伊永杰

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)保德煤礦，山西省忻州市，036600)

神府東勝煤田煤層埋藏淺、傾角小、厚度大、地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，煤質(zhì)優(yōu)良。國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)在該煤田目前已建成多個(gè)年產(chǎn)量超過(guò)千萬(wàn)噸的綜采工作面。在這種高產(chǎn)高效綜采工作面搬家時(shí)，神東煤炭集團(tuán)通過(guò)采用預(yù)先掘出回撤通道，使工作面搬家時(shí)間縮短至10 d以內(nèi)，大大加快了工作面的搬家速度。

工作面回撤階段的巷道布置如圖1所示。在停采線附近預(yù)先掘出2條垂直于回采巷道的回撤通道，靠近工作面的為主回撤通道，另一條為輔回撤通道，其間采用聯(lián)絡(luò)巷連接。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用中，當(dāng)工作面與主回撤通道貫通時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到工作面底板和主回撤通道底板不一致的情況，為此神東煤炭集團(tuán)率先采用沿垂直于主回撤通道方向預(yù)先掘出若干調(diào)節(jié)巷，使采煤機(jī)沿調(diào)節(jié)巷頂?shù)装逭{(diào)節(jié)工作面底板和頂板的位置，準(zhǔn)確而又方便地控制底板標(biāo)高。為了保證搬家時(shí)工作人員的安全，還會(huì)在距離停采線15～20 m處懸掛隔離網(wǎng)，避免破碎矸石冒落到回撤空間。

圖1 工作面回撤階段的巷道布置

近年來(lái)隨著淺部煤炭資源的日益枯竭，各大礦井的開(kāi)采煤層逐漸向較深部轉(zhuǎn)移。多個(gè)工作面在臨近回撤通道處出現(xiàn)了片幫、漏矸甚至冒頂現(xiàn)象，當(dāng)漏冒嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致支架活柱大幅下縮甚至被壓死、采煤機(jī)無(wú)法通過(guò)等事故，嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)和回撤工作，因此找出此類條件下壓架冒頂問(wèn)題的機(jī)理成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

基于預(yù)掘回撤通道的一系列優(yōu)勢(shì)，目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的推廣使用[1-2]，并形成了較為成熟的評(píng)估和發(fā)展體系[3-4]。在預(yù)掘回撤通道頂板管理問(wèn)題上，眾多研究人員針對(duì)預(yù)掘回撤通道的支護(hù)設(shè)計(jì)[5-6]、頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[7-9]、回撤階段防滅火[10]和支架拆除工藝[11]等領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，這些研究結(jié)果對(duì)預(yù)掘回撤通道技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用起到了重要的指導(dǎo)作用。但由于神東礦區(qū)工作面在回撤通道均采用高性能垛式支架管理頂板，回撤空間的頂板問(wèn)題較少，反而由于采用了調(diào)節(jié)巷，使得工作面在接近回撤通道時(shí)容易發(fā)生冒頂甚至壓架事故，目前這方面的研究較少。因此，本文以大柳塔礦回撤通道處發(fā)生的壓架冒頂事故為研究背景，對(duì)工作面發(fā)生壓架冒頂事故的原因、機(jī)理以及防治對(duì)策開(kāi)展研究。

1 臨近回撤通道冒頂事故案例

1.1 大柳塔煤礦52304工作面壓架冒頂事故

52304工作面是神東礦區(qū)大柳塔礦5-2煤層三盤(pán)區(qū)首個(gè)采用7 m采高支架的工作面。煤層傾角1°～3°，工作面走向推進(jìn)長(zhǎng)度4 547.6 m，傾斜長(zhǎng)度301.0 m，在回撤階段其埋深為+275 m，調(diào)節(jié)巷長(zhǎng)度20.0 m，寬為4.0 m，主回撤通道為6.8 m，輔回撤通道寬度為6.0 m，回撤通道間隔20.0 m，在52304工作面推進(jìn)至距回撤通道20.0 m時(shí)采取停采等壓；在距回撤通道17.5 m時(shí)出現(xiàn)周期來(lái)壓，此時(shí)工作面正在懸掛柔性網(wǎng)，期間39～108號(hào)支架活柱下縮嚴(yán)重，86～88號(hào)支架活柱行程不足1 m，采煤機(jī)無(wú)法通過(guò)，端面漏矸嚴(yán)重，在調(diào)節(jié)巷與工作面交叉點(diǎn)端面頂板漏冒最大高度達(dá)5.0 m、沿工作面傾向連續(xù)漏冒范圍達(dá)33.0 m，如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)頂板漏冒情況如圖3所示，處理了14 d才最終解決，嚴(yán)重影響了該工作面的安全高效生產(chǎn)。

