大采高工作面遇頂部夾矸冒頂機(jī)理及加固技術(shù)研究

張建麗

（山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

對(duì)于采高較大的工作面而言，其頂板控制難度越大，頂板來壓明顯，因而時(shí)常會(huì)有片幫、冒頂事故[1]。尤其是在綜采工作面遇構(gòu)造及頂部夾矸時(shí)，頂板破碎程度加大越難維護(hù)[2]。通常綜采工作面遇構(gòu)造時(shí)往往是在工作面推至構(gòu)造位置時(shí)，在工作面內(nèi)進(jìn)行注漿，這不僅會(huì)因構(gòu)造揭露導(dǎo)致頂板發(fā)生漏頂，更會(huì)因注漿而影響工作面正常生產(chǎn)[3]。因此，本文針對(duì)經(jīng)坊煤礦3-807工作面遇構(gòu)造時(shí)，設(shè)計(jì)從工作面順槽提前對(duì)構(gòu)造進(jìn)行注漿，以達(dá)到工作面快速通過構(gòu)造的目的。

1 工作面概況

經(jīng)坊煤礦1307綜采工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為1525m，工作面長(zhǎng)220m，采高4.75m。工作面設(shè)計(jì)有膠運(yùn)順槽和回風(fēng)順槽，巷道寬5m，高4.5m。

通過順槽掘進(jìn)揭露及儀器探測(cè)，在距切眼0～230m范圍內(nèi)頂板存在厚度達(dá)1500mm夾矸，夾矸上層有200mm厚的煤層。該夾矸性質(zhì)為泥巖，遇水易膨脹，在工作面采動(dòng)影響下易冒落，在1307工作面初采時(shí)，在0～80m范圍內(nèi)，共冒頂11次，嚴(yán)重影響到了工作面的生產(chǎn)效率及安全。因此，設(shè)計(jì)從工作面順槽提前對(duì)100～230m范圍的構(gòu)造進(jìn)行注漿，增強(qiáng)頂板圍巖強(qiáng)度，提高回采效率。

2 工作面冒頂機(jī)理分析

通過對(duì)1307綜采工作面初采期間的觀測(cè)，工作面頂板冒落的過程為：工作面內(nèi)煤壁受采動(dòng)影響發(fā)生大面積片幫，隨后發(fā)生片幫區(qū)域的頂板冒落，進(jìn)而導(dǎo)致液壓支架無法正常接頂，而工作面頂板因支護(hù)質(zhì)量差進(jìn)一步加劇頂板的冒落[4]。

因此，造成1307綜采工作面冒頂?shù)年P(guān)鍵原因在于煤壁的大面積片幫。提高工作面煤壁的強(qiáng)度能夠使之能夠有效的對(duì)頂板形成支撐，減小因煤壁片幫而導(dǎo)致空頂面積的增大，使工作面液壓支架能夠接定嚴(yán)實(shí)，進(jìn)而從根本上解決工作面冒頂?shù)膯栴}。

3 頂板冒落數(shù)值模擬研究

本文通過FLAC3D軟件研究了頂板、煤體的強(qiáng)度提升對(duì)頂板圍巖破壞的影響[5]。為了對(duì)比研究，方案共有5個(gè)，其中方案一、二、三、四頂板力學(xué)參數(shù)相同，煤體的抗壓強(qiáng)度依次增加，方案五與第一煤體的抗壓強(qiáng)度不變，頂板的強(qiáng)度加大。各方案圍巖參數(shù)如表1所示。

表1 煤體參數(shù)

經(jīng)過模擬研究得到工作面圍巖變形情況如圖1、表 2所示。

圖1 工作面圍巖變形情況

表2 圍巖塑性變形范圍

通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，方案一和五中只增強(qiáng)頂板圍巖強(qiáng)度對(duì)工作面圍巖的破壞減小效果較差，而對(duì)比方案一、二、三、四發(fā)現(xiàn)工作面圍巖塑性變形范圍隨著煤壁強(qiáng)度的增加而顯著減小。因此，對(duì)于綜采工作面頂板事故的防治應(yīng)同時(shí)加強(qiáng)煤壁與頂板的強(qiáng)度。

4 注漿加固方案

4.1 鉆孔布置

通過上文的研究，得出鉆孔的布置應(yīng)同時(shí)兼顧煤體及頂板，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面冒頂片幫事故的防治。因此，設(shè)計(jì)在13071膠運(yùn)順槽和13072回風(fēng)順槽內(nèi)向煤體對(duì)稱施工鉆孔。單側(cè)共設(shè)計(jì)2排鉆孔，下排鉆孔距離巷道底板高度為2m，間距為10m，鉆孔與水平夾角為5°，鉆孔深度為100m；下排鉆孔距離巷道底板高度為3m，間距為10m，鉆孔與水平夾角為6°，鉆孔深度為100m，鉆孔直徑94mm。

圖2 鉆孔布置圖

4.2 注漿位置

為確保注漿的效果，應(yīng)選擇合理的注漿區(qū)域。經(jīng)坊礦1307工作面超前支承壓力分布情況如圖3所示，按應(yīng)力大小可劃分4個(gè)區(qū)域。

圖3 工作面超前支承壓力分布圖

在0-20m范圍內(nèi)，煤體在支承壓力作用下裂隙發(fā)育，在該范圍內(nèi)注漿所需注漿量大，且易影響工作面生產(chǎn)，注漿效果較差。

在大于55m的區(qū)域4，煤體受采動(dòng)影響小，裂隙不發(fā)育，注漿效果差。

在20-55m的區(qū)域3內(nèi)，煤體受到支承壓力影響裂隙較為發(fā)育，利于漿液擴(kuò)散，煤體自身承載力強(qiáng)，注漿效果最好。因此，最佳的注漿位置為20-55m范圍。

4.3 注漿效果

經(jīng)過注漿加固后，1307工作面回采順利。在通過100-230m的注漿區(qū)域時(shí)，工作面共發(fā)生小范圍的頂板事故8次，較初采期間頂板事故發(fā)生次數(shù)大幅減小，工作面頂板、煤壁基本穩(wěn)定，工作面能夠?qū)崿F(xiàn)正規(guī)循環(huán)作業(yè)，推進(jìn)速度提高45%。

5 結(jié)語

1）對(duì)綜采工作面進(jìn)行預(yù)注漿能有效降低大采高工作面因構(gòu)造引起的片幫冒頂事故。

2）在頂板發(fā)生冒頂?shù)倪^程中，煤壁的強(qiáng)度是關(guān)鍵的影響因素，決定了工作面能否對(duì)頂板形成有效的支護(hù)，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)煤體強(qiáng)度。

3）工作面預(yù)注漿應(yīng)選擇在工作面前方20-55 m的范圍內(nèi)。