回坡底煤礦10#煤復(fù)采工作面頂板控制技術(shù)研究與應(yīng)用

李晨濤

（霍州煤電集團(tuán)汾河焦煤股份有限公司回坡底礦，山西 洪洞 041602）

0 引 言

受過(guò)去小煤窯破壞性開(kāi)采以及技術(shù)條件的限制因素，我國(guó)礦區(qū)遺留了大量?jī)?yōu)質(zhì)煤炭資源，如今隨著技術(shù)水平及設(shè)備水平的提高，通常對(duì)這些浪費(fèi)資源進(jìn)行復(fù)采。但是，在遺煤復(fù)采過(guò)程中，老窯遺留煤柱及采空區(qū)通常較不穩(wěn)定，對(duì)回采工作面推進(jìn)及支護(hù)影響極大，也有專家學(xué)者對(duì)此做了相應(yīng)研究[1-5]。本文以霍州煤電回坡底煤礦五采區(qū)10#煤復(fù)采工作面為研究背景，受過(guò)去小煤窯開(kāi)采其上分層的破壞影響，煤層再生頂板破碎，對(duì)回采支護(hù)影響較大，亟需采用合理有效的方法控制頂板下沉甚至垮落?，F(xiàn)采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，對(duì)工作面煤柱及老空區(qū)穩(wěn)定性做了詳細(xì)研究，并針對(duì)工作面過(guò)煤柱、過(guò)空巷時(shí)的頂板控制技術(shù)分別做了優(yōu)化研究，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用后，頂板變形量及煤壁片幫程度均得到了有效控制，從而可保證復(fù)采工作面穩(wěn)定、快速推進(jìn)。

1 工程概況

1.1 工作面特征

霍州煤電集團(tuán)回坡底煤礦10-501綜采工作面位于礦井井田東北部五采區(qū)556水平，工作面標(biāo)高566m～613m，地面標(biāo)高766m～912mm，工作面地面位于主副斜井工業(yè)廣場(chǎng)、大古村莊東北方向，地表為黃土梁垣地貌。地形最高點(diǎn)位于切巷上方（+912m），最低點(diǎn)位于工作面中部上方地面溝谷中（+766m），工作面蓋山厚度為160～290m。10-501工作面走向長(zhǎng)度1470m，傾向長(zhǎng)度250m，10-501工作面為東五采區(qū)首采面，井下位于556水平大巷保安煤柱以南，主副斜井工業(yè)廣場(chǎng)、大古村莊保安煤柱東北方向，工作面東鄰東五采區(qū)開(kāi)拓大巷保安煤柱，南部尚未布置工作面。

10-501工作面屬于10#煤復(fù)采，該煤層其上分層已部分采空，下分層少量采空，現(xiàn)遺煤復(fù)采工作面采用一次采全厚傾斜長(zhǎng)壁后退式采煤法，規(guī)定采高不大于3.0m，工作面循環(huán)進(jìn)度0.6m，切眼長(zhǎng)度230m，選用148架ZF6000/18/36型掩護(hù)式液壓支架和6架ZFG6000/20/34H型過(guò)渡支架，端頭選用單體柱配合π型梁支護(hù)，采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板。受過(guò)去小煤窯采掘破壞影響，破壞區(qū)煤層再生頂板破碎，對(duì)回采支護(hù)影響較大，10-501面掘進(jìn)過(guò)程中共揭露小窯破壞區(qū)36處，其中10-5011巷在掘進(jìn)過(guò)程中揭露的小窯破壞區(qū)富水性強(qiáng)，且破壞區(qū)煤層上覆一層0.2～0.5m厚黃泥偽頂，顯示此區(qū)域曾被地表雨水侵入。

1.2 煤層特征

10-501工作面回采10#煤層，該煤層厚度3.2～5.0m，煤層傾角 1°～5°，平均 2°，可采指數(shù)為1，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤層頂?shù)装鍘r性特征見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

2 上分層老空區(qū)與煤柱穩(wěn)定性分析

2.1 工作面頂板形態(tài)

如圖1所示，為10-501復(fù)采工作面上分層遺煤形態(tài)及工作面回采示意圖，可見(jiàn)，當(dāng)進(jìn)行10#煤下分層復(fù)采時(shí)，復(fù)采工作面頂板上方情況可大概歸納為兩類，即頂煤+老空區(qū)、頂煤+舊窯遺留煤柱。

