综放工作面过断层片帮控制技术应用

苏利兵

鄂尔多斯市中北煤化工有限公司,内蒙古 鄂尔多斯 017000

0 引言

综放开采工作面回采过程中,工作面端部安全性相对较差,煤壁出现片帮冒顶概率较大,不仅增加了端头支护的困难程度,也增大了端头作业施工人员受伤害的安全风险,当端头支架初撑力下降时,还可能造成端头大面积顶板离层下沉,影响安全出口的通风断面和行人高度[1-3]。当采面切眼内揭露隐伏构造,如断层、陷落柱等异常地质构造时,原始煤岩体的稳定结构已被破坏,临近构造影响区域的煤壁受到压力作用,内部应力得到释放,致使煤壁外鼓,割煤机截割过后可能造成大面积片帮,增加了架前空顶距离,对综放工作面安全支护带来不利影响[4-6]。因此,如何采取有效措施,提高工作面过断层等构造期间的煤壁支护强度,以及端头支架支撑强度,对于安全生产具有重要意义。

1 工作面地层与生产条件概述

1.1 地层描述

伯方煤矿的3103综放工作面地处三盘区北侧,工作面一般高程为+623 m,地面平均高程为+1 012 m。工作面北侧为3102工作面,已开采完毕,留设10 m煤柱,南侧为3104回风顺槽,留设10 m煤柱,东侧为盘区大巷。3103综放工作面主采3号煤,煤层均厚5.6 m。顶板主要为砂岩,主要特点是黄褐灰色细粒砂岩以及灰黑色泥岩层;直接底岩性多为灰色-黑泥岩(灰黑色,深层状土体富锂,断口较均匀,断面具有光泽感,内含少量炭质,内夹薄层粉砂岩,或内含少量树根化石,性脆,疏松)。老底为细中粒砂岩(K7砂岩,白色或淡灰色,厚层状,由石英屑组成,含煤炭屑石和少量白云母碎屑,层理较均匀,接触面胶结,次圆状,裂隙发育,裂隙内方解石充填,半坚硬)。

3103工作面运输、回风顺槽掘进等工程中揭露了主要断层f28、f43、f44。根据实际揭露断层产状,结合现有地质资料,断层均贯穿3103工作面,具体情况见表1。经物探、钻探及掘进,揭露资料显示所有断层均为不含水、不导水断层。

表1 3103工作面断层情况

1.2 生产条件

3103综放工作面的切眼总长度为197 m,工作面总推进长度约为1 700 m,采煤方法采用倾斜长壁式综采放顶煤,顶板管理采用全部垮落法,工作面采高2.8 m,放顶煤2.8 m,全煤厚平均5.6 m,采放比例1：1,工作面基本架安装排布中心距1 500 mm,支架阻力为13 000 kN,支架底座支撑强度1.1～2.5 MPa,整体支护抗压强度为0.93～0.96 MPa。3103工作面支护设备选型及主要技术参数如表2所示。

表2 3103工作面支护设备选型及主要技术参数

3103综放工作面采取的生产组织方式为“46”制作业,每日组织4班工作人员,每班工作时间6 h,其中3班组织生产、1班进行检修,保证安全。工作面的平均循环进尺宽为0.8 m,每日进行约4.5次的正规循环,每天回采推进度可达3.6 m。

2 产生片帮的机理分析

2.1 片帮类型特点

在3103综放工作面回采过程中,对工作面周期来压进行矿压观测,观测范围约40 m,对煤壁的片帮、冒顶数据进行了统计分析,根据统计结果可知,工作面煤壁片帮的主要特点如下。

1)片帮尺寸。片帮宽度主要集中在4 m以上,占比为83%,其中片帮宽度在2～3 m的情况出现次数最高。片帮高度是指采高范围内的垮落高度,一般高度为2 m以内,经统计占比达85%。片帮形式和尺寸统计如图1所示。

