蘇利兵

鄂爾多斯市中北煤化工有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000

0 引言

綜放開采工作面回采過程中,工作面端部安全性相對較差,煤壁出現(xiàn)片幫冒頂概率較大,不僅增加了端頭支護的困難程度,也增大了端頭作業(yè)施工人員受傷害的安全風(fēng)險,當(dāng)端頭支架初撐力下降時,還可能造成端頭大面積頂板離層下沉,影響安全出口的通風(fēng)斷面和行人高度[1-3]。當(dāng)采面切眼內(nèi)揭露隱伏構(gòu)造,如斷層、陷落柱等異常地質(zhì)構(gòu)造時,原始煤巖體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)已被破壞,臨近構(gòu)造影響區(qū)域的煤壁受到壓力作用,內(nèi)部應(yīng)力得到釋放,致使煤壁外鼓,割煤機截割過后可能造成大面積片幫,增加了架前空頂距離,對綜放工作面安全支護帶來不利影響[4-6]。因此,如何采取有效措施,提高工作面過斷層等構(gòu)造期間的煤壁支護強度,以及端頭支架支撐強度,對于安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 工作面地層與生產(chǎn)條件概述

1.1 地層描述

伯方煤礦的3103綜放工作面地處三盤區(qū)北側(cè),工作面一般高程為+623 m,地面平均高程為+1 012 m。工作面北側(cè)為3102工作面,已開采完畢,留設(shè)10 m煤柱,南側(cè)為3104回風(fēng)順槽,留設(shè)10 m煤柱,東側(cè)為盤區(qū)大巷。3103綜放工作面主采3號煤,煤層均厚5.6 m。頂板主要為砂巖,主要特點是黃褐灰色細粒砂巖以及灰黑色泥巖層;直接底巖性多為灰色-黑泥巖(灰黑色,深層狀土體富鋰,斷口較均勻,斷面具有光澤感,內(nèi)含少量炭質(zhì),內(nèi)夾薄層粉砂巖,或內(nèi)含少量樹根化石,性脆,疏松)。老底為細中粒砂巖(K7砂巖,白色或淡灰色,厚層狀,由石英屑組成,含煤炭屑石和少量白云母碎屑,層理較均勻,接觸面膠結(jié),次圓狀,裂隙發(fā)育,裂隙內(nèi)方解石充填,半堅硬)。

3103工作面運輸、回風(fēng)順槽掘進等工程中揭露了主要斷層f28、f43、f44。根據(jù)實際揭露斷層產(chǎn)狀,結(jié)合現(xiàn)有地質(zhì)資料,斷層均貫穿3103工作面,具體情況見表1。經(jīng)物探、鉆探及掘進,揭露資料顯示所有斷層均為不含水、不導(dǎo)水?dāng)鄬印?/p>

表1 3103工作面斷層情況

1.2 生產(chǎn)條件

3103綜放工作面的切眼總長度為197 m,工作面總推進長度約為1 700 m,采煤方法采用傾斜長壁式綜采放頂煤,頂板管理采用全部垮落法,工作面采高2.8 m,放頂煤2.8 m,全煤厚平均5.6 m,采放比例1：1,工作面基本架安裝排布中心距1 500 mm,支架阻力為13 000 kN,支架底座支撐強度1.1～2.5 MPa,整體支護抗壓強度為0.93～0.96 MPa。3103工作面支護設(shè)備選型及主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 3103工作面支護設(shè)備選型及主要技術(shù)參數(shù)

3103綜放工作面采取的生產(chǎn)組織方式為“46”制作業(yè),每日組織4班工作人員,每班工作時間6 h,其中3班組織生產(chǎn)、1班進行檢修,保證安全。工作面的平均循環(huán)進尺寬為0.8 m,每日進行約4.5次的正規(guī)循環(huán),每天回采推進度可達3.6 m。

2 產(chǎn)生片幫的機理分析

2.1 片幫類型特點

在3103綜放工作面回采過程中,對工作面周期來壓進行礦壓觀測,觀測范圍約40 m,對煤壁的片幫、冒頂數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析,根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知,工作面煤壁片幫的主要特點如下。

1)片幫尺寸。片幫寬度主要集中在4 m以上,占比為83%,其中片幫寬度在2～3 m的情況出現(xiàn)次數(shù)最高。片幫高度是指采高范圍內(nèi)的垮落高度,一般高度為2 m以內(nèi),經(jīng)統(tǒng)計占比達85%。片幫形式和尺寸統(tǒng)計如圖1所示。

圖1 3103工作面不同片幫類型與尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2)片幫結(jié)構(gòu)形式。3103綜放工作面煤壁受煤體自重和煤層賦存傾角等因素的影響,經(jīng)過割煤機截割后原有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被破壞,在剪切力和拉伸力等不同方向應(yīng)力作用下產(chǎn)生片幫,其破壞形式如圖2所示。圖中,H為采面內(nèi)裸露可視煤層高度,P為煤壁承受壓力。

