齊奕堯

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司 挖金灣煤業(yè)公司， 山西 大同 037000)

1 前言

工作面回采過(guò)程中，煤壁失穩(wěn)對(duì)工作面機(jī)械設(shè)備、機(jī)電設(shè)備及其他輔助設(shè)備均會(huì)產(chǎn)生大的破壞。煤壁破碎大的因素很多，地質(zhì)因素、管理不到位均會(huì)導(dǎo)致煤壁失穩(wěn)[1-4]。山西某礦2603工作面回采過(guò)程中常出現(xiàn)工作面裂紋，伴隨著支架的吱吱聲，隨時(shí)出現(xiàn)頂板失穩(wěn)情況，為防止工作面回采過(guò)程中出現(xiàn)頂板災(zāi)害，本文采用綜合分析法對(duì)該工作面圍巖展開研究。

2 礦井及工作面概況

山西某礦為煤與瓦斯突出礦井，核定產(chǎn)能180萬(wàn)t/a，主采煤層6#煤層，6#煤層厚度5.9 m，煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度8 m；底板為粉砂巖、泥巖，厚度11 m。

目前在采工作面為2603工作面。工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤開采，一次性采高2.5 m，放頂3.4 m；工作面走向長(zhǎng)度1 569 m，切眼長(zhǎng)度190 m，工作面區(qū)域內(nèi)存在斷層構(gòu)造6個(gè)，位置點(diǎn)如圖1所示。其中影響比較大的斷層為F5斷層，斷距4 m，正斷層。

圖1 2603工作面分布圖

3 工作面圍巖穩(wěn)定性分析

2603工作面回采過(guò)程中，通過(guò)F5斷層位置時(shí)，煤壁出現(xiàn)了較大的聲音，支架位移量比較大。為分析存在斷層情況下工作面煤壁圍巖失穩(wěn)情況，現(xiàn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 2603工作面數(shù)值模擬

2603工作面整體存在斷層，斷層會(huì)導(dǎo)致工作面圍巖應(yīng)力分布不均勻，產(chǎn)生煤巖局部變形的現(xiàn)象。為研究斷層影響下，工作面圍巖應(yīng)力分布情況，現(xiàn)采用軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行圍巖應(yīng)力模擬研究。COMSOL Multiphysics是一款多場(chǎng)耦合數(shù)值模擬軟巖，基于有限元分析理論，可以模擬應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多場(chǎng)作用下模塊不同參數(shù)分布情況[5-10]。

在巷道內(nèi)取樣對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，采用電子萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，頂板巖層試驗(yàn)情況如圖2所示。每組試驗(yàn)使用3個(gè)試塊進(jìn)行試驗(yàn)，取參數(shù)平均值為最終值。巖心取樣，樣本直徑20 mm，長(zhǎng)度300 mm。煤層底板及煤樣測(cè)試試驗(yàn)和頂板測(cè)試試驗(yàn)方式相同。

圖2 2603工作面頂板巖層應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)圖

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)得煤層頂板、底板、煤巖及鄰近層巖石應(yīng)力參數(shù)見表1。以表1的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，假設(shè)斷層以外區(qū)域的煤巖為均勻介質(zhì)，煤層的為多孔介質(zhì)。通過(guò)測(cè)試煤層孔隙率為0.15，數(shù)學(xué)模型如下。

1)應(yīng)力場(chǎng)模型

(1)

式中：ρ1——模型密度，kg/m3；

t——時(shí)間，s；

δ′——內(nèi)應(yīng)力，MPa；

F——模型受到的外力，N；

v——模型的位移變化率，m/s；

u——煤巖骨架位移，m/s。

2)滲流場(chǎng)模型

(2)

(3)

式中：Q——單位體積煤內(nèi)的瓦斯含量，m3；

ρ——瓦斯密度，kg/m3；

q——瓦斯?jié)B流速度矢量，m/s；

Qm——整體瓦斯含量，m3。

μ——黏度，Pa·s；

模型不考慮溫度的影響，主要為滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。不同巖層基本參數(shù)見表1，模擬初始變量參數(shù)見表2。

