郎明輝

(山西省晉能控股集團(tuán) 晉城煤炭事業(yè)部?jī)|欣煤業(yè)，山西 晉城 048200)

采煤工作面過(guò)空巷時(shí)，巷道圍巖壓力大，如支護(hù)不當(dāng)，易發(fā)生片幫及冒頂，給煤礦工作面安全開采帶來(lái)嚴(yán)重后果[1-3].張鋒[4]提出采用高水材料充填空巷,為采面安全高效回采創(chuàng)造了良好條件；李超嵩[5]結(jié)合王莊煤業(yè)3505工作面實(shí)際情況，提出了采用注漿充填技術(shù)控制空巷圍巖的方法；李勝利等[6]提出采用超前錨注有效增加空巷巷幫煤體的強(qiáng)度和完整性，同時(shí)配合使用懸吊木垛棚及單體柱對(duì)空巷加強(qiáng)支護(hù),可取得良好加固效果。

本文以某礦厚煤層開采工作面過(guò)空巷為研究背景，分析了隨工作面推進(jìn)，煤柱及空巷頂板應(yīng)力演化特征，構(gòu)建了煤柱失穩(wěn)力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上提出了工作面過(guò)空巷煤柱加固方法，以保障厚煤層開采工作面順利過(guò)空巷，防止煤柱片幫與冒頂事故的發(fā)生。

1 工作面概況

某礦主采5#煤層416工作面，煤層傾角0～5°，煤層平均厚度為6.07 m，工作面走向長(zhǎng)1 230 m，傾向長(zhǎng)450 m，屬于典型的大采高工作面。煤巖體綜合柱狀圖見圖1.

圖1 煤巖體綜合柱狀圖

工作面巷道布置情況見圖2.從圖2可以看出，隨著工作面推進(jìn)，需要穿過(guò)4162巷、4165巷、相關(guān)聯(lián)巷及其后方的對(duì)接切眼，屬于典型的工作面過(guò)空巷問題。對(duì)于短距離聯(lián)巷(2#—8#聯(lián)巷)以及與工作面推進(jìn)方向平行的4162巷及4165巷受煤柱頂板穩(wěn)固性影響相對(duì)較小。當(dāng)工作面推進(jìn)至1#聯(lián)巷時(shí)，由于該聯(lián)巷及其后方的對(duì)接切眼長(zhǎng)度較大，并且與工作面推進(jìn)方向垂直，在采動(dòng)壓力作用下，易造成兩者之間及1#聯(lián)巷左側(cè)煤柱破碎，導(dǎo)致工作面前方煤柱片幫冒頂。

圖2 工作面巷道布置圖

2 工作面過(guò)空巷數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

工作面回采時(shí)，空巷頂板的應(yīng)力演化特征與常規(guī)工作面不同，受工作面推進(jìn)的影響，空巷頂板應(yīng)力發(fā)展處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，為掌握隨工作面推進(jìn)空巷頂板應(yīng)力分布特征，采用數(shù)值模擬手段進(jìn)行分析。由于與工作面推進(jìn)方向垂直的1#聯(lián)巷對(duì)工作面影響最為嚴(yán)重，所建立模型以最長(zhǎng)的1#聯(lián)巷與工作面關(guān)系為參照，充分考慮到巷道的尺寸，建立模型長(zhǎng)135 m×寬155 m×高50 m，確定煤體開挖邊界距離空巷80 m，空巷后方煤體長(zhǎng)度為55 m，空巷尺寸為長(zhǎng)90 m×寬5.5 m×高5 m.巖體力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表

2.2 數(shù)值結(jié)果分析

不同的工作面推進(jìn)距離，煤柱頂板垂直應(yīng)力分布情況見圖3，頂板垂直應(yīng)力變化曲線見圖4.當(dāng)工作面推進(jìn)0 m時(shí)，應(yīng)力集中主要分布在空巷兩側(cè)，呈現(xiàn)對(duì)稱分布特征，工作面頂板所受應(yīng)力大小及其影響范圍均較小，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在空巷頂板幫角位置，約為8.5 MPa(圖3a))；當(dāng)工作面推進(jìn)10 m時(shí)，煤柱頂板垂直應(yīng)力分布范圍快速增加，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在煤柱上方，約為10.5 MPa(圖3b))；當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時(shí)，煤柱頂板所受垂直應(yīng)力與空巷頂板垂直應(yīng)力相互疊加，頂板應(yīng)力最高值出現(xiàn)在近采空區(qū)煤柱內(nèi)部，約為12.4 MPa，受采動(dòng)應(yīng)力影響，空巷兩幫煤壁應(yīng)力也處于增加趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)剩余煤柱承受較大的應(yīng)力(圖3c))；當(dāng)工作面推進(jìn)70 m時(shí)，剩余煤柱厚度為10 m，煤柱與空巷之間的頂板應(yīng)力峰值相互疊加，應(yīng)力最高值可達(dá)14.6 MPa(圖3 d)).綜合分析，隨回采工作面推進(jìn)，煤柱所受應(yīng)力不斷由煤柱幫側(cè)向深入擴(kuò)展，隨著煤柱尺寸的減少，應(yīng)力疊加效應(yīng)逐漸影響到空巷頂板應(yīng)力分布，影響趨勢(shì)隨之增加，剩余煤柱因破碎可能發(fā)生片幫冒頂風(fēng)險(xiǎn)，必須對(duì)空巷附近煤柱采取加固措施。

