大傾角綜放采場遺留頂煤運移規律及防滅火技術*

盧樹德,解盤石,孫明福,鄧 軍,胡博勝,張 波

(1.甘肅靖遠煤業集團有限責任公司,甘肅 白銀 730900;2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室,陜西 西安 710054;3.西安科技大學 能源學院,陜西 西安 710054;4.西安科技大學 安全科學與工程學院,陜西 西安 710054)

0 引言

大傾角煤層是指埋藏傾角為35°～55°的煤層,屬于典型的復雜難采煤層[1]。在中國四川、新疆、甘肅等礦區,50%以上礦井開采大傾角煤層,而在山東、河北、安徽等中東部地區,隨著賦存條件“優越”的煤炭資源日益減少,大傾角煤層的安全高效開采成為亟需解決的重大工程問題[2]。

近年來,廣大學者采用理論分析、數值計算、物理模擬以及現場實測等方法對大傾角綜放開采過程中礦壓顯現特征[3-4]、放煤工藝[5-7]、工作面覆巖運移規律[8-11]、頂煤破碎機理及運移規律[12-15]等問題開展了研究,極大地改善了該類煤層開采現狀。但是綜放開采與一次采全高相比其采出率較低,遺留在采空區內的煤量較多,且綜放采場煤層厚度大,頂板垮落及裂隙發育范圍更加廣泛,極易漏風引發煤體自然發火,嚴重威脅人員安全和制約礦井經濟效益。因此,亟需開展大傾角綜放采場遺留頂煤運移及裂隙發育規律研究。

以王家山中二401工作面為工程背景,采用物理模擬與數值模擬相結合的方法,對大傾角綜放采場遺留頂煤運移及裂隙發育規律進行研究,針對性提出此類采場防滅火技術與措施,為大傾角綜放開采實踐提供工程指導。

1 工程背景

王家山煤礦中二401綜放工作面煤層呈單斜構造,走向長度375 m,傾向長度112 m,所開采的4號煤層平均厚度8.4 m,采放比為1∶2.3,采高2.6 m,放煤高度5.8 m。煤層平均傾角45°,以半暗煤為主,半亮煤次之,瀝青光澤,條帶狀結構,膠結松散;直接頂為粉砂巖,厚度8.5 m;基本頂為細砂巖,厚度21.2 m;直接底為粉細砂巖,厚度1.5 m,基本底為粗砂巖,厚度20 m。地層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 地層綜合柱狀Fig.1 Comprehensive histogram of strata

2 遺留頂煤運移及堆積特征

2.1 物理相似模型設計

為系統地研究大傾角綜放采場遺留頂煤在采空區內的運移規律和堆積狀態,以及煤層開采后圍巖裂隙的發育情況,采用物理相似模擬實驗能夠直觀地觀察現象發生的整個過程,對實驗數據的記錄也較為便捷。

因此,根據中二401工作面生產技術條件以及巖石力學實驗結果,選用2 150 mm×200 mm×1 800 mm(長×寬×高)的平面模型裝置,相似材料配比見表1,為模擬未能采出的煤層在采空區的運移及堆積狀態,將煤層頂部20 mm厚的煤層作為遺留頂煤,使其在開采過程中不隨頂煤一同放出。實驗前,在模型表面沿煤層走向共布置了14排測點,其中第一排布置在模擬的遺留頂煤上,采用光學全站儀對工作面推進過程中模型表面測點坐標進行監測,計算測點的水平位移和垂直位移,采用Surfer軟件對位移變化繪制出云圖,對遺留頂煤及覆巖的運移及堆積特征進行研究。模型如圖2所示。

表1 相似材料配比Table 1 Ratio of similar materials

圖2 物理相似模型Fig.2 Physical similarity model

2.2 頂煤及覆巖變形破壞規律

工作面沿著傾斜方向上行開采,由于開采空間不斷擴大,頂板巖層懸露跨度增加,逐步發生離層、斷裂、回轉,隨著工作面向前推進,由于部分頂煤未能采出,遺留在采空區后向傾斜下方滑移。頂板巖層斷裂回轉的運動空間不斷增大,巖塊失去支撐作用而向回采空間垮落,垮落后覆蓋于遺留頂煤上方。開采過程覆巖共產生4次垮落,隨著傾斜下部區域充填體對頂板的約束能力增強,下部發生回轉鉸接,上部頂板破斷向下堆積,整體呈“馬鞍形”的堆積形態,最終垮落高度為34.6 m,其范圍影響至3號煤,在采空區上部形成與3號煤層貫通的懸空空間。遺留頂煤會隨著采出的煤層一同破碎,在直接頂的垮落下逐漸被覆蓋,因此在采空區內形成“頂煤-直接頂-頂煤”交替堆積形態,采空區留煤量沿傾斜方向呈現出下部區域大于中上部區域的現象,如圖3所示。

