回坡底煤矿10#煤复采工作面顶板控制技术研究与应用

2020-05-13李晨涛

煤矿现代化 2020年3期

李晨涛

（霍州煤电集团汾河焦煤股份有限公司回坡底矿，山西洪洞 041602）

0 引言

受过去小煤窑破坏性开采以及技术条件的限制因素，我国矿区遗留了大量优质煤炭资源，如今随着技术水平及设备水平的提高，通常对这些浪费资源进行复采。但是，在遗煤复采过程中，老窑遗留煤柱及采空区通常较不稳定，对回采工作面推进及支护影响极大，也有专家学者对此做了相应研究[1-5]。本文以霍州煤电回坡底煤矿五采区10#煤复采工作面为研究背景，受过去小煤窑开采其上分层的破坏影响，煤层再生顶板破碎，对回采支护影响较大，亟需采用合理有效的方法控制顶板下沉甚至垮落。现采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法，对工作面煤柱及老空区稳定性做了详细研究，并针对工作面过煤柱、过空巷时的顶板控制技术分别做了优化研究，经实际应用后，顶板变形量及煤壁片帮程度均得到了有效控制，从而可保证复采工作面稳定、快速推进。

1 工程概况

1.1 工作面特征

霍州煤电集团回坡底煤矿10-501综采工作面位于矿井井田东北部五采区556水平，工作面标高566m～613m，地面标高766m～912mm，工作面地面位于主副斜井工业广场、大古村庄东北方向，地表为黄土梁垣地貌。地形最高点位于切巷上方（+912m），最低点位于工作面中部上方地面沟谷中（+766m），工作面盖山厚度为160～290m。10-501工作面走向长度1470m，倾向长度250m，10-501工作面为东五采区首采面，井下位于556水平大巷保安煤柱以南，主副斜井工业广场、大古村庄保安煤柱东北方向，工作面东邻东五采区开拓大巷保安煤柱，南部尚未布置工作面。

10-501工作面属于10#煤复采，该煤层其上分层已部分采空，下分层少量采空，现遗煤复采工作面采用一次采全厚倾斜长壁后退式采煤法，规定采高不大于3.0m，工作面循环进度0.6m，切眼长度230m，选用148架ZF6000/18/36型掩护式液压支架和6架ZFG6000/20/34H型过渡支架，端头选用单体柱配合π型梁支护，采用全部垮落法处理采空区顶板。受过去小煤窑采掘破坏影响，破坏区煤层再生顶板破碎，对回采支护影响较大，10-501面掘进过程中共揭露小窑破坏区36处，其中10-5011巷在掘进过程中揭露的小窑破坏区富水性强，且破坏区煤层上覆一层0.2～0.5m厚黄泥伪顶，显示此区域曾被地表雨水侵入。

1.2 煤层特征

10-501工作面回采10#煤层，该煤层厚度3.2～5.0m，煤层倾角 1°～5°，平均 2°，可采指数为1，结构简单。煤层顶底板岩性特征见表1。

表1 煤层顶底板岩性特征

2 上分层老空区与煤柱稳定性分析

2.1 工作面顶板形态

如图1所示，为10-501复采工作面上分层遗煤形态及工作面回采示意图，可见，当进行10#煤下分层复采时，复采工作面顶板上方情况可大概归纳为两类，即顶煤+老空区、顶煤+旧窑遗留煤柱。

图1 10-501工作面回采示意图

10#煤层下部遗煤为复采的主体煤层，其遗煤平均厚度4m左右，最大厚度5m，该煤层结构简单，煤层倾角较小，属于近水平煤层。由于顶部煤层部分采空，现造成复采采场局部煤层疏松、潮湿，局部含矸石1-2层，矸石厚度0.1～0.3m；同时，再生顶板破碎不稳定，回采支护难度较大，围岩控制效果不佳。

2.2 老空区围岩稳定性数值模拟研究

为了解复采工作面上方老空区跨度对围岩稳定性的影响，建立100×100×30m（长×宽×高）的FLAC3D模型，模型X轴方向为工作面推进方向，Y轴为工作面长度布置方向，限制模型水平垂直位移，并施加合理覆岩载荷，分别模拟老空区跨度10m、20m、25m、30m，依据模拟结果的围岩塑性区分布特征分析围岩稳定性，如图2所示。

