浅埋煤层工作面矿山压力分区显现机理及其控制

2023-09-18孙永新郭中安赵启生

陕西煤炭 2023年5期

孙永新,郭中安,赵启生

(陕西中太能源投资有限公司,陕西榆林 719109)

0 引言

陕北的榆横矿区地表受冲沟影响多以沟壑、黄土梁峁为主[1-2],在沟谷处不仅松散表土层因冲蚀而缺失,部分基岩也因冲蚀而缺失[3]。煤层回采受此影响,发生多次动载强矿压现象,工作面煤壁切顶、片帮严重,支架大面积压死,对工作面安全回采影响较大,严重威胁矿井安全高效开采。为此,不少学者也逐渐开始重视黄土梁峁区域煤层安全开采的问题,ZHANG等[4]研究神东矿区沟谷地形下煤层开采情况,发现沟谷的坡角对工作面矿压显现影响较大,随着角度的增大矿压显现频率和强度逐渐增加。赵杰等[5]发现覆岩关键层的缺失是引发沟谷区煤层开采工作面强矿压显现的主要原因,并且由于破角的影响,关键层破断方式也呈现不同的特点。杨治林[6]运用突变理论研究浅埋煤层开采关键层的破断失稳状态,发现沟谷区关键层受地形条件的影响,在上坡段回采时由于缺少侧向约束导致关键层破断后会发生回转失稳覆岩荷载向下传递增加了工作面支架的压力。王方田等[7]采用现场实测和数值模拟的方法研究沟谷下浅埋煤层工作面开采矿压显现规律,得出背沟段开采工作面支架最大工作阻力和来压动载系数最大,发生顶板切冒支架压毁灾害的可能性增加。王旭锋等[8]建立在冲沟坡体下采场基本顶初次破断的力学模型,覆岩关键层破断后的块体不能形成稳定结构,即“砌体梁”结构出现回转或滑落失稳,而支架工作阻力又不足以平衡失稳结构岩体的自重时,就会引起工作面动载矿压的出现。

以上研究表明,沟谷地形浅埋煤层开采工作面强矿压显现的主要影响因素有关键层的缺失和沟谷坡度。其中,背沟开采工作面矿压显现规律研究较少,针对该问题,文中采用现场实测的研究方法对来压前后工作面来压步距和来压强度进行分析,研究沟谷地形下浅埋煤层矿压显现规律,并且提出相应的治理措施,以保证后续回采工作面的安全稳定。

1 工程背景

榆横矿区朱家峁煤矿位于陕西省榆林市横山县境内,处于毛乌素沙漠与黄土高原接壤地带。井田东西宽10.0 km,南北长7.6 km,面积50.193 2 km2。地表绝大部分被第四系松散沉积物覆盖,较大沟谷中基岩零星出露。

矿井现主采3号煤层,1305-2工作面位于朱家峁煤矿一盘区西翼,工作面对应地面位置主要为黄土梁峁,区内地势西北部低,东南部高,地形起伏较大,支离破碎,沟壑纵横。工作面中部有2条沟谷通过,河沟处基岩被冲蚀,缺失厚度15～30 m。1305-2工作面长240 m,走向长3 905 m,煤层埋深125～205 m,近水平煤层,煤厚2.5～3.1 m,均厚2.8 m。工作面采用单一长壁综合机械化一次采全高采煤法,全部垮落法管理顶板。工作面布置145组支架,基本支架选用ZY9000/17/35型掩护式液压支架共136架,1305-2工作面正常回采期间,由于煤层埋藏较浅,工作面回采对地表有一定影响。同时,受地质条件的影响在工作面开采经过黄土梁峁上坡区域时,周期来压显现明显,要防范地表台阶下沉引发压架事故的发生。

2 工作面强矿压显现特征

1305-2工作面自2020年10月份正式开始回采,至2021年10月3日,已经累计推进2422 m。2021年10月,1305-2工作面在过第一条河沟的上坡段连续出现2次压架事件,累计造成生产中断16 d,严重影响矿井的安全生产和经济效益。

2021年10月3号发生第一次压架事故,来压时工作面46#～122#支架顶板在煤壁处断开切顶,支架上方发出响声,同时煤壁出现片帮情况,压架造成工作面中部65#～95#支架全部压死,工作面多处液压管路损毁,影响生产10 d;恢复生产后,工作面向前推进了16 m,发生第二次压架。第二次来压与第一次相比,来压呈现速度快、范围广和来压强烈的特点。二次来压过程中大部分支架在6 min之内压力从28 MPa逐渐升至42 MPa,造成工作面中部45#～95#支架大部分被压死,工作面多处液压管路损毁,影响生产6 d。具体来压位置如图1所示。

图1 1305-2工作面压架平面位置示意

3 现场矿压实测分析

3.1 工作面矿压监测布置

为了获得工作面顶板运动参数,分析采场顶板初次来压和周期来压,掌握工作面支架受力特点和顶板来压规律,对2次强矿压显现规律进行研究,最终提出相应的防治措施,并对现场工程实践提供进一步的指导。