圖3 工作面布置及覆巖垮落Fig.3 Working face layout and overburden rock caving

2.3 覆巖運移特征

煤層開采后,采場頂板不僅發生了垂直巖層方向的下沉,同時也沿傾斜方向向下運移,如圖4所示。

圖4 覆巖位移云圖Fig.4 Overburden rock displacement nephogram

由水平位移云圖(a)可知,遺留頂煤運移最為明顯,且傾斜中下部位移量大于上部區域,最大位移為0.24 m。工作面傾斜中下部覆巖較上部覆巖水平位移變化較大,沿層位越往上,覆巖水平位移量越小。由垂直位移云圖(b)可以看出,傾斜中部與上部遺留頂煤的垂直位移量較大,且中部大于上部,最大垂直位移為0.36 m。分析可知,遺留頂煤在采空區內的堆積分布不均勻,傾斜下部堆積量大于傾斜中上部,由于采空區內矸石的非均勻性充填,傾斜上部存在懸空空間,垮落頂板有較大的活動范圍,因此傾斜上部覆巖的垂直位移量明顯大于中下部。

3 覆巖運移及裂隙發育規律

物理模擬實驗會受到模型尺寸及觀測條件的限制,而數值模擬實驗能夠不受邊界效應的影響,且可重復實驗并對模型進行可視化觀測,其中基于“拉格朗日算法”的3DEC軟件適合多塊體的系統運動和非線性大變形的模擬計算,更利于對大傾角綜放工作面在開挖過程中遺留頂煤的運移及堆積規律進行分析。

3.1 數值計算模型建立

根據甘肅靖遠煤電股份有限公司王家山煤礦中二401工作面實際情況,利用3DEC數值模擬軟件建立模型如圖5所示。

圖5 三維數值計算模型Fig.5 Three-dimensional numerical calculation model

模型215 m×200 m×180 m(長×寬×高),塊體數15 617,節理面數163 669,為了降低邊界效應對模擬實驗的影響,在模型走向方向上留有50 m的邊界煤柱,在模型的x、y方向兩側以及z方向底部施加位移約束,煤層實際平均埋深680 m,由于數值模擬模型尺寸限制,上覆580 m巖層通過施加載荷來模擬。在工作面的傾向上部、中部及下部分別布置測線,用于監測遺留頂煤、直接頂及基本頂的位移及應力狀態,以更好地分析模型不同推進度時整個采場空間的運動狀態以及裂隙發育擴展情況,在模擬實驗中取塊體之間相對位移大于0.2 m時,認為其圍巖中形成裂隙。

3.2 覆巖垮落及裂隙擴展分析

由不同推進度下覆巖垮落及裂隙擴展規律可知,在開采過程中,遺留頂煤率先滑落,堆積于工作面傾向下部,如圖6所示。

圖6 不同推進度下覆巖垮落及裂隙擴展規律Fig.6 Overburden rock caving and crack propagation law under different advance speeds

當工作面推進30 m時,直接頂發生垮落,垮落矸石沿底板向下滑移,遺留頂煤隨直接頂的垮落被完全覆蓋,隨著工作面的推進,遺留頂煤與直接頂相繼垮落堆積,在傾斜中下部充填密實,上部形成懸空空間。未能采出的頂煤隨直接頂滑落、擠壓,形成“頂煤-直接頂-頂煤”交替堆積形態,與物理模擬實驗一致。此時低位直接頂產生裂隙,裂隙發育高度距煤層底板22.1 m。工作面推進60 m時,低位基本頂之間產生離層,傾向中下部區域矸石充填較滿,破斷的基本頂巖塊形成穩定的鉸接結構,下沉、回轉量均較小,傾斜上部區域頂板運動空間較大,彎曲、回轉明顯,此時覆巖裂隙繼續向上發育,距底板29.1 m。工作面推進90 m時,由于傾斜上部的懸空空間逐漸增大,上覆頂板受垮落矸石的約束作用逐漸減小,離層擴大進而發生破斷,此時上覆巖層的采動裂隙已發育至3號煤層,使得采空區與3號煤貫通,為風流形成通路,使3號煤自燃成為可能,因此,對3號煤的防滅火也尤為重要。

3.3 采動應力演化規律

由于工作面開采帶來的擾動,上覆巖層的采動應力發生了顯著變化。由于遺留頂煤在煤層開采時一同破碎,且在傾斜中下部區域較先發生破斷,其應力變化為中下部大于上部。直接頂隨采隨落,同時受上覆垮落頂板的擠壓滑移作用,遺留頂煤與中下部直接頂所受力變化較為無序。在推進距離為60 m左右時,各巖層應力變化顯著,可以得出此時工作面發生初次來壓。從基本頂受力可以發現,應力大小呈現上部>中部>下部,由采空區垮落矸石非均勻性充填導致其不同區域應力演化規律不同,最大垂直應力為4.1 MPa。3號煤層中下部隨著開采的進行,應力也產生較大突變,表明裂隙發育影響到了3號煤層,如圖7所示。