圖2 52304綜采面頂板冒頂位置示意

圖3 工作面漏冒現(xiàn)場(chǎng)照片

1.2 回撤階段壓架冒頂主控因素確定

結(jié)合文獻(xiàn)[10]統(tǒng)計(jì)的神東礦區(qū)調(diào)節(jié)巷交叉點(diǎn)冒頂事故統(tǒng)計(jì)表發(fā)現(xiàn)，大柳塔礦52304工作面端面漏冒也發(fā)生在與主回撤通道溝通的調(diào)節(jié)巷附近，因此，判斷該冒頂事故應(yīng)該與調(diào)節(jié)巷有關(guān)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明神東礦區(qū)回撤階段冒頂事故主要發(fā)生在布置調(diào)節(jié)巷且處于較大埋深的工作面，埋深淺的工作面都沒(méi)有發(fā)生過(guò)冒頂事故，據(jù)此認(rèn)為調(diào)節(jié)巷的存在與否以及特定的埋深是誘發(fā)大柳塔礦52304工作面回撤階段冒頂事故的主因。

2 回撤階段工作面壓架冒頂機(jī)理

2.1 理論分析

當(dāng)調(diào)節(jié)巷成巷以后，其上方應(yīng)力便轉(zhuǎn)移至巷幫兩側(cè)煤體，形成應(yīng)力集中區(qū)。支承壓力峰值位置與煤壁之間區(qū)域?yàn)樗苄詤^(qū)，其中靠近煤壁處應(yīng)力低于原巖應(yīng)力的煤體為破裂區(qū)，如圖4所示。若塑性區(qū)寬度為x0，并近似認(rèn)為塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力分布為線性分布，則破裂區(qū)寬度x可用公式(1)表示。

圖4 調(diào)節(jié)巷開(kāi)挖后應(yīng)力轉(zhuǎn)移情況

(1)

式中：K——為應(yīng)力集中系數(shù)；

γH——覆巖載荷；

p——支架的支撐阻力；

m——煤體高度；

C——煤體黏聚力；

φ——煤體內(nèi)摩擦角；

f——煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)；

ξ——三軸應(yīng)力系數(shù)。

當(dāng)工作面接近調(diào)節(jié)巷，工作面超前支承壓力也將前移至調(diào)節(jié)巷附近煤體上方，持續(xù)增大的應(yīng)力會(huì)造成破裂區(qū)煤體徹底失去承載能力，并且在調(diào)節(jié)巷與工作面交叉處由于支護(hù)力不足，造成嚴(yán)重的片幫事故，使得頂板懸露面積加大，進(jìn)而導(dǎo)致頂板冒落。壓架冒頂?shù)难莼^(guò)程如圖5所示，當(dāng)頂板破碎冒落后，支架的支撐阻力難以有效傳遞到覆巖結(jié)構(gòu)，而導(dǎo)致其失穩(wěn)并造成支架活柱大幅下縮甚至壓死事故。

圖5 壓架冒頂?shù)难莼^(guò)程

根據(jù)式(1)，破裂區(qū)寬度與埋深呈正相關(guān)，因此冒落的可能性和程度會(huì)隨著埋深的增加而加大。為進(jìn)一步分析調(diào)節(jié)巷對(duì)工作面冒頂和壓架影響的機(jī)理，需要進(jìn)一步分析調(diào)節(jié)巷對(duì)煤體垂直應(yīng)力以及巷道圍巖變形量的影響。

