。

圖8 水壓致裂鉆孔施工示意

水壓致裂鉆孔使用Φ46 mm鉆頭、Φ42 mm鉆桿施工,將成對(duì)的封孔器剛性連接,同時(shí)連接封孔增壓管路。將封孔器與注水鋼管連接,在連接處涂抹密封膠或墊上密封圍防止高壓水泄露。將封孔器對(duì)準(zhǔn)致裂孔口,緩慢推送注水鋼管、封孔器至孔底,將鋼管固定在巷道錨索上,防止脫落。利用手動(dòng)泵為封孔器加壓使膠筒膨脹,達(dá)到封孔目的。水壓致裂流程見圖9。壓裂時(shí)間根據(jù)泵壓確定,泵壓上升到一定高度、穩(wěn)定一段時(shí)間再降低后停止壓裂。

圖9 水壓致裂流程

4.3 工作面端頭懸頂輔助治理措施

為解決工作面端頭后部懸頂問題,可采取如下輔助措施。

(1)隨著工作面推采,及時(shí)拆除工作面端頭處支架前梁前部1 m范圍內(nèi)頂板錨桿錨索的螺母索具,拆除錨桿錨索螺母索具后,頂板由于缺少支護(hù)力,頂板煤巖層的力學(xué)性能下降約10%,抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、黏聚力等力學(xué)指標(biāo)全部下降。當(dāng)拆除錨桿錨索的頂板進(jìn)入采空區(qū),頂板更容易垮落。

(2)工作面回采過程中,也可拆除本工作面回風(fēng)順槽副幫幫部錨桿螺母,拆除錨桿螺母的區(qū)段煤柱由于缺少側(cè)向約束,其整體抗壓強(qiáng)度降低,進(jìn)入工作面采空區(qū)內(nèi)的區(qū)段煤柱加快坍塌速度,工作面端頭后部頂板由于缺少區(qū)段煤柱的支撐而更加容易垮落。區(qū)段煤柱的易坍塌,不會(huì)造成應(yīng)力集中,從而有利于下煤層工作面回采。

5 結(jié)論

(1)工作面回采后,在工作面端頭部位形成三角形懸頂區(qū)域(△ACD)。隨著工作面推進(jìn),懸頂面積將不斷擴(kuò)大,懸頂長度一旦超過30.6 m,三角形懸頂會(huì)沿著斜邊呈現(xiàn)弧形垮落,對(duì)工作面安全回采構(gòu)成威脅。

(2)通過對(duì)工作面端頭懸頂治理方法進(jìn)行綜合優(yōu)選,確定最佳治理方法為對(duì)工作面端頭基本頂與直接頂提前斷頂,三角形懸頂面積減少167.24 m2,減少幅度達(dá)74.2%,表明工作面端頭懸頂治理效果最好。

(3)研究提出了對(duì)工作面端頭實(shí)施提前爆破與淺孔水壓致裂相結(jié)合的工作面端頭懸頂治理方案,并給出了工作面端頭懸頂輔助治理措施,可有效治理該礦工作面端頭懸頂問題,保障工作面的安全高效回采。