大采高长工作面防片帮技术研究

2023-11-25庞亭亭

山西焦煤科技 2023年10期

姜涛,许鑫,常健,庞亭亭,薛森

(山西长平煤业集团有限责任公司, 山西高平 048411)

随着采煤技术和采煤配套设备的进步,大采高工作面开采技术在国内外矿山得到了广泛应用。面临煤炭资源需求量的日益增加,部分矿山通过增加工作面的开采长度,提高矿井的生产能力和生产效率,从而实现矿井的高产高效集中生产,如榆家梁煤矿实现了400 m超长工作面的生产[1]. 增加工作面长度可以提高矿井生产能力,同时降低巷道掘进率、减少材料消耗,提高了资源回采率。然而,工作面长度受到工作面配套设备的装备水平、通风及安全等条件制约,顶板管理难度增大,设备故障增加,劳动组织复杂[1-5]. 同时,工作面长度的增加导致开采过程中围岩应力增加,煤壁片帮等矿压灾害频发,制约了工作面的安全高效开采。针对这一问题,以某矿300 m长工作面回采为工程背景,采用数值模拟和现场监测的方法对大采高长工作面回采条件下煤体片帮因素进行研究,以保证该矿长工作面的安全高效回采。

1 工作面概况

某矿主要开采3#煤层,煤层平均厚度为5.35 m,采用一次采全高的开采方式。工作面直接顶和基本顶分别为泥岩和粉砂质泥岩,直接底和基本底分别为泥岩和粉砂岩,地质柱状图见图1. 根据矿山工作面布置条件,以往工作面长度平均为250 m,为提高工作面的生产能力,设计将工作面倾向长度增加至300 m. 其中,5312工作面为该矿首个大采高加长工作面,走向长度为1750 m,倾向长度为301.5 m,现场回采过程中工作面片帮现象频发。

图1 顶底板岩性柱状图

2 工作面长度对煤体片帮的影响分析

2.1 现场煤壁片帮特点

现场5312工作面回采过程中,顶板来压较之前250 m长工作面剧烈,基本顶初次垮落步距和周期来压步距有所减小。加长工作面回采过程中煤壁位置容易发生片帮破坏,其中片帮宽度主要集中在1.0～3.0 m,片帮深度在0～1000 mm居多。

加长工作面条件下,工作面煤壁片帮破坏形式为支架顶部前端冒落和煤体中部的片帮,见图2. 初步推断其原因,工作面长度的增加导致作用在煤壁上的应力逐渐增加,使煤壁中下部煤体容易发生塑性破坏,导致其抗剪强度减小,最终发生片帮。

图2 煤壁片帮形式图

2.2 工作面长度对煤壁片帮影响分析

2.2.1 数值模型建立

为了进一步分析工作面长度的增加对围岩应力分布的影响,揭示其对煤壁片帮的影响机制,采用FLAC3D软件根据现场实际地层柱状分布情况建立数值计算模型,见图3. 模型尺寸为长420 m×宽180 m×高50 m,其中x轴正方向表示工作面的推进方向。分别建立采高6 m,工作面长度为250 m、300 m和350 m的3个模型,研究大采高条件下不同长度工作面开采围岩超前支承压力分布规律。

图3 几何模型示意图

在数值模型侧表面施加法向位移约束,模型下部边界施加固定位移边界条件,顶部施加应力边界条件,从而模拟未构筑的覆岩荷载。数值模型中的煤岩体均采用摩尔-库伦本构模型。现场对煤体和顶底板围岩钻取试样,开展室内岩石力学实验,获取数值模拟所需的不同岩性岩石力学参数,见表1.

表1 数值模拟岩体力学参数表

2.2.2 数值模拟结果分析

沿工作面倾向中央位置(y=210 m)作模型切面,提取不同工作面长度条件下围岩应力分布云图,见图4. 可以看出,随着工作面向前推进,不同工作面长度条件下采空区前方和后方实体煤柱均形成明显的应力集中,而采空区出现应力降低区。究其原因,工作面回采后,原作用在煤层上的荷载逐渐向采空区四周煤柱转移,导致在工作面前方形成支承应力区。随着工作面长度的增加,工作面周围岩体中应力集中程度和范围逐渐增加,围岩垂直应力峰值呈现逐渐增大的趋势。由此说明,工作面长度的增加加剧了煤层开采围岩的应力集中现象。