2.2 調(diào)節(jié)巷對(duì)煤體應(yīng)力和圍巖變形影響的數(shù)值模擬

2.2.1 模型方案的建立和參數(shù)的選取

采用FLAC3D有限元數(shù)值計(jì)算軟件，針對(duì)調(diào)節(jié)巷對(duì)壓架冒頂?shù)挠绊戇@一問(wèn)題進(jìn)行模擬研究。模擬中巖層賦存特征參照了大柳塔礦52304工作面覆巖實(shí)際分布情況。模擬共設(shè)定2組方案：方案一中模型的長(zhǎng)×寬×高為300 m×200 m×120 m，其中，煤層厚度為5 m，底板厚度20 m，煤層埋深為100 m，調(diào)節(jié)巷支護(hù)形式與現(xiàn)場(chǎng)保持一致。此次模擬制定了100、150、200、250、300、350、400 m 7組埋深條件，以確定存在調(diào)節(jié)巷的前提下，埋深對(duì)工作面前方圍巖穩(wěn)定的影響。當(dāng)模擬埋深超過(guò)100 m時(shí)，上覆巖層重量以均布載荷的形式施加到模型頂界面上，根據(jù)神東礦區(qū)巖層平均容重，確定埋深每增大50 m，均布載荷增加1.25 MPa。方案二重點(diǎn)模擬在埋深為250 m的工作面中，調(diào)節(jié)巷的存在與否對(duì)煤體垂直應(yīng)力和變形的影響。

2.2.2 模擬結(jié)果分析

方案一中不同埋深對(duì)巷道圍巖變形的影響曲線如圖6(a)所示，可知當(dāng)埋深從100 m增加至400 m時(shí)，頂?shù)装逡平繌?7.5 mm增大至1 011.6 mm，兩幫移近量從40.0 mm增大至1 340.0 mm，表明埋深增大時(shí)，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃纬尸F(xiàn)線性增加的趨勢(shì)。圖6(b)為方案二中有、無(wú)調(diào)節(jié)巷時(shí)的圍巖應(yīng)力峰值變化曲線，圍巖應(yīng)力云圖如圖6(c)和圖6(d)所示，可知，調(diào)節(jié)巷的存在對(duì)工作面前方煤體支承應(yīng)力分布影響較大，當(dāng)有調(diào)節(jié)巷時(shí)煤體邊角處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大支承應(yīng)力峰值達(dá)到21.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.4；而當(dāng)沒(méi)有調(diào)節(jié)巷時(shí)煤體最大支承應(yīng)力峰值為15.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)僅為2.4；由此可見(jiàn)，在一定的埋深條件下，回撤階段調(diào)節(jié)巷的存在會(huì)造成煤體應(yīng)力顯著增加，工作面前方支承應(yīng)力會(huì)在調(diào)節(jié)巷交叉點(diǎn)周邊圍巖中疊加形成更大的集中應(yīng)力現(xiàn)象，加劇回撤階段調(diào)節(jié)巷交叉點(diǎn)周邊煤體的失穩(wěn)破壞，最終導(dǎo)致工作面端面出現(xiàn)頂板冒頂。

圖6 數(shù)值模擬結(jié)果

3 防治對(duì)策

調(diào)節(jié)巷將工作面前方煤體分割為幾段煤柱，這將會(huì)增大煤體局部應(yīng)力，削弱煤體的承載力，并使得工作面部分頂板懸漏面積增大，隨著埋深的加大，極易引起煤體大面積破壞片幫和端面漏冒等問(wèn)題，給工作面頂板的控制帶來(lái)巨大的困難。同時(shí)工作面在回撤階段要進(jìn)行掛網(wǎng)作業(yè)，這將會(huì)減緩工作面的推進(jìn)速度，客觀上又增加了頂板管理的難度。因此，為保證工作面的安全回撤，提出以下預(yù)防措施。