在1305-2工作面采用尤洛卡矿业安全工程股份有限公司生产的矿压在线监测系统,工作面每隔5架支架安装1台矿用本安型顶板压力无线监测分站(KJ653-F2)对回采过程中支架初撑力、工作阻力进行实时动态监测。每个监测分站有2个监测通道分别安装于支架左、右立柱。在确保安全阀的正常使用下,定点(间隔5架)由验收员每班统计2次压力表数据,开展正常的班检工作,数据整理后根据动态检测指标认真做好分析研究。

在工作面两巷超前液压支架上安装指针式矿压表,认真观测记录支架立柱工作阻力的变化情况并在巷道顶板布置顶板离层仪,用来监测顶板离层情况,为巷道的支护提供依据。当巷道帮部片帮严重时,及时采取补打锚杆等措施加强帮部支护。

根据以上监测设备观测结果对工作面顶板活动规律、来压特征,工作面支架受力特点,支架对顶板的适应性和控制效果,超前支承压力影响范围和分布特点,顶板、煤层稳定性,工作面支护质量等进行定期分析,保证工作面的安全高效开采。

3.2 工作面来压期间矿压监测

为了查明1305-2工作面在2021年10月份共发生2起压架事故的原因,避免类似事故再次发生,根据工作面矿压实测数据分析10月3日和10月23日顶板来压前后矿压规律,进而分析顶板结构演化规律,为后续顶板治理措施提供理论支撑。

统计并绘制2次强矿压现象来压前后2 d内的支架工作阻力变化情况,如图2和图3所示。

图2 10月1日—10月5日工作面支架平均工作阻力

图3 10月21日—10月25日工作面支架平均工作阻力

第一次来压:1305-2工作面在第一次来压前,工作面中部40#～110#支架工作阻力开始升高,支架压力值明显高于30 MPa,呈现出“中部高两端低”的特点。10月1日回采时,工作面中部第40#和110#支架工作阻力明显低于额定工作阻力,10月2日回采工作面支架工作阻力明显开始升高,出现小范围的来压现象。而在10月3日回采时,工作面支架压力值继续升高,整体压力值超过45 MPa,远大于额定工作阻力,顶板来压造成部分支架压坏,矿压显现较为强烈。10月4、5日工作面支架压力值开始降低,说明工作面回采引发顶板破断弹性应变能集中释放,矿压显现后顶板应力集中程度降低。

第二次来压:根据现场支架压力监测数据可知,1305-2工作面在第二次来压前,10月21日回采时,2#～50#和100#～140#支架压力值超过35 MPa,说明工作面端头顶板破断,破断的岩体搭接到支架上方,导致工作面矿压呈现“两端高中部低”的特征。10月22日回采时顶板压力值整体变化较为平稳,应力集中程度较低。10月23日回采时,20#～120#支架压力值激增超过45 MPa,由此可见顶板发生大面积断裂造成局部应力集中程度加强,矿压显现较为明显。10月24日和25日工作面支架压力值仍然保持较高的水平,说明第二次矿压现象强度明显高于第一次,造成的破坏更为严重。

4 工作面矿压分区显现机理分析

通过对工作面两次强矿压显现进行分析,不难发现1305-2工作面矿压呈现“两端弱中部强”的特征。因此,根据强矿压显现特征将工作面矿压分布沿工作面长度方向划分为2个典型的区域,如图4所示。

图4 工作面矿压分区示意

1305-2工作面出现该分布特征,主要是由于两方面的原因导致的。其一,1305-2工作面长度达到240 m,相较于普通工作面回采周期长,两巷及上覆岩层长期受到掘进及采动影响,在矿压方面的显现异常剧烈,围岩变形量大,故超长工作面常常呈现出来压频率增高,来压步距缩短的特点。这两次强矿压显现期间工作面正常回采的来压步距为8～16 m,来压期间减小为4～6 m,来压强度达到45 MPa,超过支架额定工作阻力的80%。

其二,朱家峁煤矿地表多为黄土梁峁区域,存在零星沟谷发育区,受风化、水蚀较为严重。坡体产状变化较大,受沟谷和坡体的影响容易导致基岩受力不均匀,沟谷底部和山脚处应力集中等系列问题。同时,在沟谷上坡阶段回采,工作面来压时基本顶岩块主要失稳方式为滑落失稳,工作面支架须提供合理的支护力才能防止基本顶结构的滑落失稳。支架与顶板结构共同维持顶板的稳定,支架处于“给定失稳载荷”状态。此时,关键层失去支撑能力且破断的岩层缺少侧向水平挤压力作用,导致3号煤层开采后其破断块体形不成稳定结构而失稳,往往在工作面会出现动载矿压现象。这是造成近浅埋煤层过沟谷地形上坡段时工作面易发生动载矿压的根本原因。

