综采工作面施工对上覆岩体结构及工程稳定性影响研究

宁掌玄,张锋春,丁广富

(1.山西大同大学煤炭工程学院,山西 大同037003;2.东北大学 资源与土木工程学院,辽宁沈阳 110004;3.同煤集团云冈矿,山西大同 037017)

煤矿常常将回采工作面布置在上覆煤层已开采工作面的残留煤柱和采空区下,使工作面处于上覆工作面煤柱和本工作面回采所产生的迭合支承压力下,这种情况对现回采工作面的开采和回采巷道的支护会带来很大程度的影响。本文通过对云冈矿11#层8908工作面受上覆煤柱压力等复杂工况条件下的回采情况进行分析,提出了相应的解决方案和采取的技术措施,并进行了相应的数值模拟,对今后类同的工程具有积极的指导作用。

1 工程概述

云冈矿11#层309盘区8908工作面走向长度1 340m,倾向长度140 m,煤层厚度0.35 m～2.70 m,平均厚度1.97 m;煤层倾角1°～8°,平均倾角6°。本工作面煤层底板呈一复式向背斜构造,总体趋势北高南低,区内发育落差0.4 m～0.8 m的6条正断层,如图1地质图所示。

8908工作面在距切巷445 m～480 m发育一煤层变薄区,厚度0.35m～1.70 m。本工作面上覆为8#层81108、81112工作面采空区及 8#层311-2皮带巷、511-2回风巷道,8#层81110工作面在本区域上覆未采;上覆 7#层为 81112、81104工作面采空区。上覆8#层工作面与11#层工作面平行布置,7#层工作面与8#层工作面垂直布置,开采期间8908工作面的皮带顺槽巷道2908巷及工作面尾半部压力较大。

工作面采至距509回风巷386 m～150 m处同时经过漏顶斜巷区和上覆8#层51112-21110采面煤柱、51110-21108采面煤柱。工作面普遍存在一层0.40 m～1.30 m的伪顶,且其间发育一层0.05 m～0.10 m的煤线,靠近东部与10#层层间距为1.20 m左右,向西面逐渐尖灭。

本工作面在掘进期间,煤柱叠加压力便显现明显,造成巷道漏顶并重新开设新口掘进,因此本面开采前就要求加强顶板的维护管理。工作面顶底板情况:老顶为粉细砂岩,厚度17.1 m～18.9 m,深灰色,含石英,少量暗色矿物;直接顶为粉细砂岩,厚度7.59 m～10.12 m,深灰色,含少量植物化石,顶部为煤线;伪顶为粉砂岩夹煤线,厚度0.40 m～1.30 m,黑灰色,层理发育;直接底为中细砂岩,厚度8.53 m～14.09 m,深灰色,含石英,少量暗色矿物。

图1 工作面地质图

8908工作面采用倾斜长壁后退式,采空区顶板全部垮落法开采,一次采全高,采煤机端头斜切进刀,割三角煤后,前滚筒割顶煤,后滚筒割底煤并装煤,工作面运输机运煤,距采煤机后滚筒4.5 m依次移架,及时支护,机后15 m开始顺序移溜,直至另一端头,如此循环往复,循环进度0.6 m,进刀长度25 m。

2 复杂条件下的开采技术

2.1 过煤层变薄区

本工作面采至445 m～480 m处,工作面头部及2908皮带巷道经过一煤层变薄区,从巷道揭露情况观察,预计平面上呈椭圆形状,长轴约35 m,短轴约30 m,厚度在 0.35 m～1.70 m。实际开采过程中发现,工作面头部长、短轴均有延伸,达到长轴45 m,短轴40 m,给正常生产造成一定困难。

通过采取以下措施顺利通过此段煤层变薄区。当变薄区过渡段顶底板岩层厚度小于30 cm时,采煤机割顶割底以此来保证采高;当顶底板岩层变厚时,采取松动爆破对岩石进行破碎以便来保证采高基本不变;同时采取追机擦顶移架,支架拉至最小空顶距;在2908皮带巷道采用铺设金属网、打注锚索工字钢梁,结合作业规程超前单体柱支护来加强变薄区顶板的维护[1,2]。

2.2 过断层

在工作面采至1 210 m时,遇到6条落差为0.4 m～0.8 m的正断层,影响范围在23#～43#、51#～59#、62#～64#支架处,对正常生产造成很大影响。

通过采取以下措施,顺利通过此大范围断层:当岩石厚度小于30 cm时,煤机割顶割底来保证采高;当岩石变厚时,采取松动爆破对岩石进行破碎以便来保证采高基本不变;同时采取追机擦顶移架,支架拉至最小空顶距;加强支架和电气设备管理,用皮带护套保护好支架,杜绝电气失爆,保证设备完好,严格控制打眼数量、深度和装药量,防止挤压运输机。

2.3 过漏顶斜巷区

工作面采至距5908回风巷386 m～150 m的236 m范围处,由于原5908巷道在掘进巷道时受上覆7#、8#层煤柱叠加压力发生顶板来压漏顶,于是在此236 m范围将5908巷道向工作面移动了15 m,5908巷便出现了此段斜巷—直巷—斜巷的区域。