3.1 回撤巷道布置的優(yōu)化

目前神東礦區(qū)綜采面回撤巷道系統(tǒng)主要包括主回撤通道、輔回撤通道和調(diào)節(jié)巷，而當(dāng)埋深逐漸加大時(shí)，調(diào)節(jié)巷是引起工作面發(fā)生壓架冒頂事故的主要原因。因此應(yīng)重點(diǎn)在調(diào)節(jié)巷的布置方面對(duì)回撤巷道進(jìn)行合理選擇。數(shù)值模擬結(jié)果表明，改變調(diào)節(jié)巷的間隔和寬度對(duì)巷道的變形量影響很小，但是調(diào)節(jié)巷圍巖變形量對(duì)埋深特別敏感，因此應(yīng)以埋深為條件，確定調(diào)節(jié)巷適用范圍。

工作面接近調(diào)節(jié)巷時(shí)，其前方煤體被分割為獨(dú)立的煤柱。由于調(diào)節(jié)巷的長(zhǎng)度一般為15～20 m，間隔一般大于40 m，且隨著工作面的推進(jìn)，煤柱的走向尺寸逐漸減少，因此其承載能力也逐漸降低。根據(jù)奧伯特·德瓦爾(Obert-Dwvall)公式，煤柱的強(qiáng)度可表示為：

(2)

式中：R——煤柱的強(qiáng)度；

Rc——煤的立方體單軸抗壓強(qiáng)度；

B——煤柱寬度；

h——煤柱高度。

根據(jù)神東礦區(qū)調(diào)節(jié)巷普遍布置情況，h取5 m、調(diào)節(jié)巷長(zhǎng)度取20 m，則煤柱寬度B在工作面推進(jìn)至調(diào)節(jié)巷時(shí)為20 m，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)神東多個(gè)工作面煤樣的測(cè)定，Rc取13.5 MPa。將煤體的極限承載力隨工作面推進(jìn)的變化情況與不同埋深條件下工作面進(jìn)入調(diào)節(jié)巷過(guò)程中煤體應(yīng)力值變化相比較，如圖7所示。

由圖7可知，工作面剛進(jìn)入調(diào)節(jié)巷時(shí)應(yīng)力值最大，隨著工作面不斷推進(jìn)，應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，這是由于超前支承壓力不斷轉(zhuǎn)移所致。據(jù)此可知超前支承壓力峰值位置由埋深100 m時(shí)的13 m增大至埋深300 m時(shí)的20 m，因此工作面發(fā)生壓架冒頂危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)檫M(jìn)入調(diào)節(jié)巷的初始期。圖7還揭示了當(dāng)埋深達(dá)到250 m時(shí)，工作面在進(jìn)入調(diào)節(jié)巷3～7 m間應(yīng)力值超出煤柱的極限載荷，當(dāng)埋深不超過(guò)200 m時(shí)，煤體處于較為安全狀態(tài)，因此可確定調(diào)節(jié)巷試用的臨界埋深應(yīng)在200～250 m之間，并且在進(jìn)入調(diào)節(jié)巷初期為最危險(xiǎn)狀態(tài)。

圖7 不同埋深下煤體應(yīng)力變化曲線

綜合考慮在埋深超過(guò)200 m的工作面應(yīng)取消調(diào)節(jié)巷。若調(diào)節(jié)巷未掘出，可采用從回撤通道向工作面方向打水平鉆孔并充填石灰進(jìn)行標(biāo)記，同時(shí)可結(jié)合高程測(cè)量等方法控制工作面底板標(biāo)高；若調(diào)節(jié)巷已預(yù)先掘出，則應(yīng)考慮對(duì)調(diào)節(jié)巷進(jìn)行回填，或在調(diào)節(jié)巷盡頭掘出新的主回撤通道。

3.2 回撤期間掛網(wǎng)工序位置的合理選取

工作面通常會(huì)在距離回撤通道10～20 m處掛網(wǎng)，掛網(wǎng)初期頂板會(huì)處于大面積懸漏狀態(tài)，對(duì)頂板質(zhì)量要求很高。但是現(xiàn)場(chǎng)工人在選取位置時(shí)往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)合理方法，有時(shí)造成掛網(wǎng)初期處于來(lái)壓位置而誘發(fā)冒頂事故。如在大柳塔煤礦52304工作面案例中，掛網(wǎng)恰逢最后一次周期來(lái)壓位置，使冒頂事故雪上加霜。

