晶鑫煤業(yè)3105殘煤復采工作面圍巖控制技術研究與應用

茹道月

（山西陽城陽泰集團晶鑫煤業(yè)股份有限公司，山西 晉城048100）

1 工程概況

山西陽城陽泰集團晶鑫煤業(yè)股份有限公司3#煤層舊式開采區(qū)主要位于井田的西南部和北東部，面積約2km2，占整個井田面積的40%左右，根據對復采區(qū)域煤層現場觀測并結合對舊式開采的地質資料可知，復采區(qū)域的大部分煤層的結構為底部有0.8～1.0m厚的實體煤，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，結構相對簡單，煤層上方基本頂巖層為粉砂巖，底板為砂質泥巖，均厚1.1m。

3#煤層3105工作面為第一個復采試采面，工作面長160m，順槽長470/440m，工作面位置見圖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)域端頭支架共計布置6架。由于工作面為舊式開采區(qū)域，煤層頂板為冒落區(qū)域，頂板巖層松軟破碎，現為保障工作面回采作業(yè)的進行，進行圍巖控制技術的分析。

2 破碎頂板應力分布規(guī)律

為有效分析工作面回采作業(yè)時，破碎頂板的應力分布規(guī)律，現采用RFPA數值分析系統(tǒng)，根據3105復采工作面的特征建立長×高=110×30的數值模型，數值模型如圖2，模型采用二維平面應變模型，模型劃分為550×150個單元，模型劃分為6個巖層，每個巖層的力學性質參數見表1。模型在左側開挖，開挖方向向右，每步開挖0.6m，即3個單元，采高2.2m。在模型的上方給定一個3MPa垂直應力來模擬100m的埋深。

表1 數值模型的力學參數

根據數值模擬結果，得出工作面回采作業(yè)時圍巖破壞特征如圖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力，并被壓實，對上覆巖層起到一定的支撐作用；在整個復采過程中，冒落區(qū)內的裂紋在不斷擴大。當整個冒落區(qū)內形成較大的宏觀貫通裂紋時，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)）。

另外根據數值模擬結果，得出回采作業(yè)下上覆巖層、冒落巖層和煤體中應力分布特征如圖3。

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

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

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

圖3 頂板巖層與煤體應力分布曲線圖

基于上述分析可知，工作面在冒落區(qū)下復采時，由于冒落層的存在，使其對應力有一定的緩沖作用，應力集中現象不明顯，應力值均有一定程度的波動，但冒落區(qū)發(fā)生失穩(wěn)破壞后應力值的波動幅度更大?；诖丝芍?，工作面回采期間應盡量減小對上覆冒落層的擾動，盡量減小采動影響對冒落層的穩(wěn)定，降低工作面采高，工作面推進過程中應采用“多進度、小循環(huán)”的作業(yè)原則來控制工作面頂板和煤壁。

3 圍巖控制技術

3.1 控制方案設計

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

1）穿設鋼釬措施：在液壓支架頂梁與煤壁的交接處打設Φ35×3000mm的鉆孔，每臺液壓支架打設鉆孔2個，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穿入鋼釬，鋼釬規(guī)格為φ28×3000mm的圓鋼，為使得鋼釬對支架頂梁形成有效的支撐，設置鋼釬穿入煤壁后的外露20cm長度，并在頂板區(qū)域鋪設鐵絲頂網以防止破碎頂板巖塊冒落。具體鋼釬布置形式如圖4所示。

在工作面進行穿設鋼釬作業(yè)時，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。液壓支架每穿設一次鋼釬，工作面可推進3-4刀，工作面回采推進后確保鋼釬處于煤壁內的長度大于0.6m，工作面回采至鋼釬處于煤壁內的長度小于0.6m，進一步進行穿釬作業(yè)，穿釬完成后再進行回采作業(yè)，如此循序漸進。

圖4 工作面破碎頂板鋼釬布置示意圖

2）降低采高：基于上述數值模擬結果，現為減小回采動壓對冒落層的影響，確保采高處于實體煤的高度內，對采煤機的截割高度進行設計。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，結合穿設鋼釬措施的實施，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象，綜合上述考慮可知，復采時工作面煤壁上松散體的高度越小越好，以不超過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“多進度、小循環(huán)”的原則，設置循環(huán)進度為0.5m。

3.2 效果分析

3105復采工作面回采期間進行液壓支架的工作阻力的監(jiān)測，根據監(jiān)測結果可知，工面不同區(qū)域液壓支架的工作阻力基本表現為相同的趨勢，現具體以25#液壓支架的工作阻力曲線進行分析，如圖5。

圖5 工作面回采期間支架支護阻力曲線

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)。另外根據工作面回采期間的現場觀測可知，回采期間液壓支架無壓架現象出現，煤壁無大范圍的片幫現象出現，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復采工作面采用穿設鋼釬+降低采高的圍巖控制技術保障了工作面回采期間的安全。

4 結論

根據3#煤層舊式開采區(qū)的特征，結合3105工作面的具體參數，采用數值模擬具體分析工作面推進通過破碎頂板區(qū)域時的應力分布規(guī)律，確定工作面回采擾動致使冒落層失穩(wěn)時會致使應力變化程度較大；基于數值模擬結果，確定工作面破碎頂板采用穿設鋼釬+降低采高的圍巖控制技術，根據工作面回采過程中液壓支架工作阻力的監(jiān)測和現場觀測結果，得出該圍巖控制技術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。