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        W4301大采高工作面過斷層圍巖破壞控制及研究

        2020-06-28 06:52:28苗潞潞
        煤礦現(xiàn)代化 2020年4期
        關(guān)鍵詞:煤壁阻力斷層

        苗潞潞

        (潞安集團(tuán)常村煤礦,山西 長(zhǎng)治 046102)

        1 工程概況

        潞安集團(tuán)高河礦W4301工作面為西四盤區(qū)工作面,工作面上方是耕地,北部為是漳河神村,東南部是酒村,西南是東王內(nèi)村,東部是南漳村;西部是漳河且漳河由南自北從W4301工作面西北角穿過,北面為W1312工作面。此工作面位于一個(gè)西堡背斜構(gòu)造區(qū)域,煤層穩(wěn)定,煤厚5.4~5.8m,平均5.6m。煤層中間有0.1~0.35m的泥巖夾矸。煤厚傾角為1°~9°,平均5°。設(shè)計(jì)可采長(zhǎng)度1520m。根據(jù)巷道掘進(jìn)過程中揭露及鉆探情況情況,該工作面內(nèi)共揭露9條斷層,斷層特征如表1所示,F(xiàn)w145及Fw25斷層位于回采區(qū)域以外,對(duì)回采不產(chǎn)生影響,其余斷層對(duì)回采都有一定的影響,其中Fw155對(duì)回采影響最大,該斷層走向100°,傾向190°,傾角65°,落差為2m。根據(jù)文獻(xiàn)參考與實(shí)地考察得出,礦方若繼續(xù)采用原方式進(jìn)行回采作業(yè),在采掘工作面通過斷層時(shí),工作面會(huì)出現(xiàn)煤壁片幫,造成液壓支架受力不均勻,端面距加大,頂板垮落。所以在過Fw155斷層時(shí),需要提前編制措施,確保安全通過。

        表1 W4301工作面揭露斷層特征表

        2 圍巖破壞特征分析

        2.1 斷層圍巖的數(shù)值模擬

        為探究Fw155斷層對(duì)回采工作造成影響,以便提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施,通過FLAC5.0數(shù)值模擬軟件來模擬工作面從Fw155斷層上盤向斷層推進(jìn)的過程,分析工作面支承壓力的變化情況,為優(yōu)化方案提供依據(jù)。所設(shè)計(jì)的模型范圍為:橫向長(zhǎng)為400m,縱向長(zhǎng)為109m,其中橫向上,每一米為一格,另在中間添加一格,作為斷層結(jié)構(gòu)面,共分為401格;縱向?yàn)槊恳幻滓桓?,共分?09格,模型總共為401×121=48521個(gè)單元格。根據(jù)W4301工作面實(shí)際地質(zhì)情況,對(duì)模型施加應(yīng)力場(chǎng)。

        2.2 推進(jìn)方案

        在煤層被開采后,煤層上部圍巖受開采影響,應(yīng)力會(huì)重新分布,逐漸向四周擴(kuò)散,采高區(qū)頂板會(huì)出現(xiàn)卸壓區(qū),當(dāng)應(yīng)力擴(kuò)散到斷層破碎帶時(shí),可能會(huì)造成回采工作面塌陷。因此在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),需對(duì)距斷層不同位置的巖層壓力進(jìn)行模擬,本次模擬主要對(duì)工作面距離斷層 75 m、60 m、44 m、28 m、15 m、7m不同位置時(shí)巖層壓力進(jìn)行分析。

        2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

        工作面距斷層不同位置時(shí),工作面支承壓力如圖1所示。

        圖1 斷層對(duì)工作面支承壓力的影響

        由模擬得到的圖形分析,在工作面向斷層推進(jìn)的過程中,斷層附近的煤巖體出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,并且應(yīng)力集中逐漸增強(qiáng),模擬結(jié)果顯示工作面距離斷層60m時(shí),斷層上盤最大應(yīng)力約為33MPa;當(dāng)工作面回采至斷層前44m時(shí),斷層上盤最大應(yīng)力約為45MPa;當(dāng)工作面回采至斷層28m時(shí),斷層上盤最大應(yīng)力為48.62MPa;當(dāng)工作面距離斷層15m時(shí),在斷層上盤區(qū)最大應(yīng)力為56.33MPa,已經(jīng)達(dá)到工作面超前支護(hù)的壓力;隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)至斷層前7m時(shí),斷層上盤應(yīng)力峰值達(dá)到68.24MPa,回采巷道將被破壞。

        綜上所述,隨著工作面回采至斷層破碎帶附近時(shí),煤壁前方進(jìn)入應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)?,較正常情況比較,煤壁前方進(jìn)入的應(yīng)力集中區(qū)域最大增加了接近一倍,頂板可能會(huì)產(chǎn)生冒頂而會(huì)導(dǎo)致液壓支架的工作阻力升高,達(dá)到正常工作阻力的1.5倍,在壓架事故發(fā)生的同時(shí)煤壁將大概率的發(fā)生片幫的現(xiàn)象。

        3 圍巖控制技術(shù)及效果

        3.1 注漿加固

        對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的圍巖破壞研究和理論分析,經(jīng)礦方?jīng)Q定W4301工作面在遇斷層期間,圍巖受斷層影響較大,為防止回采期間發(fā)生冒頂或者煤壁發(fā)生片幫的現(xiàn)象,需進(jìn)行超前注漿,同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn),在斷層附近,會(huì)出現(xiàn)少了冒水現(xiàn)象,因此注漿材料選取水泥混合水玻璃,來對(duì)工作面圍巖進(jìn)行超前注漿。