由图2可知，当老空区跨度从10m增加到20m时，底板和两帮围岩塑性破坏程度逐渐增大，但顶板基本能够保持稳定；当老空区跨度由20m增加到30m时，顶板破坏程度明显增加，且两底角破坏程度也较为明显，塑性区分布与20m跨度前形成鲜明的对比；从图2（d）中可看出，此时围岩已经严重破坏，老空区顶板已完全垮落。

图2 不同跨度老空区下围岩塑性区分布

2.3 遗留煤柱稳定性数值模拟研究

应用上文建立的模型，模拟老空区跨度为20m时，遗留煤柱宽度分别为10m、12m、14m、16m时煤柱的稳定性。

如图3为不同煤柱宽度下的围岩塑性区分布特征，随着煤柱宽度的不断加大，煤柱下边缘两侧的塑性破坏区范围逐渐减小，煤体屈服破坏有趋于稳定的趋势；当煤柱宽度大于14m时，煤柱边缘侧仍在发生塑形变形，但煤柱基本可保持稳定状态。

图3 不同宽度煤柱下围岩塑性区分布

3 工作面回采顶板控制技术

3.1 工作面过煤柱顶板控制技术

在10-501复采工作面向前推进通过上方老窑煤柱时，由于采动影响和围岩条件，煤柱和工作面顶板均会出现应力集中明显现象，加之复采工作面本身顶板破碎不易控制，所以需采取实际有效的方法应对应力集中问题，现根据煤柱稳定性分析结果及工程现场考察，采用以下综合方式：

1）超前探测。在现场借助可用探测工具，采用物探、钻探等技术手段，对复采工作面预采前方煤体和老空区赋存状态进行提前勘探分析，并评价其赋存稳定性，以防止回采过程中煤柱突然失稳或老空区坍塌对工作面带来影响。

2）煤柱预爆技术。针对老窑遗留煤柱体范围内的高应力集中现象，在复采工作面推进过程中，为防止老窑遗留煤柱突然性失稳，可预先采用对工作面前方煤柱超前爆破松动的措施，从而可完成预先卸压，有效减弱工作面顶板上方整体煤岩结构的物理力学强度，降低应力集中对工作面的破坏影响。

3）顶板支护。在10-501回采工作面完成割煤、移架、推溜工序后，需对工作面顶板进行及时支护。在上文数值模拟过程中，除了对煤柱宽度影响下的塑性区变化进行了分析外，还对工作面推进过程中的煤柱体应力变化进行了总结，如图4。可知，工作面回采过程中，应保证足够的支护强度及控顶距，同时需减小顶板裸漏面积，必要时采取临时支护措施，对破碎冒落处顶板进行充填或注浆。

图4 煤柱体应力分布情况

3.2 工作面过空巷顶板控制技术

1）选择合适采高和控顶距离。工作面过空巷时，工作面与空巷贯通使得空顶范围增加，为防止冒顶事故发生，应适当降低采高和控顶距缓解顶板下沉，由回采经验及理论计算得知，工作面采高不得忽高忽低，应严格控制在2.5m左右，最大控顶距5325m，最小控顶距4725m。

2）选择合适初撑力。复采煤层中顶板以护为主，保证支架顶梁平直，支架初撑力平均不小于2MPa，局部支架可以为零。

3）更改端头支护形式。使用单体柱直接支护棚梁并使用木楔子楔牢。

4）高水速凝材料充填空巷。高水速凝材料具有一定的抗压强度，在受压时可产生较大的塑性变形空间，并拥有持续较久的抗压强度，利用此材料填充老空区可有效增强其抗压强度、降低其流变性能，从而阻止采场顶板下沉垮落。此外，该充填材料使用方便，填充操作简单，成本较低。

4 应用效果分析

在10-501复采工作面应用上文顶板控制技术方案后，在工作面推进过程中，利用顶板离层仪、激光测距仪分别监测顶板、两帮位移变形，共布置三组测站。其中，1#、2#测站布置在运输巷距切眼40m（煤柱）、80m处（空巷），3#测站布置在回风巷距切眼50m处，顶板离层监测结果绘制成曲线如下图5所示。可见，在复采工作面采动影响下，顶板浅基点离层变化明显，但值很小，最大离层值不到7mm，且深基点未发生离层。

据以上监测结果及现场观测，未发现有明显的顶板垮落、片帮事故发生，说明顶板控制技术效果良好，可保证复采工作面稳定，快速推进。