圖1 10-501工作面回采示意圖

10#煤層下部遺煤為復(fù)采的主體煤層，其遺煤平均厚度4m左右，最大厚度5m，該煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層傾角較小，屬于近水平煤層。由于頂部煤層部分采空，現(xiàn)造成復(fù)采采場(chǎng)局部煤層疏松、潮濕，局部含矸石1-2層，矸石厚度0.1～0.3m；同時(shí)，再生頂板破碎不穩(wěn)定，回采支護(hù)難度較大，圍巖控制效果不佳。

2.2 老空區(qū)圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

為了解復(fù)采工作面上方老空區(qū)跨度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，建立100×100×30m（長(zhǎng)×寬×高）的FLAC3D模型，模型X軸方向?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向，Y軸為工作面長(zhǎng)度布置方向，限制模型水平垂直位移，并施加合理覆巖載荷，分別模擬老空區(qū)跨度10m、20m、25m、30m，依據(jù)模擬結(jié)果的圍巖塑性區(qū)分布特征分析圍巖穩(wěn)定性，如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)老空區(qū)跨度從10m增加到20m時(shí)，底板和兩幫圍巖塑性破壞程度逐漸增大，但頂板基本能夠保持穩(wěn)定；當(dāng)老空區(qū)跨度由20m增加到30m時(shí)，頂板破壞程度明顯增加，且兩底角破壞程度也較為明顯，塑性區(qū)分布與20m跨度前形成鮮明的對(duì)比；從圖2（d）中可看出，此時(shí)圍巖已經(jīng)嚴(yán)重破壞，老空區(qū)頂板已完全垮落。

圖2 不同跨度老空區(qū)下圍巖塑性區(qū)分布

2.3 遺留煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

應(yīng)用上文建立的模型，模擬老空區(qū)跨度為20m時(shí)，遺留煤柱寬度分別為10m、12m、14m、16m時(shí)煤柱的穩(wěn)定性。

如圖3為不同煤柱寬度下的圍巖塑性區(qū)分布特征，隨著煤柱寬度的不斷加大，煤柱下邊緣兩側(cè)的塑性破壞區(qū)范圍逐漸減小，煤體屈服破壞有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；當(dāng)煤柱寬度大于14m時(shí)，煤柱邊緣側(cè)仍在發(fā)生塑形變形，但煤柱基本可保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 不同寬度煤柱下圍巖塑性區(qū)分布

3 工作面回采頂板控制技術(shù)

3.1 工作面過(guò)煤柱頂板控制技術(shù)

在10-501復(fù)采工作面向前推進(jìn)通過(guò)上方老窯煤柱時(shí)，由于采動(dòng)影響和圍巖條件，煤柱和工作面頂板均會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中明顯現(xiàn)象，加之復(fù)采工作面本身頂板破碎不易控制，所以需采取實(shí)際有效的方法應(yīng)對(duì)應(yīng)力集中問(wèn)題，現(xiàn)根據(jù)煤柱穩(wěn)定性分析結(jié)果及工程現(xiàn)場(chǎng)考察，采用以下綜合方式：

1）超前探測(cè)。在現(xiàn)場(chǎng)借助可用探測(cè)工具，采用物探、鉆探等技術(shù)手段，對(duì)復(fù)采工作面預(yù)采前方煤體和老空區(qū)賦存狀態(tài)進(jìn)行提前勘探分析，并評(píng)價(jià)其賦存穩(wěn)定性，以防止回采過(guò)程中煤柱突然失穩(wěn)或老空區(qū)坍塌對(duì)工作面帶來(lái)影響。

2）煤柱預(yù)爆技術(shù)。針對(duì)老窯遺留煤柱體范圍內(nèi)的高應(yīng)力集中現(xiàn)象，在復(fù)采工作面推進(jìn)過(guò)程中，為防止老窯遺留煤柱突然性失穩(wěn)，可預(yù)先采用對(duì)工作面前方煤柱超前爆破松動(dòng)的措施，從而可完成預(yù)先卸壓，有效減弱工作面頂板上方整體煤巖結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)強(qiáng)度，降低應(yīng)力集中對(duì)工作面的破壞影響。