        1)注漿孔確定。為了更好的加固巷道圍巖防止破碎區(qū)發(fā)展,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作面的煤壁裂隙與頂板碎裂狀態(tài),經(jīng)計(jì)算注漿孔的深度選擇為6m,可以更好的對(duì)圍巖進(jìn)行加固;選擇布置兩排注漿孔,第一排距巷道底板2m處,第二排布置在距頂板1m處,每隔4m布置一個(gè)注漿孔,注漿孔布置如圖所示:對(duì)漿孔進(jìn)行封孔時(shí),為了防止注漿也外漏,提高注漿壓力,使?jié){液能壓入裂縫深部,封孔材料選擇PVC膠泥材料,根據(jù)注漿孔的實(shí)際情況,封孔器應(yīng)該距注漿孔口1500mm;

        圖2 注漿鉆孔布置

        2)單孔注漿量確定。單孔注漿量時(shí)決定注漿效果的主要因素之一,同時(shí)注漿的壓力、時(shí)間也會(huì)對(duì)注漿的實(shí)際效果造成影響。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)觀察與理論計(jì)算,為達(dá)到最優(yōu)效果,既能最大程度上加固巷道圍巖,又能省工省料,決定單孔的注漿量為350kg為最佳,注漿時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整。

        3.2 保證支架有充分的工作阻力

        W4301工作面選用的端頭支架為ZYT15000/27/55,中間支架為ZY 15000/33/72D。由模擬知工作面遭遇斷層時(shí),支護(hù)載荷阻力峰值約為58MPa~70Mpa,所選支架能夠保證支架正常工作,充分支護(hù)頂板,不發(fā)生壓架的現(xiàn)象。

        3.3 過斷層技術(shù)要求

        1)對(duì)割煤機(jī)每次割煤的速度降低,調(diào)整到每分鐘前進(jìn)3.5米;在斷層前后期間,需要對(duì)割煤機(jī)的每刀的質(zhì)量進(jìn)行控制,防止因單刀割煤太多造成頂板垮落;同時(shí)注意割煤時(shí),頂?shù)装宓钠露扰c完整度,時(shí)刻觀察支架狀態(tài),防止發(fā)生支架倒塌傾斜等狀況。

        2)對(duì)采高需要進(jìn)行控制,當(dāng)工作面遭遇Fw155正斷層時(shí),將工作面的采高需要控制在4m范圍,但是不得低于3.8m,以確保割煤機(jī)組安全通過工作面,在割煤時(shí),提高割煤率,盡可能少割矸,防止對(duì)煤層穩(wěn)定造成影響而引起工作面的不穩(wěn)定。在機(jī)頭前需要進(jìn)行超前注漿措施,對(duì)煤層進(jìn)行加固,保證工作面安全通過斷層。

        3.4 圍巖控制效果

        為了探究上述分析結(jié)果的對(duì)回采工作面通過斷層的有效性,對(duì)工作面受斷層影響的區(qū)域進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè),主要對(duì)煤壁和工作面液壓支架阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,來檢驗(yàn)方案對(duì)回采工作面過斷層的有效性。

        圖3 注漿前后煤幫變化

        如圖3所示,通過對(duì)煤壁的注漿加固,煤壁的穩(wěn)定性得到了大幅度提高,對(duì)比注漿前后,相同時(shí)間內(nèi),0.2m的淺部片幫發(fā)生次數(shù)為11次,將注漿前的18次,下降了7次;1.2m深的片幫發(fā)生0次,較注漿前的4次,得到了顯著改善。注漿后煤壁片幫深度與發(fā)生此次都顯著降低,回采工作面區(qū)域幾乎沒有大塊煤體片幫的狀況,工作面安全通過斷層,生產(chǎn)得到恢復(fù)。

        圖4 工作面支架阻力分布

        如圖4所示,為工作面遭遇斷層期間支架阻力分布情況,在工作面到達(dá)斷層時(shí),煤層開始受到斷層的影響,工作面中部液壓支架的阻力開始提升,最大到40MPa,但平均穩(wěn)定在20MPa左右,工況良好;工作面兩端頭在推進(jìn)過斷層區(qū)域時(shí),由于頂板中存在軟弱的結(jié)構(gòu)面[4],使頂板圍巖的作用力全部加到液壓支架上,使得支架阻力瞬間提高,最大值達(dá)到40MPa,且壓力幾乎保持在35MPa左右,由現(xiàn)場(chǎng)觀察記錄得,在回采工作面過斷層時(shí),并未發(fā)生冒頂或片幫的現(xiàn)象,液壓支架工作正常,沒有發(fā)生壓架現(xiàn)象,說明工作面圍巖控制效果良好,工作面順利通過斷層。

        4 結(jié) 論

        通過FLAC軟件對(duì)W4301工作面通過斷層時(shí)狀況進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)原方式在斷層附近是煤壁會(huì)進(jìn)入應(yīng)力集中區(qū),斷層處液壓支架的工作阻力升高快速,工作面頂板受斷層影響極大,難以正常進(jìn)行回采工作;將過理論計(jì)算與實(shí)地考察,決定采取超前注漿加固,控制大采高工作面采高,降低推進(jìn)速度,選用合適液壓支架阻力能夠高安全高效過斷層。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用觀察,注漿后煤壁穩(wěn)定,工作面支架沒有發(fā)生壓架的情況,回采工作面順利通過斷層。

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