王建明

(山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048019)

受早期開采技術(shù)落后、采面規(guī)劃不合理等因素影響，我國(guó)許多礦井存在大量煤炭資源遺留問(wèn)題，嚴(yán)重影響了礦井綠色可持續(xù)發(fā)展。礦井生產(chǎn)后期為提高資源回收率，需要對(duì)遺留煤柱等進(jìn)行殘煤復(fù)采[1-2]。受原采煤方法和布置方式影響，復(fù)采過(guò)程中可能出現(xiàn)不規(guī)則空巷、煤柱或冒頂區(qū)等，造成采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布復(fù)雜，圍巖控制難度大等問(wèn)題，嚴(yán)重制約著殘煤復(fù)采的有序推進(jìn)[3]。

本文以山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)3101孤島復(fù)采綜放面為背景，采用理論分析和數(shù)值模擬等方法，對(duì)孤島復(fù)采綜放面采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布和頂板破斷規(guī)律進(jìn)行研究，為保證復(fù)采工作面安全高效回采提供保障。

1 工程背景

山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)3101復(fù)采放頂煤工作面位于井田第一水平，埋深125～162 m。工作面南部為3102采空區(qū)，西部為一采區(qū)回風(fēng)巷及保護(hù)煤柱，北部為老舊采空區(qū)，東部為礦界保安煤柱。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)440 m，傾斜長(zhǎng)145 m，可采儲(chǔ)量約39.7萬(wàn)t，采用走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤法。為控制兩側(cè)采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響，運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷各自開口30 m采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道斷面為矩形，尺寸分別為5.0 m×2.8 m和4.5 m×2.8 m；30 m以里均采用工字鋼棚支護(hù)，棚間距為0.7 m。

3101工作面回采的3號(hào)煤層屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可采、近水平的無(wú)煙煤，局部賦存夾矸1～2層，煤層厚度平均6.15 m，傾角3～5°。工作面基本頂為厚度約14.2 m的炭質(zhì)泥巖，直接頂為3.6 m厚的粉砂巖，直接底為平均厚度9.8 m的粉、細(xì)砂巖，老底為11 m厚的中細(xì)粒砂巖及泥巖，其頂?shù)装鍘r性力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 工作面頂?shù)装迕簬r力學(xué)參數(shù)

2 復(fù)采采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)特征分析

同常規(guī)綜放工作面形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)(如圖1)不同，殘煤復(fù)采綜放面回采過(guò)程中，受兩側(cè)采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響，工作面上覆基本頂巖層斷裂線向前推移，同時(shí)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)劇烈，周期來(lái)壓步距不規(guī)律。同時(shí)受原老采空區(qū)遺留巷道影響，工作面圍巖應(yīng)力分布不規(guī)則，應(yīng)力集中程度高，留巷煤柱已發(fā)生失穩(wěn)誘發(fā)頂板突然斷裂形成沖擊地壓[4-5]。復(fù)采綜放面覆巖結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是受原兩側(cè)采空區(qū)回采擾動(dòng)影響，上覆巖層破斷形成不連續(xù)、不規(guī)則、多裂隙的空間賦存結(jié)構(gòu)，造成復(fù)采采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)和圍巖應(yīng)力分布與原煤回采差異較大。因此，有必要對(duì)殘煤復(fù)采采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)和圍巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。

圖1 采場(chǎng)上覆巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型

一般而言，直接頂巖層隨回采進(jìn)程逐步斷裂冒落，產(chǎn)生碎脹效應(yīng)承載上覆基本頂巖層，并減少老頂巖層的下沉量和速度。同時(shí)在老頂巖層的反向沖擊和重力作用下，直接頂碎矸被壓縮形成更高強(qiáng)度和承載性能的密實(shí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而為老頂結(jié)構(gòu)的最終穩(wěn)定提供底部支撐。而殘煤復(fù)采工作面由于空間狀態(tài)與原煤回采狀態(tài)不同，隨著復(fù)采面回采擾動(dòng)作用，上覆巖層在經(jīng)歷了周圍采場(chǎng)回采時(shí)破斷形成的穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)受到破壞，原有應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，殘煤復(fù)采采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

1) 受原周圍采場(chǎng)回采擾動(dòng)造成復(fù)采采場(chǎng)上覆形成的不連續(xù)、不規(guī)則、多裂隙頂板結(jié)構(gòu)，在回采過(guò)程中，頂板斷裂尺寸及厚度均不規(guī)則，但各巖塊回轉(zhuǎn)、沉降、擠壓形成點(diǎn)或面接觸式“砌體梁”結(jié)構(gòu)，仍是頂板結(jié)構(gòu)的最終穩(wěn)定狀態(tài)。

2) 由于頂板斷裂的不規(guī)則性造成各巖塊應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，對(duì)采空區(qū)內(nèi)冒落矸塊壓實(shí)載荷也不同，引起采空區(qū)矸體密實(shí)程度不均勻，造成近工作面頂板垮落變現(xiàn)出一定程度的傾斜，進(jìn)而促使巖塊間產(chǎn)生較大推力，形成“砌體梁”接觸面擠壓力源。

3) 同時(shí)由于頂板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度不同，對(duì)于上軟下硬頂板結(jié)構(gòu)，上覆軟弱老頂巖層自重及其上覆承重以均布載荷方式傳遞至下部堅(jiān)硬直接頂巖層中，并與直接頂巖層產(chǎn)生同步運(yùn)動(dòng)。

