崔騰騰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)南河煤礦，山西 晉城 048400）

工作面回采過程中，通過斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，如果工作面區(qū)域不采取任何措施，采面支架會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象。目前，我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙呀?jīng)做過大量研究，如孫毓言教授[1]對(duì)大傾角煤層綜采工作面液壓支架穩(wěn)定性情況進(jìn)行了研究，對(duì)傾角大的煤層回采中失穩(wěn)情況進(jìn)行了力學(xué)分析；王宏偉、鄧代新、江燦、石瑞明、閆鑫等人[2]進(jìn)行了采動(dòng)過程中褶皺構(gòu)造對(duì)圍巖應(yīng)力的影響；楊軍等人[3]進(jìn)行了斷層構(gòu)造下無煤柱開采圍巖運(yùn)移規(guī)律的研究等。研究成果主要針對(duì)于圍巖運(yùn)移規(guī)律的理論研究[4-8]，或主要針對(duì)于工程實(shí)踐，對(duì)于具體礦井工作面回采過程中通過褶皺構(gòu)造的理論研究和工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合研究較少。

山西煤銷集團(tuán)有限公司礦井15108 工作面地質(zhì)情況復(fù)雜，回采初期部分支架出現(xiàn)傾斜較大、支架應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大現(xiàn)象。為防止回采過程中由于地質(zhì)因素形成的工作面支架破壞現(xiàn)象，對(duì)該問題采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工方式進(jìn)行相關(guān)研究。

1 概況

15108 工作面走向長(zhǎng)度為1685 m，切眼長(zhǎng)度188 m，主采煤層5#煤層，煤層平均厚度4.3 m，平均傾角8°。煤層頂板為粉砂巖，平均厚度5.3 m；煤層底板為砂巖，平均厚度3.2 m。工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，一次采高2.5 m，放頂1.8 m。工作面區(qū)域存在褶皺結(jié)構(gòu)2 個(gè)，1540～1640 m、250～280 m 煤層褶皺發(fā)育。斷層6 個(gè)，工作面回采至762 m 位置點(diǎn)出現(xiàn)1#褶皺情況。

15108 工作面整體地質(zhì)呈現(xiàn)西低東高的現(xiàn)象。工作面回采到762 m 揭露出構(gòu)造為褶皺構(gòu)造，回采揭露至13#支架，煤層傾角陡增至25°，煤層厚度增加到6 m，12#支架位置點(diǎn)煤層厚度為2 m，煤層厚度相差4 m。綜合分析，預(yù)測(cè)710 m 位置點(diǎn)為褶皺構(gòu)造尖滅，隨后煤層整體穩(wěn)定。褶皺擠壓帶整體走向N30°E，隨著回采進(jìn)度，走向增大為N45°E。

2 構(gòu)造區(qū)域圍巖應(yīng)力模擬研究

為研究褶皺構(gòu)造對(duì)整個(gè)工作面的影響，現(xiàn)對(duì)工作面回采過程中采面圍巖演化過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。模擬研究采用軟件為FLAC3D，主要模擬工作面回采通過褶皺構(gòu)造10 m、20 m、30 m 時(shí)斷面圍巖應(yīng)力分布云圖。

首先現(xiàn)場(chǎng)取樣，分別在工作面頂板、底板、煤層位置點(diǎn)取煤層、巖層樣本，送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。所測(cè)得參數(shù)見表1。

表1 圍巖應(yīng)力測(cè)試表

根據(jù)工作面長(zhǎng)度及圍巖應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬得出工作面推進(jìn)10 m、20 m、30 m 時(shí)褶皺區(qū)域斷面圍巖應(yīng)力分布情況如圖1。

