晶鑫煤業(yè)3105殘煤復(fù)采工作面圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

茹道月

（山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)晶鑫煤業(yè)股份有限公司，山西 晉城048100）

1 工程概況

山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)晶鑫煤業(yè)股份有限公司3#煤層舊式開(kāi)采區(qū)主要位于井田的西南部和北東部，面積約2km2，占整個(gè)井田面積的40%左右，根據(jù)對(duì)復(fù)采區(qū)域煤層現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)并結(jié)合對(duì)舊式開(kāi)采的地質(zhì)資料可知，復(fù)采區(qū)域的大部分煤層的結(jié)構(gòu)為底部有0.8～1.0m厚的實(shí)體煤，其上部為冒落層，冒落層厚度為2.3～3.5m，松散煤體與完整煤體的平均煤厚為3.3m，煤層平均傾角為5°，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，煤層上方基本頂巖層為粉砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖，均厚1.1m。

3#煤層3105工作面為第一個(gè)復(fù)采試采面，工作面長(zhǎng)160m，順槽長(zhǎng)470/440m，工作面位置見(jiàn)圖1所示，工作面采用綜采放頂煤采煤工藝，采用ZF2800/16/24型液壓支架支護(hù)頂板，支架初撐力為1900kN，工作阻力為2800kN，工作面兩端頭采用ZFG3200/18/26型液壓支架，支架工作阻力為3200kN，上端頭和下端頭各布置3架，工作面區(qū)域端頭支架共計(jì)布置6架。由于工作面為舊式開(kāi)采區(qū)域，煤層頂板為冒落區(qū)域，頂板巖層松軟破碎，現(xiàn)為保障工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，進(jìn)行圍巖控制技術(shù)的分析。

2 破碎頂板應(yīng)力分布規(guī)律

為有效分析工作面回采作業(yè)時(shí)，破碎頂板的應(yīng)力分布規(guī)律，現(xiàn)采用RFPA數(shù)值分析系統(tǒng)，根據(jù)3105復(fù)采工作面的特征建立長(zhǎng)×高=110×30的數(shù)值模型，數(shù)值模型如圖2，模型采用二維平面應(yīng)變模型，模型劃分為550×150個(gè)單元，模型劃分為6個(gè)巖層，每個(gè)巖層的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。模型在左側(cè)開(kāi)挖，開(kāi)挖方向向右，每步開(kāi)挖0.6m，即3個(gè)單元，采高2.2m。在模型的上方給定一個(gè)3MPa垂直應(yīng)力來(lái)模擬100m的埋深。

表1 數(shù)值模型的力學(xué)參數(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出工作面回采作業(yè)時(shí)圍巖破壞特征如圖2。

圖2 工作面不同循環(huán)下回采破壞過(guò)程圖

分析圖2可知，由于礦山壓力的作用破碎巖體和巖塊之間有一定的凝結(jié)力，并被壓實(shí)，對(duì)上覆巖層起到一定的支撐作用；在整個(gè)復(fù)采過(guò)程中，冒落區(qū)內(nèi)的裂紋在不斷擴(kuò)大。當(dāng)整個(gè)冒落區(qū)內(nèi)形成較大的宏觀貫通裂紋時(shí)，上覆巖層將發(fā)生破壞；上覆巖層裂紋則沿水平方向發(fā)展，在工作面后方形成剪切破壞，工作面前方煤體的破壞以剪切破壞為主（第13循環(huán)）。

另外根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出回采作業(yè)下上覆巖層、冒落巖層和煤體中應(yīng)力分布特征如圖3。

分析圖3（a）可知，在冒落區(qū)下回采時(shí)，在冒落區(qū)發(fā)生失穩(wěn)破壞前，由于冒落層的存在，使其對(duì)應(yīng)力有一定的緩沖作用，上覆巖層中應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，應(yīng)力均值在3MPa左右，應(yīng)力值波動(dòng)不大。在冒落區(qū)發(fā)生失穩(wěn)破壞后，同樣由于冒落層的存在，上覆巖層中應(yīng)力集中現(xiàn)象亦不明顯，但應(yīng)力值波動(dòng)幅度增大，在1.5MPa～4MPa之間浮動(dòng)。

分析圖3（b）可知，冒落層中的應(yīng)力分布與上覆巖層中的應(yīng)力分布規(guī)律有一定的相似性，在冒落區(qū)發(fā)生失穩(wěn)破壞前，應(yīng)力均值在3.5MPa左右，應(yīng)力值波動(dòng)不大。在上覆巖層發(fā)生失穩(wěn)破壞后，應(yīng)力值波動(dòng)幅度較大，在1MPa～5MPa之間波動(dòng)。

分析圖3（c）可知，煤體中的應(yīng)力分布與上覆巖層及冒落層中的應(yīng)力分布規(guī)律有一定的相似性。在冒落區(qū)發(fā)生失穩(wěn)破壞前，應(yīng)力均值在3MPa左右，應(yīng)力值波動(dòng)不大。在冒落區(qū)發(fā)生失穩(wěn)破壞后，應(yīng)力值波動(dòng)幅度較大，在1MPa～6MPa之間波動(dòng)。