表1 模擬參數(shù)表

表2 模擬變量

根據(jù)參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試煤層頂板承受的初始?jí)毫?5 MPa，進(jìn)行2603工作面圍巖應(yīng)力數(shù)值模擬研究，該數(shù)值模擬過(guò)程為瞬態(tài)模型，模擬頂板在45 MPa的初始應(yīng)力下，14 d內(nèi)的應(yīng)力分布情況。模型總時(shí)間為14 d，模擬步長(zhǎng)為1 d。數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 2603工作面應(yīng)力分布云圖

根據(jù)圖3可知，工作面斷層位置點(diǎn)整體距離運(yùn)輸巷比較近。斷層位置點(diǎn)產(chǎn)生水平位移，向運(yùn)輸巷一側(cè)。而且應(yīng)力集中點(diǎn)主要在斷層位置點(diǎn)，斷層位置點(diǎn)產(chǎn)生自由面，自由面產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，在豎向應(yīng)力的作用下，該區(qū)域會(huì)逐漸出現(xiàn)裂隙發(fā)育，隨后應(yīng)力出現(xiàn)頂板失穩(wěn)。隨后煤壁出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，導(dǎo)致工作面垮塌。

通過(guò)定量分析可知：斷層位置點(diǎn)呈現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，最大應(yīng)力為45 MPa，斷層位置豎向應(yīng)力集中范圍為5 m，斷層點(diǎn)靠近2603運(yùn)輸巷一側(cè)應(yīng)力集中長(zhǎng)度較大，應(yīng)力在35～45 MPa的區(qū)域水平長(zhǎng)度為40 m，靠近2603回風(fēng)巷一側(cè)應(yīng)力記住位置點(diǎn)整體比較小。因此，在沒有支架作用下，斷層位置會(huì)垮落，靠近運(yùn)輸巷道一側(cè)距離斷層位置40 m內(nèi)的頂板巖層均呈現(xiàn)垮落情況，這是由于豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力共同做下產(chǎn)生的；斷層靠近回風(fēng)巷一側(cè)也會(huì)出現(xiàn)局部垮落現(xiàn)象，這是由于巖層為層狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)斷層一側(cè)垮落后，工作面頂板圍巖整體失去平衡，斷層靠近回風(fēng)巷一側(cè)頂板巖層在失去斷層另一側(cè)圍巖水平應(yīng)力，出現(xiàn)整體失衡，從而在水平應(yīng)力下進(jìn)行平向位移，圍巖產(chǎn)生的形變形成的內(nèi)聚力達(dá)到頂板巖層塑性極限，最終導(dǎo)致靠近回風(fēng)巷一側(cè)頂板局部垮落現(xiàn)象。

3.2 支架壓力位移量統(tǒng)計(jì)分析

為研究工作面頂板應(yīng)力情況是否和數(shù)值模擬一致，現(xiàn)對(duì)工作面支架壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為工作面支架壓力分布情況，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，工作面安設(shè)支架126個(gè)，單個(gè)液壓支架寬度1.5 m。根據(jù)統(tǒng)計(jì)每個(gè)液壓支架的應(yīng)力，得到統(tǒng)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 支架壓力統(tǒng)計(jì)圖

由圖4可知，支架承受的壓力在第60個(gè)支架位置出現(xiàn)波峰，距離回風(fēng)巷100 m，運(yùn)輸巷90 m，波峰位置支架承載力為42×106Pa。根據(jù)應(yīng)力分布情況可知，斷層結(jié)構(gòu)距離運(yùn)輸巷30 m范圍內(nèi)應(yīng)力由25 MPa陡增到42 MPa，應(yīng)力增長(zhǎng)步長(zhǎng)為0.23 MPa/m；斷層位置距離回風(fēng)巷一側(cè)30 m范圍內(nèi)，應(yīng)力由42 MPa降低到28 MPa，應(yīng)力減小步長(zhǎng)為0.13 MPa/m；斷層靠近運(yùn)輸巷一側(cè)應(yīng)力變化率是斷層靠近回風(fēng)巷一側(cè)應(yīng)力變換率的1.76倍。

分析出現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻原因，主要因素為斷層影響，斷層改變了工作面應(yīng)力的變化，頂板和底板巖性比較軟，導(dǎo)致整個(gè)工作面巖層在構(gòu)造的情況下出現(xiàn)以上情況。