圖2 3103工作面煤壁片幫受力作用形式

3)斷層等構(gòu)造附近應(yīng)力集中現(xiàn)象更顯現(xiàn)。f44的斷裂落差約為3 m,當(dāng)工作面推進到f44斷裂附近后產(chǎn)生該面的最大片幫,片幫長為4.2 m、高為3.1 m、深為2.4 m,對作業(yè)人員帶來較大壓力。

2.2 片幫原因

綜上分析,造成3103工作面煤壁片幫的主要因素如下。①3103綜放工作面初次放頂可能造成工作面壓力增大、頂板下沉、煤壁片幫冒頂。②3103綜放工作面煤壁因煤質(zhì)松軟,頂板壓力大,回采作業(yè)時煤壁可能發(fā)生片幫冒頂。③在3103綜放工作面的割煤工程中,未按工藝要求進行移架,出現(xiàn)了頂板的離層、脫落現(xiàn)象并導(dǎo)致片幫。④3103綜放工作面無炭柱X106(運輸順槽1 230～1 293 m處段)推進該段時,頂板破碎煤質(zhì)松軟可能發(fā)生片幫。⑤3103綜放工作面運輸順槽斷層f46、f47(運輸順槽320 m、820 m處),回風(fēng)順槽斷層f44、f45(回風(fēng)順槽720 m、190 m處)推進該段時,頂板破碎、煤質(zhì)松軟可能造成片幫。⑥3103綜放面兩端順槽的頂板出現(xiàn)離層或壓力大未及時處理,可能發(fā)生冒頂片幫事故。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)據(jù)建模

為更加直觀地分析3103綜放工作面煤壁片幫的成因機理以及主要影響因素,采用UDEC模擬軟件結(jié)合采面布置參數(shù)和煤厚信息等特征,構(gòu)建數(shù)值模型。模型回采方向150 m,豎直方向60 m,根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)和不同巖性厚度,設(shè)置基本頂板巖石塊度為6 m×4 m,直接頂模擬數(shù)據(jù)為2 m×1.5 m,由于煤壁采放比為1：1,所以設(shè)置為0.25 m×0.25 m。在模擬條件下,從上部頂板向下垂直施加一定作用力,受力邊界不受限,但底部圍巖設(shè)定為不可移動的受限底界面;以水平方向的x軸代表切眼內(nèi)煤壁的自由活動切割面,將不平衡力的平均值與最大值之比1：15 000的狀態(tài)視為原巖應(yīng)力狀態(tài)。

3.2 方案制定

為研究3103工作面不同端面距條件下支架工作阻力大小變化,以及對煤壁片幫和頂板離層等現(xiàn)象造成的破壞嚴(yán)重程度進行分析,制定方案如下。

1)端面距離固定。設(shè)置0.5 m端面距為定量,然后將支架工作阻力按照500 kN的變量依次增加,調(diào)整范圍為11 500～14 000 kN,在不同阻力環(huán)境下分析煤壁承受的結(jié)構(gòu)破壞程度。

2)工作阻力為定值。固定支架阻力為14 000 kN,依次按照250 mm變量調(diào)節(jié)端面距離,設(shè)定范圍為0～1 250 mm,分析不同端面距情況下煤壁片冒情況。

3.3 模擬結(jié)果分析

當(dāng)端面距為0.5 m的時候,通過以上不同變量條件下的數(shù)值模擬計算,分析得到端面距因素和支架阻力因素對煤壁片幫造成的影響,綜合模擬數(shù)據(jù)繪制出影響因素曲線圖,如圖3所示。

圖3 端面距與支架阻力影響關(guān)系曲線圖

由圖3(a)中可以看出,端面穩(wěn)定性情況與端面距的大小呈反比,當(dāng)端面空頂距離越小時,圍巖穩(wěn)定性越好;當(dāng)端面距達到500 mm時,煤壁片冒風(fēng)險增大,出現(xiàn)片幫離層征兆;當(dāng)控制端面距值小于260 mm時,端面控制效果顯著。當(dāng)端面距大于500 mm時,端面距逐漸增大,端面的穩(wěn)定性就會逐漸下降,當(dāng)調(diào)整端面距值為1.5 m時,工作面片幫達到1 m以上,若工作面片幫達到1.5 m時,煤壁片冒可能對工作面生產(chǎn)安全帶來重大風(fēng)險,需要采取專門措施處理。

由圖3(b)可知,支架的工作阻力對端面失穩(wěn)有較大的抑制作用。在工作阻力由11 500 kN增至13 000 kN的過程中,煤壁冒頂高度由1.47 m下降至0.26 m,片幫長度由1.22 m下降至0.19 m;當(dāng)支架阻力繼續(xù)上升至14 000 kN后,煤壁片冒高度幾乎趨近于0,說明工作阻力越大,越有利于加強對煤壁頂板巖石的支撐,從而降低圍巖對煤體的作用強度。