为了顺利通过此段区域,采取了以下措施:在工作面推进至距5908回风巷386 m的斜巷时,进行小搬家,工作面缩短15 m,撤出尾部10个支架,当采至距5908回风巷150 m的斜巷时,再增加10个支架;提前编制措施,对5908巷的斜巷三角区、搬家直横峒、原5908巷至密闭墙巷道顶板进行铺设金属网、打注锚索钢梁棚及抬棚、支设单体柱来维护顶板,采用尼龙网锚杆锚索护帮;工作面采至距进行小搬家停采线12 m处,80#～96#支架要铺设金属网直至停采线,同时距停采线5.7 m时每架一架便对顶板进行打注锚索,距停采线4.0 m时架设长为4.0 m的倾向梁,倾向梁的搭接长度为0.5 m;另外,加强搬家绞车、吊装梁的管理,加快搬家进度,加快工作面推进速度,在顶板未发生明显变化前及时通过此区域[3,4]。

2.4 过上覆采空区煤柱

本工作面有上覆7#、8#层多个工作面采空区煤柱,为保证安全顺利通过,采取了以下措施:提前对煤柱影响范围内两巷顶板进行维护,采用锚索钢梁棚,及锚索钢梁抬棚维护,靠近工作面煤帮采用锚索支护;采煤机割煤采用割底煤、超前拉架维护机道顶板,防止了工作面发生漏顶;如遇顶板破碎,压力显现明显情况,对两巷铺设金属网后进行架设锚索钢梁棚或抬棚,同时采用尼龙网锚杆锚索进行护帮,将超前支护改为3排,如图2支护结构图所示。

图2 巷道支护结构

具体体现在以下一些措施上:

受上覆7#层81104工作面停采线和煤柱叠加压力影响区域(范围从工作面切巷至尾巷16#测点、皮巷15#测点共计550 m)。范围内采取以下措施:补注锚索钢梁棚加支带帽木点柱,尤其要加强5908回风巷道的支护,对局部已出现片帮掉渣的巷道要进行补充加强支护;尾巷16#观测点,皮巷15#观测点前后40 m范围内应补充支护,防止出现漏顶现象。

受8#层煤柱影响区域(距5908回风巷190 m、360 m、500 m、610 m处)。范围段采取以下措施:根据8906工作面开采情况,煤柱影响范围一般为煤柱前后20 m加上煤柱本身宽度大约共计64 m的范围,对此范围加强支护,补支锚索钢梁棚;另外对2908巷道4#观测点煤柱影响区域,如果出现顶板下沉、掉渣、煤帮片帮等现象,应紧急采取补充支护[4,5]。

开采期间,工作面机道距2908巷 30 m处遇有8#层81112停采线及8#层81108停采线,机道在此范围内出现压力增大,出现顶板破碎及工作面煤柱超前片帮等现象。为此采取以下措施:在开采此范围期间,采用割底煤超前拉架以维护工作面机道顶板,防止工作面出现漏顶现象;2908皮带巷靠人行道一侧的煤帮提前采取补护帮网,护帮长度500 m。

2.5 其 它

工作面普遍存在一层0.40 m～1.30 m伪顶,且其间发育一层0.05 m～0.10 m的煤线,靠近东部与10#层层间距为1.20 m左右,向西面逐渐尖灭。由于工作面平均煤层厚度为1.97 m,为保证采高,采煤机普遍要破0.05 m～0.40 m的伪顶,给本来便不易留存的伪顶管理带来更大难度,为保证安全,采取了以下措施:割煤采用及时移架,控制伪顶;避免人员机道作业,检修时支设临时支护;加强支架管理,保证乳化液浓度和初撑力达标。

工作面开采过程中,对通风、瓦斯、煤尘等均实现了安全管理,未因此而发生事故和造成对开采的影响。

3 数值模拟分析

采用大型有限元分析软件MIDAS/GTS进行建模分析,为了更贴近实际工程,建立模型时首先采用导入工程地层标高方法,以便更准确地体现各部位所承受的重力荷载作用情况,其次将本工作面开采过程中遇到的上覆采空区煤柱、顶板破坏区、煤层变薄区、断层、伪顶等特殊工况条件,以及采取的支设单点柱、锚网支护、增加超前支护、架设金属网锚索钢梁、钢梁棚等有效技术手段和方法措施作为建模依据,具体的几何建模信息情况如图3所示,网格划分结果如图4所示[6]。

图3 巷道三维数值模型

图4 网格划分图

在重力荷载作用下对所建立模型进行有限元分析,得出地层结构应力应变结果如图5、图6所示。由计算结果可见,巷道四角处发生变形最为明显,右侧拱脚处应变最大,为36.75mm。在此基础上,对巷道衬砌进行受力分析,图7、图8分别为巷道部分开挖网格划分图和衬砌受力图,由此计算结果可见,巷道顶板处应力较为集中,拱顶最大应力为43.2 MPa,但是在可接受范围内[7～9]。

由模拟结果可见,11#的开采是安全的,与实际结果相符,证明建模是正确的,此次建模技术将会为以后类似工况条件下的回采工作提供有力的技术指导,其意义重大。

图5 地层应力云图

图6 地层应变云图

图7 巷道网格划分

图8 巷道Z方向应力

4 结 论

本回采工作面实际开采中所遇到的问题具有典型性,实际回采中采取的技术措施、手段,建模的方法、分析手段等为今后类似工作面的开采可以提供很好的技术支持,该技术有良好的应用价值,值得积极推广和进一步的发展和完善。

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