3）頂板支護(hù)。在10-501回采工作面完成割煤、移架、推溜工序后，需對(duì)工作面頂板進(jìn)行及時(shí)支護(hù)。在上文數(shù)值模擬過(guò)程中，除了對(duì)煤柱寬度影響下的塑性區(qū)變化進(jìn)行了分析外，還對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程中的煤柱體應(yīng)力變化進(jìn)行了總結(jié)，如圖4。可知，工作面回采過(guò)程中，應(yīng)保證足夠的支護(hù)強(qiáng)度及控頂距，同時(shí)需減小頂板裸漏面積，必要時(shí)采取臨時(shí)支護(hù)措施，對(duì)破碎冒落處頂板進(jìn)行充填或注漿。

圖4 煤柱體應(yīng)力分布情況

3.2 工作面過(guò)空巷頂板控制技術(shù)

1）選擇合適采高和控頂距離。工作面過(guò)空巷時(shí)，工作面與空巷貫通使得空頂范圍增加，為防止冒頂事故發(fā)生，應(yīng)適當(dāng)降低采高和控頂距緩解頂板下沉，由回采經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算得知，工作面采高不得忽高忽低，應(yīng)嚴(yán)格控制在2.5m左右，最大控頂距5325m，最小控頂距4725m。

2）選擇合適初撐力。復(fù)采煤層中頂板以護(hù)為主，保證支架頂梁平直，支架初撐力平均不小于2MPa，局部支架可以為零。

3）更改端頭支護(hù)形式。使用單體柱直接支護(hù)棚梁并使用木楔子楔牢。

4）高水速凝材料充填空巷。高水速凝材料具有一定的抗壓強(qiáng)度，在受壓時(shí)可產(chǎn)生較大的塑性變形空間，并擁有持續(xù)較久的抗壓強(qiáng)度，利用此材料填充老空區(qū)可有效增強(qiáng)其抗壓強(qiáng)度、降低其流變性能，從而阻止采場(chǎng)頂板下沉垮落。此外，該充填材料使用方便，填充操作簡(jiǎn)單，成本較低。

4 應(yīng)用效果分析

在10-501復(fù)采工作面應(yīng)用上文頂板控制技術(shù)方案后，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，利用頂板離層儀、激光測(cè)距儀分別監(jiān)測(cè)頂板、兩幫位移變形，共布置三組測(cè)站。其中，1#、2#測(cè)站布置在運(yùn)輸巷距切眼40m（煤柱）、80m處（空巷），3#測(cè)站布置在回風(fēng)巷距切眼50m處，頂板離層監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制成曲線如下圖5所示。可見(jiàn)，在復(fù)采工作面采動(dòng)影響下，頂板淺基點(diǎn)離層變化明顯，但值很小，最大離層值不到7mm，且深基點(diǎn)未發(fā)生離層。

據(jù)以上監(jiān)測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，未發(fā)現(xiàn)有明顯的頂板垮落、片幫事故發(fā)生，說(shuō)明頂板控制技術(shù)效果良好，可保證復(fù)采工作面穩(wěn)定，快速推進(jìn)。

圖5 頂板離層監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 論

1）老空區(qū)穩(wěn)定性與老空區(qū)跨度呈正相關(guān)，遺留煤柱穩(wěn)定性與煤柱寬度呈正相關(guān)；

2）當(dāng)老空區(qū)跨度小于20m時(shí)，圍巖塑性區(qū)分布較小，跨度大于20m時(shí)，老空區(qū)頂板塑性區(qū)范圍明顯增加；

3）當(dāng)煤柱寬度小于14m時(shí)，煤柱邊緣側(cè)塑性區(qū)分布較大，當(dāng)寬度大于14m時(shí)，煤柱邊緣側(cè)塑性區(qū)范圍增加不再明顯，煤柱基本保持穩(wěn)定；

4）優(yōu)化頂板控制技術(shù)可保證采場(chǎng)及回采巷道圍巖位移量控制在較小范圍之內(nèi)，從而達(dá)到復(fù)采工作面穩(wěn)定、快速推進(jìn)的目的。