综放开采工作面下覆煤层采空区探测及充填加固技术研究

王全征(中化地质河南局集团有限公司, 河南 郑州 450011)

1 前言

当生产矿井为资源整合矿井或者矿井回采区域存在有小煤窑开采破坏区时,煤炭生产期间会遇到开采废弃的空巷或者采空区,同时上述空巷及采空区赋存存条件复杂、位置往往不详,给煤炭资源高效安全回采带来一定影响[1-2]。受空巷及开采破坏区遗弃时间较长、顶板容易冒落且内部可能积存有瓦斯、水等影响,矿井采掘作业面过空巷或开采破坏区时容易出现矿压显现异常、冒顶、片帮、瓦斯及水异常涌出等问题,特别是采掘作业面位于空巷或开采破坏区上部时更用以引起矿压异常或者支架压架、倾倒等安全事故[3-4]。实现空巷及开采破坏区探测并针对性制定加固技术措施可为煤炭安全回采创造良好基础[5]。为此,众多学者及工程技术人员对工作面回采过开采破坏区展开研究,其中吴士良等[6]针对蒋庄矿3下煤层710工作面回采过底板巷道为该工程背景,通过理论分析工作面过底板巷道期间围岩应力、稳定性情况,随后提出通过工作面煤层注水降低矿压显现,以便确保工作面安全回采,工程应用后注水区域煤层强度降低23%、工作面超前影响区距离降至70 m以内,工作面过底板巷道期间液压支架等开采设备保持稳定、底板巷道顶底板位移量控制在160 mm以内,取得较好应用效果;侯艳峰[7]针对口前矿4203综放工作面底板下覆11#煤层存在采空区问题,采用钻探方式确定空巷分布范围,并采用注浆充填方式加固采空区,现场应用后采面过底板空巷期间采面底板、液压支架等保持稳定;史占东等[8]针对近距离煤层群开采条件下回采工作面过下覆煤层遗放弃空巷期间面临空巷顶板坍塌、工作面液压支架不稳、底板塌陷等问题,综合理论分析、数值模拟等技术方法对工作面过底板空巷期间底板岩体稳定性进行分析,并提成通过架设#字型木垛方式提高空巷支护支护强度,为工作面过底板下覆煤层空巷创造良好条件。文中就以某矿6#煤层6303综放工作面回采为工程背景,对工作面回采过下覆9#煤层采空区期间采用的探测技术、采空区填充加固方案等进行分析,以期为其他矿井类似情况工作面回采提供经验借鉴。

2 工程概况

某矿设计产能为300万t/a,为低瓦斯矿井,井田内主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组,矿井主采煤层从自上而下依次为3、6、9、10、11、12#煤层,其中3、9、11#为稳定的全区可采煤层,6、10、11、12#煤层局部可采。井田地质构造总体为一宽缓的背斜向斜相间的褶曲构造,地层平缓,地层倾角均值为9°。6#煤层6303综放工作面设计走向630 m、倾向斜长为213 m,埋深均值为100 m,回采区域内煤层厚度为4.95 m,顶板岩性以粉砂岩、砂质泥岩为主,底板岩性以泥岩为主。6303综放工作面设计推进速度为4.8 m/d,采高为2.7 m、放煤高度为2.1 m,工作面布置的主要综放设备包括有ZF6800/17/32型支撑掩护式液压支架、MGTY300/700-WD的双滚筒采煤机割煤(采高2.7 m、滚筒截深0.8 m)、前部SGZ-764/630刮板输送机、后部SGZ-800/800刮板输送机等,工作面回采瓦斯绝对涌出量为0.79 m3/min。

6#煤层下覆9～11 m为9#煤层,煤层厚度均值为3.6 m、煤质为优质的无烟煤、开采经济效益十分显著。6303综放工作面下覆9#煤层疑似存在的不明采空区,而且出于安全考虑无法深入采空区探测采空区的实际状况,因此需结合现场情况针对性制定下覆煤层采空区探测及充填加固技术方案,以便确保工作面煤炭安全回采。

3 底板采空区探测及稳定性分析

3.1 底板采空区探测

为了探测6303综放工作面下覆9#煤层疑似采空区分布情况,矿井于2022年12月在回采运输巷、回风巷按照50 m间距布置钻场,并在钻场内均按30°角施工探测钻孔;其中运输巷内布置的探测钻孔均正常钻进,而布置在回风巷侧的探测钻孔探测到9#煤层采空区,具体探测探测钻孔布置情况及探测底板9#煤层采空区情况如图1所示。回风巷探测钻孔探测结果见表1。

表1 探测孔探测过程

图1 6303综放工作面探测孔布置及探测结果

根据图1、表1可知,6303综放工作面底板到下部9#煤层上边界的距离在9.5～14.5 m;下覆9#煤层采空区集中分布在工作面回风巷一侧;探测发现4203采面底板的层理较发育,完整性较差。

