大采高綜采工作面回撤通道臨斷層圍巖控制技術(shù)研究

卓俊勇，朱濤濤，王 鵬

(1.山東能源棗礦集團(tuán)付村煤業(yè)有限公司，山東 微山 277605；2.山東能源棗礦集團(tuán)滕東煤礦，山東 滕州 277522；3.新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091)

液壓支架的回撤是綜采工作面回撤的收尾環(huán)節(jié)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)也是最困難的環(huán)節(jié)，直接影響工作面搬家速度以及工作面接續(xù)[1，2]。回撤通道圍巖控制問題是回撤技術(shù)方案的重中之重，能否保持頂板及兩幫完整性、穩(wěn)定性直接關(guān)系到工作面回撤的成敗[3，4]。呂坤等[5]分析了特厚煤層回撤通道圍巖變形破壞特征，堅(jiān)持主控“頂板和煤柱幫”的護(hù)巷原則，提出了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。楊仁樹等[6]通過研究基本頂不同斷裂位置對回撤通道的影響，確定了合理的回撤通道位置，并堅(jiān)持“頂幫協(xié)同控制”的原則，提出了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。呂華文、劉勇等[7，8]提出了影響回撤通道穩(wěn)定性的剩余煤柱力學(xué)模型，揭示了剩余煤柱動(dòng)態(tài)力學(xué)變化特征。李興華等[9]采用數(shù)值模擬研究了巷道圍巖變形特征，在滿足巷道支護(hù)強(qiáng)度的要求下，提出了具體的巷道支護(hù)優(yōu)化方案。秦忠誠等[10]通過理論分析與現(xiàn)場實(shí)測測得原讓壓位置無需停采讓壓措施，提出了直接推進(jìn)即可實(shí)現(xiàn)工作面的快速貫通和支架的安全回撤。大多關(guān)于回撤通道的研究成果未受斷層的影響，對回撤通道臨近斷層的研究較少[11-13]。根據(jù)工作面地質(zhì)條件不同，現(xiàn)有的綜采工作面回撤技術(shù)主要有無預(yù)掘回撤通道技術(shù)、預(yù)掘雙回撤通道技術(shù)和預(yù)掘單一回撤通道技術(shù)[14-16]。本文以付村煤業(yè)為例，采用預(yù)掘單一回撤通道方案對回撤通道臨近斷層的圍巖控制技術(shù)進(jìn)行研究。

1 地質(zhì)概況

付村煤業(yè)3上1007工作面位于二疊系山西組3上煤層，煤層厚度5.35～5.77m，平均5.5m，煤層傾角5°～9°，平均7°，結(jié)構(gòu)簡單；f=1.5～2.2；屬中硬煤層。3上1007工作面煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育，性脆。根據(jù)頂板探查孔資料顯示，工作面頂板基巖厚度70～100m，停采線附近自下而上巖層賦存情況：偽頂為泥巖，厚度0.3m，隨采隨冒；直接頂為粉砂巖，厚度5.0m；基本頂為中砂巖，硅質(zhì)膠結(jié)，厚度約10m；細(xì)砂巖9.0m，硅質(zhì)膠結(jié)；中粒砂巖，硅質(zhì)膠結(jié)，厚度約1.9m。本工作面回采巷道共揭露斷層13條，其中工作面運(yùn)巷揭露落差為10m的F7正斷層斜交工作面，對工作面中后段回采造成較大影響。其他斷層，因落差較小、斷線較短，對回采影響不大。3上1007工作面終采線、F7正斷層及預(yù)掘回撤通道位置如圖1所示。

圖1 3上1007工作面終采線、斷層及預(yù)掘回撤通道示意圖

2 動(dòng)壓影響下回撤通道與斷層面不同煤柱寬度的數(shù)值模擬

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析工作面回采對回撤通道與斷層面不同煤柱寬度下，回撤通道兩幫的應(yīng)力及通道變形量的影響，為回撤通道位置的選取以及支護(hù)方式選擇、支護(hù)參數(shù)確定提供參考。

2.1 模型建立

本次數(shù)值模擬以付村煤業(yè)3上1007工作面為計(jì)算模型，數(shù)值模擬模型如圖2所示。模型長×寬×高=130m×40m×40m，共192000個(gè)單元。撤架通道斷面為4m(寬)×3.5m(高)。根據(jù)計(jì)算模型的實(shí)際賦存條件，上部邊界條件為應(yīng)力邊界條件，均勻分布載荷，即q=∑γh=15.8MPa。下部邊界條件為底板，在X方向可以運(yùn)動(dòng)，Y方向?yàn)楣潭ㄣq支座，即v=0。兩側(cè)邊界條件均為實(shí)體煤巖體，在Y方向可以運(yùn)動(dòng)，X方向?yàn)楣潭ㄣq支座，即μ=0。各巖層的摩擦角和黏聚力及相關(guān)力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 數(shù)值模擬模型