4 工作面圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，2603工作面煤壁出現(xiàn)失穩(wěn)的主要原因是斷層構(gòu)造影響，其次為頂、底板巖層較軟。為解決以上問題，需要針對(duì)斷層位置點(diǎn)進(jìn)行加固，采用千米定向鉆機(jī)從距離切眼一定位置施工鉆孔至斷層位置點(diǎn)，施工完成后對(duì)斷層區(qū)域進(jìn)行注漿加固[11-13]。

4.1 設(shè)備及材料

鉆機(jī)采用ZYL- 17000D型千米定向鉆機(jī)，鉆孔孔徑160 mm，輔助設(shè)備有BLY400/12泥漿泵、胎體復(fù)合片鉆頭、擴(kuò)孔鉆頭、中心通纜鉆桿、螺桿馬達(dá)、測(cè)量系統(tǒng)、YSX15礦用本安型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)等。

封孔材料為水泥漿，水泥為普通硅酸鹽水泥，水灰比1∶1.28，添加速凝劑。

4.2 鉆孔施工

鉆孔施工設(shè)計(jì)圖如圖5所示，設(shè)計(jì)鉆孔4個(gè)，鉆孔施工完成后進(jìn)行注漿作業(yè)。鉆孔參數(shù)見表2。

圖5 鉆孔設(shè)計(jì)圖

表2 鉆孔參數(shù)表

4.3 注漿工藝

根據(jù)斷層位置以及數(shù)值模擬情況，主要對(duì)斷層位置進(jìn)行注漿封堵，采用GL90- 125型雙液注漿泵，額定量為7 m3/h。工作壓力15 MPa，注漿泵吸漿口口徑38 mm，出漿口直徑32 mm。材料為水泥漿，每10 m進(jìn)行一次注漿，采用膠囊進(jìn)行分段封孔，注漿壓力達(dá)到15 MPa為注漿達(dá)標(biāo)。主要封孔位置為F5斷層位置，距離孔底80 m范圍內(nèi)全部進(jìn)行分段注漿，每個(gè)鉆孔分八段進(jìn)行注漿。每段的注漿量見表3。

表3 注漿量表

4.5 注漿效果分析

通過(guò)對(duì)斷層區(qū)域注漿作業(yè)，凝固一天后對(duì)工作面126個(gè)液壓支架壓力進(jìn)行考察，注漿后支架壓力分布如圖6所示。

圖6 支架壓力分布

由圖6可知，施工完成定向鉆孔后，整個(gè)工作面各個(gè)支架壓力分布比較均勻，在20×106～30×106Pa為出現(xiàn)應(yīng)力變化較大區(qū)域?，F(xiàn)場(chǎng)回采過(guò)程中，未出現(xiàn)支架吱吱作響的聲音。

5 結(jié)論

山西某礦2603工作面出現(xiàn)液壓支架異響、液壓支架壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象，采用數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的方法分析煤壁應(yīng)力失穩(wěn)的原因，制定了治理措施，得出以下結(jié)論：

(1)采用軟件軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行多場(chǎng)耦合模擬研究，得出工作面圍巖應(yīng)力失穩(wěn)情況為斷層位置點(diǎn)周邊大面積垮落；液壓支架壓力數(shù)據(jù)觀測(cè)及頂板巖層破碎情況和數(shù)值模擬結(jié)果基本一直。

(2)數(shù)值模擬顯示斷層點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力異常，集中點(diǎn)45×106Pa；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，斷層位置點(diǎn)支架承受最大應(yīng)力為42×106Pa；綜合分析導(dǎo)致煤壁失穩(wěn)主要原因?yàn)閿鄬佑绊憽?/p>

(3)通過(guò)千米定向能鉆機(jī)施工，效果考察結(jié)果顯示，在斷層區(qū)域注漿加固后，工作面煤壁整體穩(wěn)定，支架壓力在20×106～30×106Pa波動(dòng)，數(shù)據(jù)整體區(qū)域平緩。

(4)通過(guò)效果考察分析，注漿作業(yè)有效控制了2603工作面煤壁失穩(wěn)的現(xiàn)象，研究結(jié)果和研究方法對(duì)于類似礦井具有一定指導(dǎo)意義和現(xiàn)實(shí)意義。