對(duì)多個(gè)工作面掛網(wǎng)案例進(jìn)行研究，確定了掛網(wǎng)位置X可表示為：

(3)

式中：Xmin——允許最小掛網(wǎng)長(zhǎng)度，m；

Xo——最大掛網(wǎng)長(zhǎng)度，即柔性網(wǎng)實(shí)際長(zhǎng)度，m；

Lz——最后一次周期來(lái)壓起始位置距主回撤通道的距離，m；

Lc——周期來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度，m；

n——富余系數(shù)，取2～4，一般取3即可；

d——采煤機(jī)截深，m，神東礦區(qū)普遍為0.8 m。

因此現(xiàn)場(chǎng)合理掛網(wǎng)位置的選取需結(jié)合礦壓規(guī)律和掛網(wǎng)相關(guān)參數(shù)。根據(jù)工作面前期多次周期來(lái)壓規(guī)律對(duì)最后一次周期來(lái)壓進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)預(yù)測(cè)最后一次周期來(lái)壓位置小于最小掛網(wǎng)長(zhǎng)度，則掛網(wǎng)位置可以在最小和最大掛網(wǎng)位置之間任意選擇；當(dāng)周期來(lái)壓位置大于最小掛網(wǎng)位置但小于最小掛網(wǎng)位置與來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度之和，考慮到實(shí)際掛網(wǎng)過(guò)程會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，則應(yīng)選擇在來(lái)壓前2～4刀處進(jìn)行掛網(wǎng)；當(dāng)來(lái)壓位置大于最小掛網(wǎng)位置與來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度之和時(shí)，則只需在來(lái)壓結(jié)束之后進(jìn)行掛網(wǎng)作業(yè)即可，若后期柔性網(wǎng)長(zhǎng)度不足，應(yīng)采用金屬網(wǎng)進(jìn)行續(xù)接。

4 工程實(shí)踐

52303工作面是52304工作面的接替面，2個(gè)工作面地質(zhì)條件相同。鑒于52303工作面在回撤階段的埋深已經(jīng)達(dá)到287 m，因此在52303工作面預(yù)先掘出的調(diào)節(jié)巷盡頭重新開(kāi)掘了新主回撤通道。考慮到52304工作面掛網(wǎng)位置不合理性帶來(lái)的嚴(yán)重影響，特針對(duì)52303工作面前期礦壓規(guī)律確定了合理的掛網(wǎng)位置。

統(tǒng)計(jì)出掛網(wǎng)前6次的周期來(lái)壓平均步距為17.0 m，來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為4.6 m。掛網(wǎng)前最后一次來(lái)壓起始位置在33.8 m，故預(yù)測(cè)掛網(wǎng)期間周期來(lái)壓位置在16.8 m。工作面的最小掛網(wǎng)長(zhǎng)度在12.0 m左右，利用式(3)可得出合理的掛網(wǎng)位置為距回撤通道19.2 m處，因此否定了礦方原定在16.0 m處掛網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)判斷，考慮到柔性網(wǎng)的長(zhǎng)度為20.0 m，最終礦方選取在19.0 m處掛網(wǎng)。開(kāi)采實(shí)踐表明：掛網(wǎng)期間工作面礦壓較為正常，工作面在15.5 m處來(lái)壓，此時(shí)已掛網(wǎng)完畢，來(lái)壓期間未出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，工作面實(shí)現(xiàn)了安全順利的回撤。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著埋深的增加，調(diào)節(jié)巷會(huì)大大增大巷道圍巖的變形量和煤體的應(yīng)力極值，容易引發(fā)工作面發(fā)生片幫冒頂甚至壓架等事故。

(2)提出了系統(tǒng)的防治對(duì)策，當(dāng)工作面埋深超過(guò)200 m，應(yīng)取消布置調(diào)節(jié)巷；若調(diào)節(jié)巷已經(jīng)預(yù)先掘出，應(yīng)對(duì)調(diào)節(jié)巷進(jìn)行充填或者開(kāi)掘新的主回撤通道；確定了回撤階段掛網(wǎng)工序合理位置的選取原則，并在大柳塔礦52303工作面得到了成功應(yīng)用。