李村煤礦2302工作面過空巷頂板預裂卸壓技術研究

王 偉

(山西潞安化工集團 慈林山煤業有限公司李村煤礦,山西 長治 030600)

在我國,地下采礦在煤炭資源開采中占據較大比重,每年從地下礦井中開采30多億噸煤炭,為此,需要開鑿成千上萬公里的巷道。這些巷道在煤礦生產中發揮著重要作用。其中一些巷道在達到使用年限后會被廢棄,而后續開采工作面在開采過程中不可避免地會經過這些廢棄的巷道才能正常生產[1]。

工作面通過廢棄巷道的影響區時,會出現較強的地壓。頂板預裂是通過人工手段提前破除頂板,提前釋放和轉移頂板壓力,有效降低工作面的地壓強度。頂板預裂可以削弱頂板結構,形成有利于頂板塌陷的薄弱斷裂面,減少或消除頂板危害。

鑒于頂板預裂技術在地壓控制方面的優勢,本文以李村煤礦2302工作面過空巷為工程背景,通過理論分析和數值模擬,研究了不同頂板預裂距離下工作面通過廢棄巷道時的減壓效果。研究結果有利于為同類型礦井提供技術指導和理論支持。

1 工程概況

山西潞安化工集團慈林山煤業有限公司李村煤礦2302工作面開采煤層屬下二疊統山西組下部的3號煤層,2302工作面按煤層走向布置,可采長度977 m,切眼長272 m,可采面積263 502 m2,地面標高+947～+956 m,工作面標高+326.3～+380.3 m,工作面埋藏深度620.7～575.7 m.煤層傾角-7°～6°,平均傾角3°,煤層厚度1.6～5.45 m,平均4.8 m.該煤層賦存穩定,煤厚變異較小,煤層結構較簡單。煤體以黑色、塊狀為主,粒狀次之,亮煤為主,夾鏡煤條帶,煤質為貧煤。煤層頂底板情況如表1所示。

表1 煤層頂底板情況

2302工作面北部為二采區大巷,南部為村莊保護煤柱,西部設計為2301工作面(未開掘),毗鄰沖刷帶,東部為2303回采工作面(未回采)。工作面機尾側推進至770 m處(切眼內正規架編號137號～139號架間)揭露高抽巷巖巷段,繼續回采19 m后在工作面機尾至137號架揭露高抽巷煤巷段,如圖1所示,高抽巷煤巷段長25 m,凈寬×凈高=4.5 m×3.2 m.

圖1 2302工作面與廢棄巷道平面關系圖

工作面采用綜合機械化頂煤掘進方式。在2302工作面通過高抽巷的過程中,采用監測系統監測液壓支架工作阻力,監測結果如圖2所示。

圖2 液壓支架的最大工作阻力變化曲線圖

由圖2可知,廢棄巷道的存在對工作面液壓支架的工作阻力有很大影響。當工作面通過廢棄巷道的影響區時,由于頂板劇烈運動,液壓支架的工作阻力出現了兩次急劇增加。第一次強地壓發生時,液壓支架的工作阻力為2 824 kN;第二次強地壓發生時,液壓支架的工作阻力為3 656 kN,比液壓支架的額定工作阻力高21.8%,嚴重影響了液壓支架的工作狀態。

2 工作面過空巷礦壓解決方案

當工作面通過廢棄巷道的影響區時,頂板會產生劇烈運動,頂板斷裂會出現強大的礦壓,嚴重影響液壓支架的工作狀態。同時廢棄巷道的頂板斷裂時,頂板斷裂長度和頂板等效載荷層厚度都會增加,根據工作面通過廢棄巷道時的頂板斷裂特性,減少頂板斷裂長度是降低頂板斷裂的有效途徑。因此,在工作面通過廢棄巷道時,采用頂板預裂來控制頂板斷裂的礦壓。

考慮到頂板預裂的效率和成本,將頂板預裂鉆孔布置在廢棄巷道中,與采礦巷道或工作面的頂板預裂相比,不僅可以減少預裂孔的長度,而且不影響工作面的生產效率。為了減少對礦井圍巖的二次破壞,在廢棄巷道內頂板預裂采用水力壓裂法可以有效減少頂板吊掛長度,頂板等效載荷層厚度也相應減少。工作面礦壓可以提前釋放和轉移,強度也得以減弱。