图1 3103工作面不同片帮类型与尺寸数据统计

2)片帮结构形式。3103综放工作面煤壁受煤体自重和煤层赋存倾角等因素的影响,经过割煤机截割后原有稳定结构被破坏,在剪切力和拉伸力等不同方向应力作用下产生片帮,其破坏形式如图2所示。图中,H为采面内裸露可视煤层高度,P为煤壁承受压力。

图2 3103工作面煤壁片帮受力作用形式

3)断层等构造附近应力集中现象更显现。f44的断裂落差约为3 m,当工作面推进到f44断裂附近后产生该面的最大片帮,片帮长为4.2 m、高为3.1 m、深为2.4 m,对作业人员带来较大压力。

2.2 片帮原因

综上分析,造成3103工作面煤壁片帮的主要因素如下。①3103综放工作面初次放顶可能造成工作面压力增大、顶板下沉、煤壁片帮冒顶。②3103综放工作面煤壁因煤质松软,顶板压力大,回采作业时煤壁可能发生片帮冒顶。③在3103综放工作面的割煤工程中,未按工艺要求进行移架,出现了顶板的离层、脱落现象并导致片帮。④3103综放工作面无炭柱X106(运输顺槽1 230～1 293 m处段)推进该段时,顶板破碎煤质松软可能发生片帮。⑤3103综放工作面运输顺槽断层f46、f47(运输顺槽320 m、820 m处),回风顺槽断层f44、f45(回风顺槽720 m、190 m处)推进该段时,顶板破碎、煤质松软可能造成片帮。⑥3103综放面两端顺槽的顶板出现离层或压力大未及时处理,可能发生冒顶片帮事故。

3 数值模拟分析

3.1 数据建模

为更加直观地分析3103综放工作面煤壁片帮的成因机理以及主要影响因素,采用UDEC模拟软件结合采面布置参数和煤厚信息等特征,构建数值模型。模型回采方向150 m,竖直方向60 m,根据围岩结构和不同岩性厚度,设置基本顶板岩石块度为6 m×4 m,直接顶模拟数据为2 m×1.5 m,由于煤壁采放比为1：1,所以设置为0.25 m×0.25 m。在模拟条件下,从上部顶板向下垂直施加一定作用力,受力边界不受限,但底部围岩设定为不可移动的受限底界面;以水平方向的x轴代表切眼内煤壁的自由活动切割面,将不平衡力的平均值与最大值之比1：15 000的状态视为原岩应力状态。

3.2 方案制定

为研究3103工作面不同端面距条件下支架工作阻力大小变化,以及对煤壁片帮和顶板离层等现象造成的破坏严重程度进行分析,制定方案如下。

1)端面距离固定。设置0.5 m端面距为定量,然后将支架工作阻力按照500 kN的变量依次增加,调整范围为11 500～14 000 kN,在不同阻力环境下分析煤壁承受的结构破坏程度。

2)工作阻力为定值。固定支架阻力为14 000 kN,依次按照250 mm变量调节端面距离,设定范围为0～1 250 mm,分析不同端面距情况下煤壁片冒情况。

3.3 模拟结果分析

当端面距为0.5 m的时候,通过以上不同变量条件下的数值模拟计算,分析得到端面距因素和支架阻力因素对煤壁片帮造成的影响,综合模拟数据绘制出影响因素曲线图,如图3所示。

图3 端面距与支架阻力影响关系曲线图

由图3(a)中可以看出,端面稳定性情况与端面距的大小呈反比,当端面空顶距离越小时,围岩稳定性越好;当端面距达到500 mm时,煤壁片冒风险增大,出现片帮离层征兆;当控制端面距值小于260 mm时,端面控制效果显著。当端面距大于500 mm时,端面距逐渐增大,端面的稳定性就会逐渐下降,当调整端面距值为1.5 m时,工作面片帮达到1 m以上,若工作面片帮达到1.5 m时,煤壁片冒可能对工作面生产安全带来重大风险,需要采取专门措施处理。

由图3(b)可知,支架的工作阻力对端面失稳有较大的抑制作用。在工作阻力由11 500 kN增至13 000 kN的过程中,煤壁冒顶高度由1.47 m下降至0.26 m,片帮长度由1.22 m下降至0.19 m;当支架阻力继续上升至14 000 kN后,煤壁片冒高度几乎趋近于0,说明工作阻力越大,越有利于加强对煤壁顶板岩石的支撑,从而降低围岩对煤体的作用强度。