圖3 頂板巖層與煤體應(yīng)力分布曲線圖

基于上述分析可知，工作面在冒落區(qū)下復(fù)采時(shí)，由于冒落層的存在，使其對(duì)應(yīng)力有一定的緩沖作用，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，應(yīng)力值均有一定程度的波動(dòng)，但冒落區(qū)發(fā)生失穩(wěn)破壞后應(yīng)力值的波動(dòng)幅度更大。基于此可知，工作面回采期間應(yīng)盡量減小對(duì)上覆冒落層的擾動(dòng)，盡量減小采動(dòng)影響對(duì)冒落層的穩(wěn)定，降低工作面采高，工作面推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)采用“多進(jìn)度、小循環(huán)”的作業(yè)原則來(lái)控制工作面頂板和煤壁。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 控制方案設(shè)計(jì)

由于頂板破碎時(shí)的頂板管理是決定該礦能否連續(xù)、安全生產(chǎn)的決定性因素，因此，基于上述破碎頂板應(yīng)力分布規(guī)律分析結(jié)果，確定工作面破碎頂板區(qū)域采用穿設(shè)鋼釬+降低采高的圍巖控制技術(shù)，具體設(shè)置方案如下：

1）穿設(shè)鋼釬措施：在液壓支架頂梁與煤壁的交接處打設(shè)Φ35×3000mm的鉆孔，每臺(tái)液壓支架打設(shè)鉆孔2個(gè)，鉆孔間距為0.75m，鉆孔傾角為10～15°（向上），垂直煤壁布置，鉆孔施工完畢后及時(shí)穿入鋼釬，鋼釬規(guī)格為φ28×3000mm的圓鋼，為使得鋼釬對(duì)支架頂梁形成有效的支撐，設(shè)置鋼釬穿入煤壁后的外露20cm長(zhǎng)度，并在頂板區(qū)域鋪設(shè)鐵絲頂網(wǎng)以防止破碎頂板巖塊冒落。具體鋼釬布置形式如圖4所示。

在工作面進(jìn)行穿設(shè)鋼釬作業(yè)時(shí)，鋼釬穿入完畢后收回支架的伸縮梁，保障支架頂梁前端與鋼釬尾部保持5cm左右距離，隨后降低支架頂梁使其低于鋼釬的平面，再進(jìn)一步伸出支架的伸縮梁確保液壓支架拖住鋼釬。液壓支架每穿設(shè)一次鋼釬，工作面可推進(jìn)3-4刀，工作面回采推進(jìn)后確保鋼釬處于煤壁內(nèi)的長(zhǎng)度大于0.6m，工作面回采至鋼釬處于煤壁內(nèi)的長(zhǎng)度小于0.6m，進(jìn)一步進(jìn)行穿釬作業(yè)，穿釬完成后再進(jìn)行回采作業(yè)，如此循序漸進(jìn)。

圖4 工作面破碎頂板鋼釬布置示意圖

2）降低采高：基于上述數(shù)值模擬結(jié)果，現(xiàn)為減小回采動(dòng)壓對(duì)冒落層的影響，確保采高處于實(shí)體煤的高度內(nèi)，對(duì)采煤機(jī)的截割高度進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外為確保支架前移和伸縮頂梁伸出后能夠控制頂板煤矸不致冒落，結(jié)合穿設(shè)鋼釬措施的實(shí)施，能夠在一定程度上提升煤壁的穩(wěn)定性，減小工作面回采期間煤壁端面的滑幫冒落現(xiàn)象，綜合上述考慮可知，復(fù)采時(shí)工作面煤壁上松散體的高度越小越好，以不超過(guò)1.0m為宜，基于上述分析確定工作面采高≤2.2m，回采作業(yè)形式采用“多進(jìn)度、小循環(huán)”的原則，設(shè)置循環(huán)進(jìn)度為0.5m。

3.2 效果分析

3105復(fù)采工作面回采期間進(jìn)行液壓支架的工作阻力的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，工面不同區(qū)域液壓支架的工作阻力基本表現(xiàn)為相同的趨勢(shì)，現(xiàn)具體以25#液壓支架的工作阻力曲線進(jìn)行分析，如圖5。

圖5 工作面回采期間支架支護(hù)阻力曲線

分析圖5可知，工作面回采期間液壓支架的最大工作阻力為2792kN，占到額定工作的99.7%，平均工作阻力為2355kN，占到額定工作阻力的84.1%，基于此可知該回采期間該液壓支架處于正常工作狀態(tài)。另外根據(jù)工作面回采期間的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知，回采期間液壓支架無(wú)壓架現(xiàn)象出現(xiàn)，煤壁無(wú)大范圍的片幫現(xiàn)象出現(xiàn)，最大片幫深度為0.2m，最大片幫范圍為2m，故綜合上述分析可知，3105復(fù)采工作面采用穿設(shè)鋼釬+降低采高的圍巖控制技術(shù)保障了工作面回采期間的安全。

4 結(jié)論

根據(jù)3#煤層舊式開(kāi)采區(qū)的特征，結(jié)合3105工作面的具體參數(shù)，采用數(shù)值模擬具體分析工作面推進(jìn)通過(guò)破碎頂板區(qū)域時(shí)的應(yīng)力分布規(guī)律，確定工作面回采擾動(dòng)致使冒落層失穩(wěn)時(shí)會(huì)致使應(yīng)力變化程度較大；基于數(shù)值模擬結(jié)果，確定工作面破碎頂板采用穿設(shè)鋼釬+降低采高的圍巖控制技術(shù)，根據(jù)工作面回采過(guò)程中液壓支架工作阻力的監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，得出該圍巖控制技術(shù)保障了工作面回采期間的圍巖穩(wěn)定，保障了工作面的順利回采。