3 數值分析

為研究工作面通過廢棄巷道時采用頂板預裂控制礦壓的效果,采用了FLAC3D數值研究了不同預裂距離下的工作面垂直應力和垂直位移特征,確定最佳的頂板預裂距離。

3.1 數值模型

根據李村煤礦2302工作面廢棄巷道的實際存在條件,由于平行廢棄巷道對工作面的地壓影響最大,對工作面通過平行廢棄巷道的研究可以為通過其他類型的廢棄巷道提供更好的指導,因此本次數值模擬選擇平行廢棄巷道進行研究。采用FLAC3D數值軟件建立三維模型,數值模型采用等效平面模型,長×寬×高=200 m×10 m×36.5 m,如圖3所示。左右邊界在X方向固定,前后邊界在Y方向固定,底部邊界在Z方向固定,上部邊界承受的等效載荷為7.0 MPa,頂板預裂采用水力壓裂法。

圖3 三維模型圖

3.2 不同頂板預裂距離下應力特征

根據現場經驗,頂板預裂的鉆孔角度選為45°,鉆孔高度為離廢棄巷道地面2.2 m.頂板預裂距離(工作面與廢棄巷道之間)分別為0 m(無預裂)、10 m、15 m、20 m、25 m和30 m.

不同頂板預裂距離下最大垂直應力的特征和不同頂板預裂距離下最大垂直應力隨工作面推進的變化特征如圖4、圖5所示。

圖4 不同頂板預裂距離下最大垂直應力的特征曲線圖

圖5 不同頂板預裂距離下最大垂直應力曲線圖

由圖4可知,頂板預裂可以有效降低工作面的地壓,對于不同的頂板預裂距離,工作面的最大垂直應力順序為:0 m>10 m>20 m>25 m>30 m>15 m.當頂板預裂距離為0 m時,最大應力集中系數為4.31;當頂板預裂距離為10 m時,最大應力集中系數為3.95,最大應力集中系數減少率為6.1%;當頂板預裂距離為15 m時,最大應力集中系數為3.58,最大應力集中系數減少率為14.6%;當頂板預裂距離為20 m時,最大應力集中系數為3.76,最大應力集中系數減少率為10.2%;當頂板預裂距離為25 m時,最大應力集中系數為3.75,最大應力集中系數減少率為10.6%.當頂板預裂距離為30 m時,最大應力集中系數為3.72,最大應力集中系數減少率為10.9%.其中最大應力減少率計算公式為:

由圖5可知,不同頂板預裂距離下最大垂直應力隨著工作面的推進先增加后減少。當頂板預裂距離為30 m、25 m、20 m時,頂板預分層后最大垂直應力會增加,最大垂直應力增加距離為12 m、7 m、2 m,這說明頂板預分層越早,工作面越早處于高垂直應力狀態。當頂板預裂距離為15 m時,頂板預裂后最大垂直應力將下降,工作面處于相對低的垂直應力狀態。當頂板預裂距離為10 m時,頂板預裂前最大豎向應力已處于較高水平,頂板預裂后最大豎向應力將急劇下降,其值約為15 MPa,這將給工作面的液壓支架帶來較大沖擊載荷,影響液壓支架的穩定性。

3.3 不同頂板預裂距離下位移特征

不同頂板預裂距離下最大垂直位移特征曲線如圖6所示。

圖6 不同頂板預裂距離下最大垂直位移特征曲線圖

由圖6可知,在工作面的推進過程中,頂板預裂明顯改變了最大垂直位移的特性,工作面最大垂直位移的順序為:0 m>10 m>20 m>25 m>30 m>15 m.當頂板預裂距離為0 m時,最大垂直位移為160 mm;當頂板預裂距離為10 m時,最大垂直位移為106 mm,最大垂直位移減少率為33.7%;當頂板預裂距離為15 m時,最大垂直位移為94 mm,最大垂直位移減少率為41.2%;當頂板預裂距離為20 m時,最大垂直位移為99 mm,最大垂直位移減少率為38.1%;當頂板預裂距離為25 m時,最大垂直位移為101 mm,最大垂直位移減少率為36.8%;而當頂板預裂距離為30 m時,最大垂直位移為98 mm,最大垂直位移減少率為38.7%.

4 結 語

根據李村煤礦2302工作面的開采和地質條件,通過理論分析和數值模擬,研究了不同頂板預裂距離下工作面通過廢棄巷道時地壓降低的效果。得出主要結論如下:

1) 由于工作面過空巷時嚴重影響了液壓支架的工作狀態,對此提出了在空巷中采用頂板水力壓裂進行卸壓的解決方案。

2) 頂板預裂可以有效降低工作面地壓的強度,當頂板預裂距離為15 m時,最大垂直應力和最大垂直位移均為最小,頂板預裂最大應力集中系數降低了14.6%,最大垂直位移降低了41.2%.

3) 通過數值模擬研究分析確定了頂板預裂鉆孔角度為45°,鉆孔離廢棄巷道地面2.2 m條件下,頂板預裂的最佳距離為15 m.