礦井綜采工作面安全快速過陷落柱構(gòu)造帶研究

＊吳利偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦 山西 037003）

前言

在山西某礦的15302綜采工作面進(jìn)行回采期間會(huì)發(fā)生陷落柱X160，該工作面圍巖所具有的穩(wěn)定性不高。當(dāng)回采從陷落柱X160通過期間，應(yīng)力分布是不均勻的，容易導(dǎo)致支架不能正常推進(jìn)、個(gè)別支架出現(xiàn)應(yīng)力集中。就采面從陷落柱通過而言，其主要研究的是應(yīng)用到工程技術(shù)中，關(guān)于回采工作面從陷落柱通過的機(jī)理分析與工程相結(jié)合的研究不多。為了將15302綜采工作面從陷落柱X160通過的問題解決，在本文中，分析了陷落柱范圍的應(yīng)變，并和工程實(shí)踐相結(jié)合來實(shí)施了研究。

1.者述工程狀況

在15302工作面中，所開采的煤為15#煤層，該煤層的厚度、傾角的平均值分別是4.5m、6°。該煤層的基本頂、直接頂、直接底、基本底的巖性分別是細(xì)粒砂巖、灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒泥巖，對應(yīng)的厚度的均值為6m、1.2m、6m、7.2m。在該工作面中，所用的開采方法為綜合機(jī)械化采煤法，工作面的走向、傾斜長度分別為1400m、200m，埋深均值為500m。按照三維地震的探測結(jié)果，與切眼有120m距離處存在X160陷落柱，該陷落柱的規(guī)格是124m×44m，圖1即為其位置圖。按照三維影像發(fā)現(xiàn)，且三維影像形成于陷落柱，15302工作面區(qū)域被X160陷落柱所影響，并破壞了整個(gè)巖體結(jié)構(gòu)，巖體應(yīng)力由于地應(yīng)力的不斷作用而有破碎出現(xiàn)，且破碎面積較大。

圖1 X160陷落柱相對位置圖

2.研究采面圍巖所具穩(wěn)定性被陷落柱所影響

根據(jù)圖1發(fā)現(xiàn)，在對15302工作面進(jìn)行回采期間一定會(huì)從陷落柱構(gòu)造通過。為了對陷落柱構(gòu)造影響圍巖穩(wěn)定性的狀況進(jìn)行研究，利用了COMSOL Multiphics軟件來實(shí)施數(shù)值模擬研究，若15#煤層、底板、頂板的介質(zhì)都是均勻的，先從15302工作面中選取樣本，用該樣本來測試頂板力學(xué)的參數(shù)，表1即為其詳細(xì)參數(shù)。然后在從底板、煤巖體、煤層頂板中選取樣本，且樣本數(shù)量是15個(gè)，繼而在測試這些樣本，最后在將測試數(shù)值的均值當(dāng)做實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表1 圍巖基本參數(shù)

以實(shí)驗(yàn)室所測定的參數(shù)為基礎(chǔ)來實(shí)施數(shù)值模擬，選取力學(xué)瞬態(tài)模型，該工作面埋深均值為500m，頂板荷載所計(jì)算出的值為20GPa。若煤體、煤層底板、頂板的介質(zhì)都是均勻的，不用對氣相、液相的滲流進(jìn)行考慮，頂板所能承擔(dān)的邊界荷載為20GPa，就能將陷落柱圍巖應(yīng)變分布云圖模擬出來，即為圖2，在圖2中，模擬高度就是地層的剖面尺寸，且是豎面的，模擬結(jié)構(gòu)的幾何尺寸與數(shù)值模擬對象的是相同的，圖2內(nèi)陷落柱X160的性狀與尺寸是以現(xiàn)在的地質(zhì)勘探尺寸為基礎(chǔ)的。

圖2 陷落柱圍巖應(yīng)變分布云圖

從圖2發(fā)現(xiàn)，靠近X160陷落柱位移量的最大值為450mm，水平方向上有較大變形量的范圍有20m左右。因?yàn)閿?shù)值模擬是以有限元理論為基礎(chǔ)的，較大變形量的區(qū)域已有跨落、破碎出現(xiàn)。陷落柱能夠影響的區(qū)域大概有160m，在其整個(gè)中心區(qū)域中的巖石都是破碎的，中心區(qū)域兩側(cè)有破碎帶、裂隙帶，且破碎帶是距兩側(cè)有20～30m的區(qū)域，裂隙帶是距離兩側(cè)有30～60m的區(qū)域。陷落柱四周圍巖體發(fā)生破碎的區(qū)域所呈現(xiàn)的形狀為“蝴蝶翼”，在該工作面回采到陷落柱四周時(shí)一定會(huì)有支架不能均衡受力、圍巖失穩(wěn)的狀況出現(xiàn)。因?yàn)樵摴ぷ髅娴拈_采使用的是綜合機(jī)械化，需保證液壓支架所經(jīng)過環(huán)境的穩(wěn)定性，可陷落柱造成區(qū)域中的底板與頂板都有破碎變形出現(xiàn)，在液壓支架移至此區(qū)域時(shí)就會(huì)有局部下沉出現(xiàn)，破碎巖體需要頂板支撐的范圍太大，導(dǎo)致水平、豎向的位移均較為大，造成失穩(wěn)出現(xiàn)。

