综放工作面过不同层位空巷围岩变形破坏与控制技术研究

2021-03-22吴增明张旭波

煤 2021年3期

许谦，吴增明，张旭波

(潞安化工集团王庄煤矿，山西长治 046031)

矿井开采后期会出现工作面开采区域存在残留空巷的情况，且在多数矿井中普遍存在，也是该类工作面顶板控制面临的基本问题。工作面与残留空巷间的交汇角度、空巷宽度、空巷垮落空间几何尺寸均是回采过空巷难易程度判断的主要依据。我国学者通过分析综放工作面过空巷时支架-围岩稳定性控制的技术难点，在过空巷合理的时空节点上实施注浆固结修复、支架支撑力保障和实施停采等压等综合技术措施，并阐述了相应的控制机理，建立了综放工作面过空巷时基本顶破断的结构模型，分析得出了过空巷时关键条件下的支架临界工作阻力。在分析工作面顶板物理模型的基础上，建立了工作面稳定性力学模型，对顶板稳定性和煤柱稳定性的关系进行了深入分析，并通过数值计算和现场观测对分析结果进行了验证[1]。本文通过对王庄煤矿6212综放工作面过不同层位空巷时的围岩变形破坏情况及相应的控制技术进行研究，为实现6212工作面安全高效开采提供理论与实践基础。

1 工程概况

王庄煤矿建成投产于1966年12月，核定生产能力达700万t。6212综放工作面位于王庄煤矿62采区，62回风井南180 m，工作面东北为6209、6210已采工作面，西北为实体煤，东南为6208在采工作面，西南接630/3胶带巷，工作面煤层稳定。工作面切眼长215 m，总推进度281.5 m，煤层均厚6.6 m，(煤层倾角为1～4 °)两巷和切眼均沿煤层底板掘进。巷道的支护形式均采用“锚网梁+锚索”支护，巷道的断面规格：6212运巷3.2 m(高)×5.0 m(宽)；6212风巷3.2 m×4.5 m。煤层及上覆岩层物理力学性质及节理力学参数，见表1、表2。6212综放工作面开采区域内存在9条空巷，并且空巷的层位也存在较大差异性，如图1所示，实线为顶板空巷，虚线为煤层空巷，实线与虚线相连为穿层空巷。

表1 煤层及上覆岩层物理力学性质

表2 煤层及上覆岩层及节理力学参数

2 综放工作面过空巷DDA分析

DDA以最小势能原理建立平衡方程式，求解有限单元类型的网格，可计算单元或块体大位移和大变形，可以说DDA法兼顾了有限元法与离散元法的优点，但又对它们做了更进一步的发展，而且计算严格地遵循经典的力学法则，具有更明确的物理和几何上的含义。基于DDA数值模拟软件，结合6212工作面的赋存地质环境以及现场实际应用情况，构建出相应的数值计算模型(模型范围设定为：长×高为300 m×200 m)。模拟出6212综放工作面过空巷时的动态模拟过程，通过对综放工作面过不同层位空巷(煤层空巷、顶板空巷、穿层空巷)时巷道顶板的下沉量进行监测，得到综放工作面过不同层位空巷过程中顶板下沉量的演化规律，见图2。在此基础上,对不同层位空巷顶板下沉量进行对比分析。

图1 6212工作面与空巷位置关系示意

图2 不同层位空巷顶板下沉量对比

1) 煤层空巷在煤层开挖之前，其顶板下沉量约为0.37 m，前期随着开挖长度不断的增加，空巷围岩变形量较小，空巷顶板基本不发生下沉，当工作面开挖至空巷16 m处，空巷顶板处开始出现较小下沉量，工作面距离空巷越近，其顶板下沉量越明显，当开挖至空巷8 m处，其顶板发生明显下沉，下沉量数值最高达到0.71 m，约为无采动影响时顶板下沉量的1.92倍。

2) 顶板空巷与穿层空巷在煤层开挖之前，其顶板下沉量均为0.39 m，顶板下沉规律大致和煤层空巷的开挖规律大致相同，当工作面开挖至16 m处，空巷顶板下沉开始受到采动影响；当工作面邻近空巷时，其顶板下沉规律基本相同，当工作面开挖至空巷12 m处，这两种空巷均出现明显下沉；当工作面距离空巷4 m处，顶板下沉速率达到最大值，进入过空巷剧烈影响区，穿层空巷顶板下沉量约为0.79 m，约为无采动时空巷顶板下沉量的2.03倍，顶板空巷顶板下沉量约为0.98 m，约为无采动时空巷顶板下沉量的2.51倍。

3) 当工作面穿过空巷后，针对穿层空巷，其顶板下沉量最大值约为1.63 m。针对煤层空巷，其顶板下沉量最大值为1.81 m。

综上所述，无论是针对哪种过空巷问题，当工作面开挖至工作面附近时，对其空巷顶板处的下沉量影响均是显著的，其中顶板空巷的顶板下沉量最为明显，约为无采动时空巷顶板下沉量的2.51倍。

3 综放面过空巷围岩控制

工作面通过空巷之前，必须提前一段时间对空巷进行预加固，提高空巷围岩的稳定性，以保证工作面过空巷期间采场围岩能一直保持稳定，从而使工作面顺利通过空巷[2]。空巷的预加固应一般在工作面推进到距离空巷50 m以内前完成。考虑到6212工作面日进尺预计为4.8 m，而超高水材料充填体需要7 d才能达到最终强度的90%以上，如果某段空巷的预加固采用了超高水材料注浆的方法，则必须在工作面推进到距离空巷85 m以内前完成注浆工作。

3.1 空巷加固方案

6212综放工作面不同层位的空巷由不同的加固方式进行加固，按照现场实施主要方法有：①顶板空巷，主要加固方式为：底板铺大板、铺网，再打设联锁木垛；②煤层空巷，2 m间距打设木垛；③空巷与工作面巷道交叉口位置，补打锚索杆、架设工字钢棚、打设联锁木垛及高水材料充填。

3.2 高水充填技术

高水充填材料主要由A、B两种物料组成。A料主要以铝土矿、石膏等独立炼制并复合超缓凝分散剂构成，B料由石膏、石灰与复合速凝剂构成。二者以1∶1比例配合使用，满足井下充填要求，水体积最高可达97%。超高水材料固结体体积相应变小，凝结时间可控、易调，输送距离基本不受限制。

在6212工作面回采初期会切割原6209风巷，该巷道沿3号煤层底板布置，与工作面方向垂直，与现6212风巷之间仅间隔5 m左右的煤柱。6209风巷和6212风巷都在6212工作面切眼前方53 m左右与斜交6212工作面的62上山轨道巷相交。由于原6209风巷、6212风巷与62上山轨道巷形成的交叉点距离很近，在工作面回采过程中，交叉点附近的较大范围围岩一定处于应力叠加影响区范围内，特别是原6209风巷和6212风巷之间的整个窄煤柱受到应力叠加影响程度最为严重，极易发生变形和破坏，因此在所有交叉点中，6212工作面回采通过该处的交叉点难度最高。为此，首先在交叉口附近适当位置打密闭墙；其次6212风巷交叉口位置打设一梁四柱单体支柱工字钢棚，棚距0.5 m；最后用高水材料充填，现场情况如图3所示。