表1 圍巖參數(shù)表

本次數(shù)值模擬共有三套方案，分別開挖距斷層面為1、3、5m的巷道，采用相同的支護(hù)方法以及同樣回采方法，分析工作面回采對不同煤柱寬度的影響，為回撤通道到斷層面距離選取提供一定依據(jù)。相同的回采方法就是在回撤通道開挖完成后，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算直至平衡，然后開始進(jìn)行工作面回采，具體方法是：在距回撤通道80m處進(jìn)行回采，推進(jìn)距離依次為80m、60m、40m、20m、10m、5m，共分為6個(gè)步驟；在計(jì)算的過程中對回撤通道兩側(cè)的煤體內(nèi)及頂?shù)装逶O(shè)置四條測線監(jiān)測煤巖體內(nèi)豎直應(yīng)力以及位移的變化。

2.2 巷道開挖后巷道表面變形情況

未受采動(dòng)影響時(shí)，回撤通道距離斷層1m、3m、5m時(shí)的圍巖變形量如圖3所示。

1)開挖回撤通道，分別距斷層面1、3、5m，分析巷道圍巖變形量情況。

2)在距回撤通道80m處進(jìn)行回采，推進(jìn)距離依次為80m、60m、40m、20m、10m、5m，共分為6個(gè)步驟；在計(jì)算的過程中對回撤通道兩側(cè)的煤體內(nèi)及頂?shù)装逶O(shè)置四條測線監(jiān)測煤巖體內(nèi)位移的變化。

從圖3可以看出，在未受工作面回采動(dòng)壓影響條件下，回撤通道開挖后，隨時(shí)間推移，巷道表面收斂逐漸增大，并最后趨向于平衡。具體回撤通道最大變形量見表2。

圖3 未受采動(dòng)影響回撤通道變形量

表2 回撤通道表面收斂最大變形量

從表2可以看出，回撤通道隨著距離斷層越遠(yuǎn)，巷道變形量逐漸變小，在距離斷層1m掘進(jìn)回撤通道時(shí)變形最大，頂板為20.2mm，底板為22.7mm，回采側(cè)幫部17.7mm，非回采側(cè)幫部19.1mm?？傮w來說，未受采動(dòng)影響下，巷道變形量在可控范圍內(nèi)，浮動(dòng)不大。

受工作面回采擾動(dòng)影響時(shí)，回撤通道距離斷層1m、3m、5m時(shí)的圍巖變形情況如圖4所示。

圖4 受采動(dòng)影響回撤通道變形量

從圖4看出，在受工作面回采動(dòng)壓影響條件下，隨工作面推進(jìn)，巷道表面收斂逐漸增大。具體回撤通道最大變形量見表3。

表3 回撤通道表面收斂最大變形量

從表3可以看出，受工作面開采擾動(dòng)影響時(shí)，回撤通道圍巖變形量顯著增大，距離斷層越近，巷道圍巖變形量越大，底板變形量大于頂板下沉量，非回采側(cè)幫部變形量大于回采側(cè)。因回撤巷道底板、非回采側(cè)距離斷層更近，說明受工作面采動(dòng)與斷層聯(lián)合作用下對巷道圍巖變形影響更大。距離斷層1m時(shí)巷道變形量大于距離斷層5m與3m時(shí)巷道變形量，且距離斷層1m時(shí)，巷道變形量逐漸變大，有失穩(wěn)趨勢。距離斷層3m與5m巷道變形量，變化不大，且在可控范圍之內(nèi)，而距離斷層3m掘進(jìn)回撤通道，能多回收2m煤柱。

2.3 回撤巷道水平應(yīng)力情況

2.3.1 距離斷層1m回撤通道水平應(yīng)力變化情況

距離斷層1m回撤通道水平應(yīng)力變化情況如圖5所示，從圖5可以看出，集中應(yīng)力區(qū)域主要集中在巷道非回采側(cè)，隨著工作面的推進(jìn)，巷道受到的水平應(yīng)力逐漸增加。當(dāng)工作面距離回撤通道5m時(shí)，巷道右上角受到的垂直應(yīng)力達(dá)到30～40MPa。集中應(yīng)力區(qū)域距離巷道較近，約2m范圍，斷層對回撤通道影響較大。

圖5 距離斷層1m回撤通道水平應(yīng)力變化情況

2.3.2 距離斷層3m回撤通道水平應(yīng)力變化情況

距離斷層3m回撤通道水平應(yīng)力變化情況如圖6所示，從圖6可以看出，集中應(yīng)力區(qū)域主要集中在巷道非回采側(cè)，隨著工作面的推進(jìn)，巷道受到的水平應(yīng)力逐漸增加，當(dāng)工作面距離回撤通道5m時(shí)，巷道右上角受到的垂直應(yīng)力達(dá)到20～30MPa。集中應(yīng)力區(qū)域距離巷道較近，約5m范圍。