根據(jù)模擬結(jié)果分析,3103綜放工作面的端面距調(diào)整在500 mm以內(nèi)且支架工作阻力調(diào)整到13 000 kN時,端面穩(wěn)定,說明目前的支架選型符合實際。

4 控制措施及效果

經(jīng)過對3103綜放工作面片幫情況統(tǒng)計及數(shù)值模擬結(jié)果,對3103綜放工作面采取以下綜合防控措施。

4.1 控制措施

4.1.1 錨桿補強支護

對一般片幫區(qū)域,選用? 20 mm×2 500 mm規(guī)格的普通玻璃鋼錨桿在煤體上進行補強加固。

配備使用2卷錨固劑,錨桿最大扭矩力不小于300 N·m,最大錨固力不小于100 kN。2根錨桿中位于上部的錨桿距工作面頂板垂直距離為800 mm,打設(shè)間距700 mm,上部第一排距頂800 mm,仰角30°,中間孔沿水平布置,垂直煤壁打設(shè),下排孔與中間孔間距700 mm,傾角-15°打設(shè),錨桿補強支護示意如圖4所示。所有的錨桿均配以高強塑料托盤,托盤孔徑為22 mm、厚度為50 mm、長寬均為150 mm。

圖4 煤壁加固補打錨桿布置示意

4.1.2 注漿充填加固

工作面過斷層等構(gòu)造期間,采取鉆孔注漿方法可以有效實現(xiàn)斷層裂隙充填,通過注漿粘結(jié)提高圍巖的穩(wěn)定性,同時滲透進入煤層后,也可提高煤體可塑性和抗壓強度,具有較好的實用效果,但根據(jù)斷層裂隙充填范圍和空間大小不同,注漿材料本身也需要較高的成本投入。因此,只有當(dāng)工作面通過構(gòu)造帶或片幫范圍和深度較大時應(yīng)采用注漿控制,注漿布置設(shè)計如圖5所示。距工作面頂板600 mm施工上排注漿孔,傾角20°;距工作面頂板1 600 mm施工下排注漿孔,注漿孔垂直煤壁,上排與下排交錯布設(shè),排距3 m,孔徑32 mm,孔深8 m,注漿壓力控制8 MPa以下,當(dāng)有注漿料涌出后及時降壓停泵。

圖5 注漿鉆孔施工示意

4.1.3 其他措施

1)工作面支架底座加裝1個測壓表,使之能有效控制工作面支架壓力并使支架的初撐壓力大于等于泵站額定值壓力的80%(24 MPa),確保支架初撐力、工作阻力達到要求。

2)加強工作面支架管理,當(dāng)支架出現(xiàn)跑、冒、滴、漏、串液等現(xiàn)象時應(yīng)及時處理。

3)當(dāng)頂板片幫或破碎時,須提前進行移架或帶壓移架,將降幅減少進度加快,且不允許相鄰的2個支架同時移架。

4)工作面作業(yè)過程中,若頂板發(fā)生破碎或片幫、冒頂?shù)纫馔馇闆r時,須在第一時間在支頂頂梁上安設(shè)木質(zhì)橫梁,使木質(zhì)橫梁能夠充分頂住煤層頂板及煤幫,從而實現(xiàn)絞頂和護幫的作用。

4.2 治理效果

采取措施后,3103綜放工作面煤壁片幫和冒頂?shù)念l率顯著下降,片幫范圍有大幅度減少,且最大的片幫寬度也從最初的6.3 m變?yōu)?.1 m,片幫深度與距離均低于1.4 m,在經(jīng)過落差較大的f44斷層時,因及時進行注漿等處理方法,工作面實現(xiàn)安全順利回采,并未觀察到顯著片幫。

5 結(jié)論

1)根據(jù)現(xiàn)場回采期間對煤壁片幫情況的統(tǒng)計分析,3103綜放工作面最大片幫長度控制在4.1 m內(nèi),垮落高度小于2.2 m,工作面片幫變形原因主要是工作面受到剪切和拉伸的破壞。工作面斷層分布較多、煤層的單向抗壓強度較低、支架管理上存在漏洞、發(fā)現(xiàn)問題后采取措施滯后或處理效果差均會導(dǎo)致工作面出現(xiàn)片、冒現(xiàn)象。

2)數(shù)值模擬結(jié)果表明,3103綜放工作面的端部距應(yīng)保證在500 mm左右,其最大支架工作阻力控制在13 000～1 4000 kN,可根據(jù)頂板具體條件和煤壁堅固性程度等適當(dāng)調(diào)整支架阻力,確保提供足夠支撐強度,從而保障工作面安全回采。