3.研究采面從陷落柱通過的技術(shù)

按照數(shù)值模擬研究的最終結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，靠近X160陷落柱的巖體有嚴(yán)重的變形，陷落柱區(qū)域的巖體是破碎的，降低了整體性，若該工作面在不采取措施時(shí)來從陷落柱中通過，就會(huì)有支架受力均勻性差、不易推進(jìn)現(xiàn)狀出現(xiàn)。造成上述問題出現(xiàn)的原因主要是由于陷落柱改變了區(qū)域巖層的結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的治理手段是改造構(gòu)造區(qū)的巖層，能夠利用注漿形式來凝結(jié)破碎巖層，使區(qū)域巖體所具整體性提高。對應(yīng)的治理手段是注漿其區(qū)域，圖3就是詳細(xì)的注漿鉆孔設(shè)計(jì)圖，表2就是其參數(shù)表。從圖3得知，注漿鉆孔一共有6個(gè)，且注漿鉆孔施工于該工作面的回風(fēng)巷、運(yùn)輸順槽中，自鉆場內(nèi)進(jìn)行鉆孔，確保鉆孔將陷落柱覆蓋。

圖3 注槳鉆孔設(shè)計(jì)圖

鉆孔的孔徑是90mm，利用2ZBQ24/10型氣動(dòng)注漿泵來進(jìn)行注漿，設(shè)定的注漿壓力是10MPa。選用水泥漿作為注漿材料，水與灰的比例為1:1.6，所使用的水泥為礦用硅酸鹽，且砂子的粒徑要在2.5mm以下，將速凝劑加入，此時(shí)的注漿壓力不變，穩(wěn)定時(shí)間是0.5h。在結(jié)束注漿作業(yè)之后再正常回采，該工作面回采從X160陷落柱通過時(shí)要統(tǒng)計(jì)分析液壓支架的應(yīng)力，并對有較大波動(dòng)的3d進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，圖4即為統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。

圖4 支架應(yīng)力統(tǒng)計(jì)圖

從圖4發(fā)現(xiàn)，X160陷落柱在結(jié)束注漿作業(yè)之后，在推進(jìn)采面期間，支架應(yīng)力有較小波動(dòng)的有127個(gè)，其最大與最小應(yīng)力分別為270kPa、260kPa，在回采過程中支架能夠順利推進(jìn)。因?yàn)橛胁簧贊{液被注入X160區(qū)域中，固結(jié)該區(qū)域中發(fā)生破碎的巖層，使其成為一個(gè)完成的整體，并以此為液壓支架下部的基底，并且提高了支架上部巖體的穩(wěn)定性，降低了整個(gè)液壓支架的工作阻力。在施工現(xiàn)場，其頂板出現(xiàn)正?？缏洌瑖?yán)格控制了跨落步長，使步長一直在16～17m之間，整個(gè)采面都是安全的。在回采過程中，中斷現(xiàn)象并沒有發(fā)生，回采工期比較穩(wěn)定。

4.結(jié)論

關(guān)于15302綜采工作面在回采期間發(fā)生X160陷落柱的問題，來實(shí)施數(shù)值模擬研究，通過注漿來將巖層改善，并得出了下面幾項(xiàng)結(jié)論：

（1）被陷落柱所影響的水平范圍是160m，在其整個(gè)中心區(qū)域的巖石均是破碎的，中心區(qū)域兩側(cè)有破碎帶、裂隙帶，且破碎帶是距離兩側(cè)有20～30m的區(qū)域，裂隙帶是距離兩側(cè)有30～60m的區(qū)域中。

（2）通過全面分析之后，將治理措施確定，其治理措施是注漿加固，該措施能將陷落柱附近巖層所具有的性質(zhì)改善。

（3）在結(jié)束注漿作業(yè)之后，要應(yīng)力觀測回采期間的支架，且支架數(shù)量是127個(gè)，其應(yīng)力波動(dòng)的范圍是260～270kPa，基本上是穩(wěn)定的。

經(jīng)過研究15302綜采工作面在回采期間發(fā)生的陷落柱X160問題，將圍巖被此區(qū)域構(gòu)造所狀況的狀況進(jìn)行了明確，并針對性的制定了措施。該研究方法與研究結(jié)果可以作為依據(jù)來供類似礦井來參考。