圖6 距離斷層3m回撤通道水平應(yīng)力變化情況

2.3.3 距離斷層5m回撤通道水平應(yīng)力變化情況

距離斷層5m回撤通道水平應(yīng)力變化情況如圖7所示，從圖7可以看出，集中應(yīng)力區(qū)域主要集中在巷道非回采側(cè)，隨著工作面的推進(jìn)，巷道受到的水平應(yīng)力逐漸增加，當(dāng)工作面距離回撤通道5m時(shí)，巷道右上角受到的垂直應(yīng)力達(dá)到10～20MPa。集中應(yīng)力區(qū)域距離巷道較近，約12m范圍，斷層對回撤通道影響較小。

圖7 距離斷層5m回撤通道水平應(yīng)力變化情況

綜上所述，在受采動(dòng)影響，距離斷層3m掘進(jìn)回撤通道時(shí)，巷道受工作面回采動(dòng)壓影響較小，巷道變形量在可控范圍內(nèi)，對比距離斷層面5m，能多回收2m煤柱約3000t煤炭，實(shí)現(xiàn)了安全效益最大化。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

巷道采取錨網(wǎng)梯(索)支護(hù)，巷道寬度為4200mm，凈寬為4000mm；巷道高度為3100mm，凈高為3000mm。頂部安設(shè)Φ18mm×2200mm的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿5根，錨桿間排距為850mm×900mm，錨桿間用梯子梁相連，梯子梁100mm×4000mmm；每幫支設(shè)Φ18mm×1600mm的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿4根，錨桿間排距為800mm×900mm，誤差±100mm。為防止采區(qū)動(dòng)壓影響，造成巷道變形，頂板補(bǔ)打Φ17.8mm×7000mm的錨索加強(qiáng)支護(hù)，每排施工3根錨索，按間排距1200mm×2400mm施工，巷道支護(hù)斷面如圖8所示。

采用十字觀察法對巷道變形量進(jìn)行監(jiān)測，距離機(jī)尾20m、90m、160m的3個(gè)測點(diǎn)測得的巷道圍巖隨工作面推進(jìn)時(shí)變形量變化曲線如圖9所示。

圖8 巷道支護(hù)斷面(mm)

從圖9中可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，回撤通道兩幫及頂?shù)装逡平恐饾u增大，變形沒有減緩的趨勢。在距工作面50～60m范圍內(nèi)，巷道發(fā)生驟變，說明此時(shí)工作面處于全面來壓狀態(tài)。對比巷道兩幫變形量，巷道兩幫最大變形量為934mm，巷道非回采側(cè)變形量502mm，變形量大于巷道回采側(cè)，說明巷道非回采側(cè)煤柱承載壓力較大，且靠近工作面機(jī)尾、機(jī)頭側(cè)變形量要大于工作面中間位置。對比巷道頂?shù)装逡平?，頂?shù)装遄畲笠平吭诠ぷ髅鏅C(jī)頭側(cè)504mm，頂板最大下沉量為202mm，底板最大底鼓量為302mm。因回撤通道在末采結(jié)束需用采煤機(jī)進(jìn)行臥底以保證巷道斷面尺寸，故底鼓量對整個(gè)回采過程的影響可以忽略。

圖9 距機(jī)尾不同距離測點(diǎn)巷道圍巖變形量

4 結(jié) 論

1)通過數(shù)值模擬對比回撤通道距離斷層面1m、3m、5m三種情況，回撤通道距離斷層面3m時(shí)，巷道受工作面回采動(dòng)壓影響較小，對比距離斷層面5m，能多回收2m煤柱約3000t煤炭，實(shí)現(xiàn)了安全效益最大化。

2)頂板選用Ф18mm×2200mm的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿間排距850mm×900mm，兩幫采用Ф18mm×1600mm的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿間排距800mm×900mm，頂板補(bǔ)打Ф17.8mm×7000mm的錨索加強(qiáng)支護(hù)，每排施工3根錨索，間排距1200mm×2400mm。

3)兩幫最大變形量為934mm，其中，非回采側(cè)變形量502mm；頂?shù)装遄畲笠平吭诠ぷ髅鏅C(jī)頭側(cè)504mm，頂板最大下沉量為202mm，底板最大底鼓量為302mm。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，頂板下沉量及兩幫變形量滿足安全生產(chǎn)的要求，因回撤通道在末采結(jié)束需用采煤機(jī)進(jìn)行挖底以保證巷道斷面尺寸，故底鼓量對整個(gè)回采過程沒有影響，且工作面變形在可控范圍內(nèi)，不影響使用。