图4 垂直应力分布云图

为了分析工作面长度对煤层应力的影响,提取不同方案工作面前方煤层垂直应力数据,绘制见图5. 可以看出,工作面长度为250 m条件下,前方支承应力峰值为18.7 MPa,距离煤壁14.1 m;工作面长度为300 m条件下,前方煤体应力峰值最大为21.2 MPa,距煤壁距离为12.7 m;工作面长度为350 m条件下,距离工作面前方煤壁10.4 m位置出现应力峰值24.8 MPa. 由此可知,工作面长度增加后,工作面前方支承应力峰值逐渐增大,且应力峰值位置距离煤壁越来越近,导致煤壁因承受较大的应力发生片帮。

图5 不同工作面长度的超前支承压力曲线图

2.2.3 煤壁片帮机理分析

地下煤层回采过程中,围岩应力在采动作用下重新分布,随着工作面不断向前推进,工作面上方岩层裂隙逐渐发育,最终发生破断,因而使煤体内部应力作用点向前移动,最终在工作面前方形成支承压力[6-7]. 根据数值模拟结果,工作面长度的变化对围岩支承应力影响较大。一方面,随着工作面长度的逐渐增加,工作面前方煤体支承应力逐渐增大,导致煤体在超前支承压力作用下发生塑性破坏,其承载强度逐渐降低;另一方面,随着工作面长度的增加,超前支承应力峰值逐渐向工作面煤壁区域移动,加剧了工作面煤壁的破坏,最终表现为煤壁片帮现象加剧。因此,在加长工作面回采过程中,应采用合适的支护手段提高工作面前方煤体的强度,避免片帮现象发生。

3 加长工作面煤壁注浆加固控制技术

加长工作面开采过程中,较大的超前支承应力作用使煤体发生破坏,导致其承载强度较低,仅依靠优化综采工艺参数已无法满足生产需求。为了保证大采高加长工作面的正常回采,提出在煤壁内注入双液无机注浆材料提高煤体的承载强度,采用超前中深孔预注浆对工作面煤壁和顶板进行加固,从而避免片帮现象的发生。

3.1 煤壁注浆方案设计

1) 注浆钻孔布置。

在工作面推进过程中,为避免片帮冒顶发生,在工作面前方顶板和煤壁采取注浆加固措施。根据工作面长度300 m条件下数值模拟结果,工作面前方支承应力峰值距煤壁为12.7 m,基于此设计注浆钻孔深度为12 m. 工作面煤壁注浆钻孔采用双排“三花”布置,钻孔间距6 m、排距1 m、钻孔直径为42 mm. 上排孔开孔位置距工作面煤壁顶板3 m,设计30°仰角;下排孔垂直于煤壁,距底板高度2.0 m. 在煤壁片帮较严重或是构造区域可适当增加钻孔深度以保证正常回采。钻孔布置示意图见图6.

图6 钻孔布置示意图

2) 注浆工艺参数。

注浆材料选用联邦加固1号注浆材料,水灰体积比1∶1,15 min左右失去流动性,35 min左右硬化,2 h强度8 MPa;钻孔封孔长度为4～6 m,封孔材料选择联邦加固1号注浆(双液)材料,水灰体积比0.8∶1,1～3 min失去流动性,10 min以内硬化。综采工作面煤壁注浆系统采用井下移动式双液注浆系统,见图7. 设备放置在工作面顺槽巷道内,注浆管长度根据现场情况而定,工作面推进至注浆设备附近时,将注浆系统整体前移,依次循环进行注浆作业。

图7 注浆系统示意图

3.2 注浆效果考察分析

工作面回采期间,在破碎区域煤壁处实施了超前注浆,注浆后煤壁情况见图8,注浆加固区煤壁完整性较好。此外,对工作面注浆后的煤壁片帮情况进行统计,结果见表2. 通过对现场注浆前后煤壁片帮量进行观测对比可以看出,注浆加固后,在观测统计范围内,工作面煤壁片帮频率明显减少,且片帮范围均比较小,片帮宽度基本在1.5 m以下,片帮深度基本在600 mm以下,注浆加固效果比较理想,达到了防止煤壁片帮的要求,对工作面的正常回采提供了保障。