圖1 工作面推進(jìn)過程中圍巖應(yīng)力分布云圖

由圖1 可知，工作面推進(jìn)至距離褶皺斷面10 m 范圍時(shí)，工作面整體應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)椴擅骓敯搴偷装澹敯鍛?yīng)力集中區(qū)域?yàn)?0 m，底板應(yīng)力較為集中區(qū)域?yàn)閿嗝嫦路?5 m。當(dāng)工作面推進(jìn)至距離褶皺斷面20 m 范圍時(shí)，采面頂板應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)上幫大、下幫小的情況，工作面頂板豎向應(yīng)力集中高度為12 m，底板應(yīng)力豎向集中區(qū)域?yàn)?8 m，采面下幫區(qū)域應(yīng)力釋放區(qū)域變大。當(dāng)工作面推進(jìn)至距離褶皺斷面30 m 時(shí)，采面頂板上幫應(yīng)力集中區(qū)域擴(kuò)大，下幫應(yīng)力集中區(qū)域較小，豎向長(zhǎng)度為21 m；底板出現(xiàn)大面積應(yīng)力集中區(qū)域，豎向長(zhǎng)度為30 m；采面兩幫出現(xiàn)大面積應(yīng)力釋放區(qū)域。因此，如果不進(jìn)行超前支護(hù)措施，工作面通過該區(qū)域時(shí)會(huì)出現(xiàn)液壓支架推動(dòng)困難的現(xiàn)象。

3 安全措施及效果

由于褶皺構(gòu)造的影響，導(dǎo)致工作面圍巖整體失去平衡，圍巖產(chǎn)生的豎向應(yīng)力分布不均勻，回采過程中會(huì)導(dǎo)致采面液壓支架受力不均勻的情況，部分液壓支架應(yīng)力過于集中，無法正常推進(jìn)。為解決該問題，擬采用頂板超前注漿措施。為確定注漿壓力和頻率，采用UDEC 進(jìn)行了褶皺區(qū)域巖層內(nèi)注漿壓力擴(kuò)散半徑模擬研究，模擬得出不同注漿壓力下頂板內(nèi)漿液擴(kuò)散半徑如圖2。

圖2 不同注漿壓力漿液擴(kuò)散半徑模擬圖

由圖2 可知，隨著注漿壓力不斷增大，漿液擴(kuò)散半徑越大。目前礦上可以提供設(shè)備注漿壓力可達(dá)到600 kPa，在該注漿壓力下進(jìn)行注漿作業(yè)，隨著注漿時(shí)間的推進(jìn)，擴(kuò)散半徑不斷增大，單個(gè)鉆孔注漿時(shí)間為1 h。鉆孔設(shè)計(jì)如圖3，鉆孔參數(shù)見表2。

圖3 鉆孔設(shè)計(jì)圖

表2 鉆孔參數(shù)表

施工完成后，工作面推進(jìn)過程中對(duì)工作面支架數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，工作面布置液壓支架120 個(gè)，分別對(duì)每個(gè)支架通過褶皺構(gòu)造的三個(gè)班次數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖4。

圖4 液壓支架應(yīng)力觀測(cè)圖

由圖4 可知，進(jìn)行注漿作業(yè)后，工作面頂板整體性較好，通過三班對(duì)回采面通過褶皺構(gòu)造過程中工作面120 個(gè)液壓支架應(yīng)力觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，支架應(yīng)力在33～42 MPa 之間波動(dòng)，未出現(xiàn)大的變化?，F(xiàn)場(chǎng)回采過程中液壓支架挪動(dòng)順利，注漿技術(shù)措施有效解決了工作面通過褶皺構(gòu)造回采不暢的問題。

4 結(jié)語

為解決南河煤礦15108 工作面褶皺構(gòu)造帶回采困難的問題，現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)驗(yàn)室參數(shù)測(cè)試，采用FLAC3D軟件進(jìn)行回采推進(jìn)不同距離褶皺斷面位置點(diǎn)應(yīng)力分布云圖數(shù)值模擬研究，制定了支護(hù)措施，進(jìn)行了注漿擴(kuò)散模擬試驗(yàn)，進(jìn)行注漿作業(yè)并后期效果考察，得到以下結(jié)論：

（1）隨著工作面不斷推進(jìn)，當(dāng)工作面通過褶皺構(gòu)造30 m 時(shí)，工作面圍巖大面積失穩(wěn)；

（2）注漿壓力600 kPa 注漿泵單孔注漿時(shí)間1 h 可滿足支護(hù)要求；

（3）褶皺構(gòu)造區(qū)域施工注漿孔6 個(gè)，注漿完成后，回采期間效果考察，工作面液壓支架未出現(xiàn)大的波動(dòng)，回采工作安全順暢。