圖3 煤柱頂板垂直應(yīng)力分布圖

圖4 頂板垂直應(yīng)力變化曲線圖

3 煤柱極限穩(wěn)定寬度確定方法

隨回采工作面推進(jìn)，在采動(dòng)應(yīng)力影響下，煤柱需要經(jīng)歷彈性變形—塑性變形—失穩(wěn)破壞3個(gè)時(shí)期[7].根據(jù)前述數(shù)值分析結(jié)果，工作面初始回采階段，煤柱所受應(yīng)力較小，此時(shí)煤柱處于彈性變形時(shí)期；當(dāng)工作面推進(jìn)過(guò)半，煤柱所受應(yīng)力增加，在發(fā)生破壞之前，屬于塑性變形時(shí)期；當(dāng)煤柱剩余厚度較小時(shí)，煤柱所受應(yīng)力超過(guò)其極限強(qiáng)度，煤柱發(fā)生破壞，屬于失穩(wěn)破壞時(shí)期。為此，建立煤柱失穩(wěn)力學(xué)模型,見圖5.

以空巷右上角作為坐標(biāo)原點(diǎn)，橫坐標(biāo)代表煤柱寬度，縱坐標(biāo)代表頂板應(yīng)力分布值，σc代表原巖應(yīng)力；σa代表空巷支撐壓力峰值；σb代表工作面超前支撐壓力峰值。由圖5可以看出，當(dāng)剩余煤柱較小發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí)，煤柱上方頂板支撐壓力峰值來(lái)源于空巷頂板壓力峰值與工作面壓力峰值的疊加，空巷頂板所受應(yīng)力均高于原巖應(yīng)力，煤柱承受的集中載荷超過(guò)了煤柱的極限強(qiáng)度，無(wú)法為頂板提供可靠的承載力，導(dǎo)致頂板失穩(wěn)破壞。

圖5 煤柱失穩(wěn)力學(xué)模型圖

根據(jù)Bieniawski煤柱強(qiáng)度理論，載荷作用下，周期來(lái)壓步距計(jì)算表達(dá)式：

(1)

式中，L為周期來(lái)壓步距，m；m為采高，m；σ為煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度，MPa；B為煤柱承載覆巖厚度，m；γ為覆巖體積力，kN/m3；H為煤層埋深，m.

當(dāng)煤層頂板在空巷上部出現(xiàn)超前斷裂時(shí)，煤柱極限穩(wěn)定寬度計(jì)算式：

D=L-b

(2)

式中，D為煤柱極限穩(wěn)定寬度，m；b為超前破斷最小空巷斷面寬度，m.

對(duì)于近空巷煤柱所受載荷，一方面來(lái)自于空巷頂板覆巖；另一方面來(lái)自于煤柱頂板覆巖。由此，得到煤柱承載厚度表達(dá)式：

B=b/2+ηL

(3)

式中，η為載荷比值系數(shù)，取1.5；L為周期破斷步距，m.

將式(3)帶入式(1)，可得：

(4)

根據(jù)上述公式，可計(jì)算出超前破斷最小空巷斷面寬度，將其值與實(shí)際空巷寬度做比較，如果該值小于實(shí)際空巷寬度，說(shuō)明頂板發(fā)生超前破斷；如果該值大于實(shí)際空巷寬度，說(shuō)明頂板不會(huì)發(fā)生超前破斷。該礦煤層埋深為321 m，采高為6.07 m，煤體抗壓強(qiáng)度為17.5 MPa，覆巖平均體積力為22.5 kN/m3，周期來(lái)壓步距為13.5 m，將相關(guān)參數(shù)帶入式(4)，計(jì)算得到超前破斷最小空巷斷面寬度為3.6 m.由于實(shí)際空巷寬度為5.5 m左右，則頂板一定會(huì)發(fā)生超前破斷。將相關(guān)參數(shù)代入式(2)，可得煤柱極限穩(wěn)定寬度為9.9 m，這與數(shù)值分析結(jié)果較吻合。綜合分析，在進(jìn)行工作面回采時(shí)，需要對(duì)空巷兩側(cè)煤柱約10 m范圍內(nèi)進(jìn)行加固，防止煤柱破碎失穩(wěn)，發(fā)生片幫冒頂事故。

