矿井综采工作面安全快速过陷落柱构造带研究

＊吴利伟

（晋能控股煤业集团煤峪口矿 山西 037003）

前言

在山西某矿的15302综采工作面进行回采期间会发生陷落柱X160，该工作面围岩所具有的稳定性不高。当回采从陷落柱X160通过期间，应力分布是不均匀的，容易导致支架不能正常推进、个别支架出现应力集中。就采面从陷落柱通过而言，其主要研究的是应用到工程技术中，关于回采工作面从陷落柱通过的机理分析与工程相结合的研究不多。为了将15302综采工作面从陷落柱X160通过的问题解决，在本文中，分析了陷落柱范围的应变，并和工程实践相结合来实施了研究。

1.者述工程状况

在15302工作面中，所开采的煤为15#煤层，该煤层的厚度、倾角的平均值分别是4.5m、6°。该煤层的基本顶、直接顶、直接底、基本底的岩性分别是细粒砂岩、灰岩、砂质泥岩、细粒泥岩，对应的厚度的均值为6m、1.2m、6m、7.2m。在该工作面中，所用的开采方法为综合机械化采煤法，工作面的走向、倾斜长度分别为1400m、200m，埋深均值为500m。按照三维地震的探测结果，与切眼有120m距离处存在X160陷落柱，该陷落柱的规格是124m×44m，图1即为其位置图。按照三维影像发现，且三维影像形成于陷落柱，15302工作面区域被X160陷落柱所影响，并破坏了整个岩体结构，岩体应力由于地应力的不断作用而有破碎出现，且破碎面积较大。

图1 X160陷落柱相对位置图

2.研究采面围岩所具稳定性被陷落柱所影响

根据图1发现，在对15302工作面进行回采期间一定会从陷落柱构造通过。为了对陷落柱构造影响围岩稳定性的状况进行研究，利用了COMSOL Multiphics软件来实施数值模拟研究，若15#煤层、底板、顶板的介质都是均匀的，先从15302工作面中选取样本，用该样本来测试顶板力学的参数，表1即为其详细参数。然后在从底板、煤岩体、煤层顶板中选取样本，且样本数量是15个，继而在测试这些样本，最后在将测试数值的均值当做实验参数。

表1 围岩基本参数

以实验室所测定的参数为基础来实施数值模拟，选取力学瞬态模型，该工作面埋深均值为500m，顶板荷载所计算出的值为20GPa。若煤体、煤层底板、顶板的介质都是均匀的，不用对气相、液相的渗流进行考虑，顶板所能承担的边界荷载为20GPa，就能将陷落柱围岩应变分布云图模拟出来，即为图2，在图2中，模拟高度就是地层的剖面尺寸，且是竖面的，模拟结构的几何尺寸与数值模拟对象的是相同的，图2内陷落柱X160的性状与尺寸是以现在的地质勘探尺寸为基础的。

图2 陷落柱围岩应变分布云图

从图2发现，靠近X160陷落柱位移量的最大值为450mm，水平方向上有较大变形量的范围有20m左右。因为数值模拟是以有限元理论为基础的，较大变形量的区域已有跨落、破碎出现。陷落柱能够影响的区域大概有160m，在其整个中心区域中的岩石都是破碎的，中心区域两侧有破碎带、裂隙带，且破碎带是距两侧有20～30m的区域，裂隙带是距离两侧有30～60m的区域。陷落柱四周围岩体发生破碎的区域所呈现的形状为“蝴蝶翼”，在该工作面回采到陷落柱四周时一定会有支架不能均衡受力、围岩失稳的状况出现。因为该工作面的开采使用的是综合机械化，需保证液压支架所经过环境的稳定性，可陷落柱造成区域中的底板与顶板都有破碎变形出现，在液压支架移至此区域时就会有局部下沉出现，破碎岩体需要顶板支撑的范围太大，导致水平、竖向的位移均较为大，造成失稳出现。

3.研究采面从陷落柱通过的技术

按照数值模拟研究的最终结果进行分析发现，靠近X160陷落柱的岩体有严重的变形，陷落柱区域的岩体是破碎的，降低了整体性，若该工作面在不采取措施时来从陷落柱中通过，就会有支架受力均匀性差、不易推进现状出现。造成上述问题出现的原因主要是由于陷落柱改变了区域岩层的结构，对应的治理手段是改造构造区的岩层，能够利用注浆形式来凝结破碎岩层，使区域岩体所具整体性提高。对应的治理手段是注浆其区域，图3就是详细的注浆钻孔设计图，表2就是其参数表。从图3得知，注浆钻孔一共有6个，且注浆钻孔施工于该工作面的回风巷、运输顺槽中，自钻场内进行钻孔，确保钻孔将陷落柱覆盖。

图3 注桨钻孔设计图

钻孔的孔径是90mm，利用2ZBQ24/10型气动注浆泵来进行注浆，设定的注浆压力是10MPa。选用水泥浆作为注浆材料，水与灰的比例为1:1.6，所使用的水泥为矿用硅酸盐，且砂子的粒径要在2.5mm以下，将速凝剂加入，此时的注浆压力不变，稳定时间是0.5h。在结束注浆作业之后再正常回采，该工作面回采从X160陷落柱通过时要统计分析液压支架的应力，并对有较大波动的3d进行统计，图4即为统计的结果。

图4 支架应力统计图

从图4发现，X160陷落柱在结束注浆作业之后，在推进采面期间，支架应力有较小波动的有127个，其最大与最小应力分别为270kPa、260kPa，在回采过程中支架能够顺利推进。因为有不少浆液被注入X160区域中，固结该区域中发生破碎的岩层，使其成为一个完成的整体，并以此为液压支架下部的基底，并且提高了支架上部岩体的稳定性，降低了整个液压支架的工作阻力。在施工现场，其顶板出现正常跨落，严格控制了跨落步长，使步长一直在16～17m之间，整个采面都是安全的。在回采过程中，中断现象并没有发生，回采工期比较稳定。

4.结论

关于15302综采工作面在回采期间发生X160陷落柱的问题，来实施数值模拟研究，通过注浆来将岩层改善，并得出了下面几项结论：

（1）被陷落柱所影响的水平范围是160m，在其整个中心区域的岩石均是破碎的，中心区域两侧有破碎带、裂隙带，且破碎带是距离两侧有20～30m的区域，裂隙带是距离两侧有30～60m的区域中。

（2）通过全面分析之后，将治理措施确定，其治理措施是注浆加固，该措施能将陷落柱附近岩层所具有的性质改善。

（3）在结束注浆作业之后，要应力观测回采期间的支架，且支架数量是127个，其应力波动的范围是260～270kPa，基本上是稳定的。

经过研究15302综采工作面在回采期间发生的陷落柱X160问题，将围岩被此区域构造所状况的状况进行了明确，并针对性的制定了措施。该研究方法与研究结果可以作为依据来供类似矿井来参考。