圖7 不同區域采動應力演化規律Fig.7 Evolution law of mining stress in different regions

3.4 覆巖位移演化規律

煤層開采改變了圍巖原有的應力狀態,促使圍巖產生變形破壞并向已成空間位移。由位移曲線可知,在工作面推進過程中,遺留頂煤與直接頂中下部最先發生斷裂,采空區沒有了矸石的約束,遺留頂煤與直接頂有較大的滑移空間,遺留頂煤與直接頂的垂直位移量約為6.5 m,由于傾斜中下部矸石的堆積程度增加,上部直接頂垮落后其垂直位移逐步減小。受矸石的非均勻性充填,基本頂最先由上部開始破斷,中下部直接頂位移受周期來壓變化顯著,且上部位移量大于中下部,最大位移為15 m。3號煤在隨工作面的推進位移也發生突變,表明裂隙發育影響至3號煤,但其位移量較小,為0.045 m,總體趨勢為中下部大于上部,如圖8所示。

圖8 不同區域覆巖位移演化規律Fig.8 Displacement evolution law of overburden rock in different regions

4 大傾角綜放采場“兩階段”防滅火技術

通過物理相似模擬實驗和數值模擬實驗結果分析可知,采空區內遺留頂煤量多,采場圍巖裂隙發育范圍廣是大傾角綜放采場的特點,也是導致采空區內自然發火的重要原因。因此,結合工作面開采條件以及防滅火技術現狀,提出采場的“兩個階段”防滅火技術措施,以保證工作面防滅火安全。

4.1 開采階段防滅火措施

4.1.1 架后注漿管路鋪設

工作面每推進15 m(不超過15 m)需鋪設一趟預埋管路,管路延接煤巖接茬處(工作面15 m基本架處),架后預埋管路以一趟10 cm管路、兩趟6.67 cm管路順遞預埋且必須與回風順槽內13.32 cm主灌漿管路接通,并安設控制閥門,上隅角轉彎處必須采用與架后預埋管路相匹配的鋼管彎頭連接。每隔10副支架安設一個出漿三通,便于采空區全面灑漿。對高壓管路延接處采用道木對管路進行防護處理(管路兩側分別固定道木),高壓管路與10 cm管路連接處在管路下方鋪設煤袋。采用道木配合煤袋對工作面上口管路上下兩側進行防護,防止管路進入采空區后受壓斷裂,管口末端采用道木分別防護(管路兩側各固定一根道木),要求綜放隊在移架和移后溜時必須保護好預埋管路,嚴禁拉斷。上隅角預埋管路進入采空區20 m后、架后預埋管路進入采空區10 m后實施灌漿,嚴格控制灌漿時長,觀察好脫水情況,防止泥漿滿溢到工作面。要求每班灌漿前必須利用清水沖洗輸漿管路30 min,灌漿結束后再次利用清水沖洗輸漿管路30 min,以免泥漿沉淀在管內堵塞。

4.1.2 防滅火鉆孔布置

如圖9所示,分別在中二401工作面的運輸順槽與回風順槽內施工防滅火鉆孔,其中運輸順槽內鉆場位于煤幫后退25 m處,回風順槽鉆場位于F23測點向西7 m處,鉆孔參數見表2。施工時必須按設計參數放線施工,要求采用經緯儀進行現場放線,施工過程中嚴格檢查鉆孔中的氣體情況,發現異常,立即停止打鉆作業,在鉆孔施工到位后插入6.67 cm鋼管,防止塌孔,插管后與主注漿管路連通,及時實施注漿措施。

表2 防滅火鉆孔參數Table 2 Fire prevention drilling parameters

4.2 采后階段防滅火措施

工作面推進后,采用全部垮落法處理采空區,工作面后方的巷道沒有被保留,想要通過回采巷道對采過一段時間后的采空區進行防滅火變得極其困難。因此,在不同需要的時期可選擇在1360西大巷內不同位置布置鉆場,向南打防滅火鉆孔延伸至中二401采空區內,對采空區注漿以達到防滅火的目的,鉆孔參數見表3。

表3 1360西大巷防滅火鉆孔參數Table 3 1360 west large roadway fire prevention drilling parameters

在鉆孔施工前必須疏通1360西大巷水溝,施工過程中鉆孔流出的水由水溝排出,鉆孔施工到位后插入6.67 cm鋼管,防止塌孔,插管后于主注漿管路連通,及時實施注漿措施。如圖10所示。

圖10 1360西大巷鉆孔施工示意Fig.10 Schematic diagram of 1360 west large roadway drilling construction

5 結論

(1)通過實驗揭示大傾角綜放采場遺留頂煤破碎和運移特征,此類采場遺留頂煤的破壞和運移具有明顯的非對稱特征,其中工作面傾斜方向中下部的頂煤應力與位移量均大于傾斜方向上部。

(2)定量表征大傾角綜放采場采空區遺留頂煤的分布規律。沿工作面傾斜方向,遺留頂煤在采空區內呈現“頂煤-直接頂-頂煤”交替堆積形態,傾斜下部堆積量大于傾斜中上部。

(3)大傾角綜放采場圍巖裂隙發育范圍廣,遺留頂煤量多,針對遺煤特征綜合提出此類采場的“兩階段”防滅火技術措施。即開采階段打超前鉆孔,對支架后方鋪設注漿,采后階段在鄰近工作面向采空區打防滅火鉆孔并注漿,達到了良好的防滅火效果,保證了工作面安全高效生產。