为了进一步分析矿压分区显现机理,从工作面倾向顶板破断特征的角度入手。由于工作面长度较长及关键层存在的影响,煤层上覆岩层顶板结构可能出现如图5所示的特征。

图5 顶板岩层垮落形态

由于煤层埋深较浅且覆岩关键层断裂引发煤层覆岩移动变形,现以顶板2为研究对象,对该顶板进行受力分析。根据煤层的赋存特性,将顶板2简化为简支梁模型,其上受均布载荷作用,具体力学模型如图6所示。

图6 顶板力学模型

由图6可知,梁自身的承载能力和其上端受均布载荷的作用暂时达到平衡状态,但是随着梁跨度的增加,逐渐发生弯曲,梁受到的剪力逐渐增大,直至发生破断。

由于梁仅受固定端的反力,假设梁两端的约束反力为FA和FB,弯矩分别为M1和M2,因竖直方向受力平衡,故有∑FA=0,则

(1)

式中,q为上覆岩层对顶板2的作用力,kN;γ为岩层容重,kg/m3;h为上覆岩层的总厚度,m;L为顶板2的跨度,m。

在顶板2上任取一截面C,求得该顶板的挠曲线微分方程

(2)

式中,E为弹性模量,kN/m2;I为顶板2的惯性矩,m4;ω为挠度,m;x为坐标原点到B点的距离,m。

在梁的中点,挠曲线切线的斜率ω′应等于0,即

(3)

求解得

(4)

所以在梁的中部,挠曲线切线的斜率等于零,挠度为极值。

由式(4)可知

(5)

通过以上对顶板2受力分析可知,随着顶板垮落的增加在顶板中部挠度达到最大值,发生破坏的可能性也更大。这也解释了两次强矿压显现时,首先在工作面中部支架支撑能力达到极限,甚至发生破坏。在覆岩自重和工作面跨度较大2个因素的影响下,工作面方向顶板破断呈现分区特性,出现中部先来压两端后来压的情况。同时,也受覆岩关键层破断的影响,加剧了顶板受力环境的复杂性,最终导致工作面矿压分区效应明显。

5 覆岩精准控制技术及效果

针对1305-2工作面在过沟谷地形时发生的强矿压显现,造成大面积压架事故的问题。对两次强矿压显现情况展开分析,结合矿压分区显现机理,提出具体的控制措施。

5.1 治理措施

为有效防治1305-2工作面强矿压灾害,重点在1305-2工作面沟谷影响区域回采巷道施工顶板水力压裂孔,旨在实现破坏坚硬顶板的完整性,降低其能量储存和应力传导的属性,同时在工作面回采后受上覆载荷作用促使预裂顶板及时垮落,消除强矿压产生的主要因素,同时垮落顶板将对更高层位的岩层起到支撑作用,有利于抑制高位岩层的回转下沉。

为此,采用水压致裂技术,主要目的是致裂煤层上方的基本顶,改变其连续性,弱化应力传递与自身强度,在矿山压力作用下,有利于煤层上覆岩层的分层逐步垮落,有效降低工作面中部的矿压显现强度。

施工位置:1305-2工作面长度240 m,煤层的基本顶为3.1 m厚的中粒砂岩,其与下部岩层组成的复合顶板厚度约为10 m。为了有效地降低工作面顶板的完整性达到预期的致裂效果,根据朱家峁煤矿矿压分区显现机理及钻孔施工机制,对沟谷影响区800 m的范围进行水压致裂。最终确定在工作面实施长钻孔的方式,由巷道两侧向工作面施工致裂孔。以此达到在分段压裂的过程中同时兼顾工作面端部区域和强矿压显现区域的上方的顶板压裂卸压,以降低强矿压风险的目的。

施工参数:工作面致裂孔参数。在工作面两侧巷道每个断面各布置2个钻孔为一组,共布置80组,共需施工160个深孔,每组钻孔间距为10 m。钻孔长度为91～111 m,钻孔倾角与工作面倾向夹角为7°～8°,与工作面走向夹角为75°,致裂段长度为70～85 m,封孔段长度为21～26 m。根据岩石力学参数,钻孔半径为45 mm,注水压力为22.1 MPa。具体布置方式参数如图7和8所示。

图7 工作面倾向方向水压致裂孔布置方式

图8 工作面走向方向水压致裂孔布置方式

5.2 应用效果

第二次强矿压显现结束清理完工作面实施顶板超前爆破预裂方案,现场工作面支架压力均匀受力,没有局部压力增加的情况发生,整体示数处于额定工作阻力范围内,顶板放落效果良好,采空区顶板悬顶距离明显缩短。地表裂缝宽度明显缩短,且裂缝间距达到20 m,有效减缓地表的沉降。由此可见,采用顶板水力致裂技术对工作面回采安全有效且可行,达到了预期的目标。