為準(zhǔn)確掌握復(fù)采工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用FLAC3D數(shù)值軟件模擬了3101工作面回采過(guò)程中，頂板垂直位移變化及塑性區(qū)分布特征，如圖2和圖3所示。

圖3 工作面推進(jìn)不同距離直接頂塑性區(qū)演變規(guī)律

從圖2可以看出，隨著工作面推進(jìn)，復(fù)采工作面兩側(cè)臨原舊采空區(qū)位置老頂首先發(fā)生失穩(wěn)，垂直位移從兩側(cè)逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展；在工作面推進(jìn)至50 m時(shí)，復(fù)采工作面后方采空區(qū)與老舊采空區(qū)貫通；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，工作面逐步進(jìn)入充分采動(dòng)階段，采空區(qū)形成“O-X”型破壞圈。此后老頂垮落充分，頂板運(yùn)動(dòng)趨于緩和，頂板形成的“O-X”型破壞結(jié)構(gòu)逐漸減小。根據(jù)礦壓控制機(jī)理，采空區(qū)頂板結(jié)構(gòu)自下向上逐步發(fā)生斷裂破壞，而高位頂板極限垮落步距較低位頂板小，使得覆巖結(jié)構(gòu)受力支點(diǎn)向深部轉(zhuǎn)移，進(jìn)而造成“O-X”型結(jié)構(gòu)依次遞減。

圖2 工作面推進(jìn)不同距離老頂垂直位移變化規(guī)律

從圖3可以看出，頂板平衡失穩(wěn)前，工作面兩側(cè)煤柱最先破壞，此后塑性區(qū)向工作面內(nèi)部轉(zhuǎn)移，最終形成“O-X”型塑性區(qū)。

3 圍巖控制技術(shù)措施

根據(jù)前面理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)于復(fù)采綜放面圍巖控制，已知相較于常規(guī)綜放面回采，復(fù)采綜放面不僅受臨近采空區(qū)側(cè)向支承壓力作用，而且周圍存在一定數(shù)量的空巷及煤柱等，導(dǎo)致工作面回采過(guò)程中采場(chǎng)圍巖應(yīng)力集中程度高，周期來(lái)壓不規(guī)律等礦壓異?，F(xiàn)象；同時(shí)，由于支承應(yīng)力向下傳遞，在回采擾動(dòng)作用下，工作面煤壁極易發(fā)生片幫冒頂?shù)仁鹿?，造成圍巖控制困難，繼而影響工作面安全高效生產(chǎn)。因此，基于復(fù)采綜放面圍巖控制機(jī)理，結(jié)合采場(chǎng)圍巖應(yīng)力和頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在綠色高效生產(chǎn)的前提下，本文提出從加強(qiáng)支護(hù)和生產(chǎn)工藝改進(jìn)兩個(gè)方面進(jìn)行采場(chǎng)圍巖控制，保證工作面安全正常生產(chǎn)。

1) 加強(qiáng)支護(hù)。受臨近采空區(qū)和空巷、煤柱等影響，造成采場(chǎng)支承壓力高，圍巖應(yīng)力集中明顯等現(xiàn)象，可以通過(guò)增加支護(hù)強(qiáng)度等方式達(dá)到控制圍巖失穩(wěn)的目的。具體可以通過(guò)提高綜放支架初撐力和工作阻力，集中應(yīng)力區(qū)增加帶帽點(diǎn)柱等，或采用其他輔助措施進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

2) 改進(jìn)生產(chǎn)工藝。針對(duì)復(fù)采綜放面超前支承壓力較大，易造成工作面煤壁片幫、漏冒頂事故，放頂煤支架需要及時(shí)帶壓移架，減少前方煤壁控頂暴露時(shí)間，同時(shí)可以采取小循環(huán)短進(jìn)尺快放煤生產(chǎn)工藝，使工作面超前支承壓力快速前移，避免高應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用于懸空煤壁，造成工作面持續(xù)礦壓現(xiàn)象異常。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 復(fù)采綜放面受原兩側(cè)采空區(qū)回采擾動(dòng)影響，上覆巖層破斷形成不連續(xù)、不規(guī)則、多裂隙的空間賦存結(jié)構(gòu)，不規(guī)則巖塊經(jīng)過(guò)回轉(zhuǎn)、沉降、擠壓形成點(diǎn)或面接觸式“砌體梁”結(jié)構(gòu)。由于頂板的不規(guī)則斷裂，造成采空區(qū)矸體密實(shí)程度不均勻，近工作面頂板垮落變現(xiàn)出一定程度的傾斜，形成“砌體梁”接觸面擠壓力源。同時(shí)上軟下硬頂板結(jié)構(gòu)荷載傳遞至下部堅(jiān)硬直接頂巖層中，使其與直接頂巖層產(chǎn)生同步運(yùn)動(dòng)。

2) 針對(duì)復(fù)采采場(chǎng)存在的圍巖應(yīng)力集中，來(lái)壓不規(guī)律，煤壁易片幫、漏冒頂?shù)惹闆r，通過(guò)提高綜放支架初撐力等加強(qiáng)支護(hù)措施和小循環(huán)短進(jìn)尺快放煤勤移架的改進(jìn)生產(chǎn)工藝，解決了圍巖控制難題。