4 空巷兩側(cè)煤柱加固方法

通過(guò)前述分析，當(dāng)工作面推進(jìn)距空巷10 m時(shí)，頂板垂直應(yīng)力最高可達(dá)14.6 MPa，結(jié)合理論分析，煤柱極限穩(wěn)定寬度為9.9 m，說(shuō)明當(dāng)煤柱寬度剩余10 m時(shí)，對(duì)于空巷長(zhǎng)度較大的1#聯(lián)巷及對(duì)接切眼處煤柱可能發(fā)生片幫冒頂風(fēng)險(xiǎn)。為保障工作面順利過(guò)空巷，需要對(duì)1#聯(lián)巷左側(cè)及其與對(duì)接切眼間的煤柱10 m范圍進(jìn)行加固，以防止煤壁片幫及冒頂事故發(fā)生。

4.1 注漿孔布置方法

對(duì)1#聯(lián)巷與對(duì)接切眼兩側(cè)煤幫進(jìn)行注漿加固，注漿孔布置方式見圖6，圖7.在1#聯(lián)巷兩側(cè)及對(duì)接切眼左側(cè)布置注漿孔，注漿孔采取上下交錯(cuò)布置方式，上排孔間距7 m，下排孔間距7 m，上下排孔交錯(cuò)間距3.5 m，孔徑45 mm，孔深10 m，注漿鉆孔上排孔開孔高度為3 m，仰角5°，采取向上傾斜布置方式，下排孔開孔高度1.5 m，采取水平布置方式。結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，當(dāng)工作面推進(jìn)距離距1#聯(lián)巷40 m時(shí)，提前進(jìn)行施工，鋪設(shè)好注漿管路，并進(jìn)行封孔作業(yè)，隨后進(jìn)行單液注漿加固。

圖6 注漿孔布置平面圖

圖7 注漿孔布置剖面圖

4.2 注漿孔施工工藝

注漿鉆孔施工完成后，立即向孔內(nèi)布設(shè)注漿管及封口套管，封口完成后，當(dāng)工作面推進(jìn)至1#聯(lián)巷40 m時(shí)開始進(jìn)行，從1#聯(lián)巷左側(cè)煤柱開始，順次進(jìn)行。為避免因煤柱邊壁破碎發(fā)生漿體泄露，注漿口使用無(wú)縫鋼管封閉，封孔距離為3 m；為避免孔內(nèi)掉落煤塊堵孔，未封孔部分嵌入直徑35 mm的PE管，長(zhǎng)度為7 m，兩者采取插接方式。封孔的主要作用在于避免漿體泄露，提高漿體利用率及注漿效果，封孔方式見圖8.孔口與孔內(nèi)兩套鋼管連接位置環(huán)繞鐵絲網(wǎng)并進(jìn)行焊接，鋼管端部利用棉質(zhì)紗布封堵，隨即插入注漿管進(jìn)行注漿作業(yè)。

圖8 注漿鉆孔封孔方式圖

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

采用煤柱鉆孔注漿加固方法在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)踐，為了驗(yàn)證該方法的可靠性，對(duì)1#聯(lián)巷頂?shù)装寮皟蓭臀灰魄闆r進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖9.

圖9 巷道位移監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

由圖9可知，隨著工作面與1#聯(lián)巷距離的減小，巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰普w表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，以巷道頂板下沉量最為顯著，總體巷道變形值比較接近，當(dāng)工作面推進(jìn)距空巷10 m時(shí)，巷道整體變形量達(dá)到峰值。此時(shí)，頂板下沉量約為197 mm，底鼓量約為147 mm，兩幫移近量最大約為178 mm，可以看出，通過(guò)對(duì)空巷煤柱進(jìn)行注漿加固，巷道變形值均在允許范圍內(nèi)，整體變形較小，巷道穩(wěn)定性良好。

6 結(jié) 論

1)通過(guò)數(shù)值模擬分析，當(dāng)工作面推近10 m時(shí)，煤柱頂板應(yīng)力峰值約為10.5 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時(shí)，頂板應(yīng)力最高值出現(xiàn)在近采空區(qū)煤柱內(nèi)部，約為12.4 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)70 m時(shí)，煤柱與空巷之間的頂板應(yīng)力峰值相互疊加，應(yīng)力最高值可達(dá)14.6 MPa，煤柱存在失穩(wěn)破壞風(fēng)險(xiǎn)。

2)通過(guò)構(gòu)建煤柱失穩(wěn)力學(xué)模型，煤柱上方頂板支撐壓力峰值來(lái)源于空巷頂板壓力峰值與工作面壓力峰值的疊加，煤柱承受的集中載荷超過(guò)了煤柱的極限強(qiáng)度，導(dǎo)致頂板失穩(wěn)破壞，計(jì)算得到煤柱極限穩(wěn)定寬度為9.9 m.

3)采用空巷煤柱鉆孔注漿加固方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可知，當(dāng)工作面推進(jìn)距空巷10 m時(shí)，巷道頂板最大下沉量約為197 mm，底鼓量約為147 mm，兩幫最大移近量約為178 mm，巷道整體穩(wěn)定性良好，有效防止了煤柱片幫冒頂風(fēng)險(xiǎn)。