根据模拟结果分析,3103综放工作面的端面距调整在500 mm以内且支架工作阻力调整到13 000 kN时,端面稳定,说明目前的支架选型符合实际。

4 控制措施及效果

经过对3103综放工作面片帮情况统计及数值模拟结果,对3103综放工作面采取以下综合防控措施。

4.1 控制措施

4.1.1 锚杆补强支护

对一般片帮区域,选用Ø 20 mm×2 500 mm规格的普通玻璃钢锚杆在煤体上进行补强加固。

配备使用2卷锚固剂,锚杆最大扭矩力不小于300 N·m,最大锚固力不小于100 kN。2根锚杆中位于上部的锚杆距工作面顶板垂直距离为800 mm,打设间距700 mm,上部第一排距顶800 mm,仰角30°,中间孔沿水平布置,垂直煤壁打设,下排孔与中间孔间距700 mm,倾角-15°打设,锚杆补强支护示意如图4所示。所有的锚杆均配以高强塑料托盘,托盘孔径为22 mm、厚度为50 mm、长宽均为150 mm。

图4 煤壁加固补打锚杆布置示意

4.1.2 注浆充填加固

工作面过断层等构造期间,采取钻孔注浆方法可以有效实现断层裂隙充填,通过注浆粘结提高围岩的稳定性,同时渗透进入煤层后,也可提高煤体可塑性和抗压强度,具有较好的实用效果,但根据断层裂隙充填范围和空间大小不同,注浆材料本身也需要较高的成本投入。因此,只有当工作面通过构造带或片帮范围和深度较大时应采用注浆控制,注浆布置设计如图5所示。距工作面顶板600 mm施工上排注浆孔,倾角20°;距工作面顶板1 600 mm施工下排注浆孔,注浆孔垂直煤壁,上排与下排交错布设,排距3 m,孔径32 mm,孔深8 m,注浆压力控制8 MPa以下,当有注浆料涌出后及时降压停泵。

图5 注浆钻孔施工示意

4.1.3 其他措施

1)工作面支架底座加装1个测压表,使之能有效控制工作面支架压力并使支架的初撑压力大于等于泵站额定值压力的80%(24 MPa),确保支架初撑力、工作阻力达到要求。

2)加强工作面支架管理,当支架出现跑、冒、滴、漏、串液等现象时应及时处理。

3)当顶板片帮或破碎时,须提前进行移架或带压移架,将降幅减少进度加快,且不允许相邻的2个支架同时移架。

4)工作面作业过程中,若顶板发生破碎或片帮、冒顶等意外情况时,须在第一时间在支顶顶梁上安设木质横梁,使木质横梁能够充分顶住煤层顶板及煤帮,从而实现绞顶和护帮的作用。

4.2 治理效果

采取措施后,3103综放工作面煤壁片帮和冒顶的频率显著下降,片帮范围有大幅度减少,且最大的片帮宽度也从最初的6.3 m变为2.1 m,片帮深度与距离均低于1.4 m,在经过落差较大的f44断层时,因及时进行注浆等处理方法,工作面实现安全顺利回采,并未观察到显著片帮。

5 结论

1)根据现场回采期间对煤壁片帮情况的统计分析,3103综放工作面最大片帮长度控制在4.1 m内,垮落高度小于2.2 m,工作面片帮变形原因主要是工作面受到剪切和拉伸的破坏。工作面断层分布较多、煤层的单向抗压强度较低、支架管理上存在漏洞、发现问题后采取措施滞后或处理效果差均会导致工作面出现片、冒现象。

2)数值模拟结果表明,3103综放工作面的端部距应保证在500 mm左右,其最大支架工作阻力控制在13 000～1 4000 kN,可根据顶板具体条件和煤壁坚固性程度等适当调整支架阻力,确保提供足够支撑强度,从而保障工作面安全回采。