3.2 工作面底板稳定性分析

3.2.1 理论分析

6303综放工作面回采引起的超前支承压力集中在工作面前方煤体以及底板深部,随着应力重新分布导致底板一定范围内形成塑形破坏区,具体底板破坏区可细分为主动极限区域(OAB)、过渡区域(OBC)及被动极限区(OCD),具体如图2所示。工作面回采引起的支承压力会导致底板出现变形破坏,主要影响因素有工作面斜长、开采深度、底板岩性情况等。由于6303综放工作面底板与下覆9#煤层采空区间岩性以泥岩、砂质泥岩及砂岩为主,因此采面回采后底板破坏深度综合采用断裂力学、塑性力学进行分析。

图2 工作面底板破坏区分布示意图

按照断裂力学进行分析时,工作面回采后底板最大脆性破断深度D1max可通过下述公式计算:

(1)

式中:γ为工作面底板岩体容重,取25 kN/m3;H为工作面埋深,取100 m;L为工作面斜长,取213 m;RC为底板岩层抗压强度,取26.25 MPa。将上述参数带入公式(1)即可求得D1max=0.75 m。

按照塑性力学进行分析时,工作面回采后底板最大塑性深度D2max可通过下述公式计算:

(2)

式中:φ0为工作面底板岩层内摩擦角,取值30°;H为工作面埋深,取值100 m。将上述参数带入公式(2)即可求得D2max=11 m。

通过上述分析得知,6303综放工作面回采后底板0～0.75 m范围内出现脆性破断、0.75～11 m范围内出现塑性破坏,而前期探测发现6303综放工作面底板到下部9#煤层采空区上边界的距离9.5～14.5 m,同时底板岩层自身承载能力较差,在6303综放工作面开采扰动、采动压力等作用下容易导致底板出现下沉,从而导致工作面开采出现安全风险。

3.2.2 模拟分析

采用FLAC3D分析,6303综放工作面在9#煤层采空区上回采时底板塑性区分布表情况、垂向应力分布情况等,以便更好的掌握底板9#煤层采空区对工作面回采影响。具体现场模拟时采用的工作面顶底板岩性参数见表2,构建的模拟模型长、宽、高分别为180 m、150 m、60 m,模型底部及四周均为固定边界,顶部为自由边界且均匀施加2.5 MPa载荷。模拟时6303综放工作面与下覆9#煤层采空区层间距取11 m,岩层岩性以泥岩为主。

表2 工作面顶底板岩性参数

具体在9#煤层采空区上部回采时工作面底板塑性区、应力分布情况如图3所示。从图3看出,6303综放工作面在9#煤层采空区上回采底板塑性区与采空区顶板直接连通,底板塑性破坏深度超过层间距;特别是在采面迎头位置垂向应力集中,底板出现拉应力、峰值为0.78 MPa,底板在拉应力、垂向应力等综合作用下更容易出现离层、垮落等问题,从而导致工作面底板出现较大变形;6303综放工作面在9#煤层采空区上回采时容易出现底板下沉、塌陷问题,进而引起工作面液压支架、采煤机、刮板输送机等设备倾倒、失稳等,给工作面煤炭安全高效生产带来严重威胁[9-10]。

图3 采空区上覆工作面回采期间塑性区及应力分布图

对采空区进行充填加固后模拟结果如图4所示,采空区充填加固后充填体给9#煤层采空区顶板提供较大的支撑作用力;在充填体支撑作用下6303综放工作面在9#煤层采空区上回采底板塑性区分布范围明显降低,底板塑性区与采空区顶板塑性区未能联通,底板存在有一定范围的弹性区,弹性区宽度约为2 m;同时6303综放工作迎头底板位置应力分布得以明显改善,底板拉应力分布范围明显降低,虽然底板仍出现有拉应力,但是应力峰值降至0.038 MPa以内,拉应力整体较小,不会导致底板岩层出现大范围变形问题,有助于维护工作面底板稳定[11-12]。

图4 采空区加固后上覆工作面回采期间塑性区及应力分布图

4 工作面底板采空区加固技术

充填材料是6303综放工作面下部采空区充填中的关键组成部分,目前使用的充填材料有化学浆液、水泥浆液、高水材料与粉煤灰混合料,以及空巷充填材料四大类。具体上充填材料的优缺点对比见表3。

表3 充填材料优缺点分析结果

6303综放工作面埋深较浅(均值为100 m),对下覆的9#煤层采空区进行充填加固后即可与采空区内破碎煤岩体相互配合实现工作面底板支撑。在确保充填效果基础上,为降低成本、钻孔工程量及劳动强度,在分析现有充填材料基础上选用空巷充填加固采空区[13-14]。

利用6303综放工作面内布置的探测钻孔对9#煤层采空区进行加固,根据以上研究结果,参考以往的工程实践,考虑孔底可能存在部分老窑水,浆液的水灰比确定为4∶1,凝结体终强2.5 MPa,注浆压力控制在3～5 MPa。空巷充填材料分甲、乙料两部分,配比1∶1,需分别加水搅拌输送,泵站点用2路钢管供水,供水能力20 m3/h以上。具体充填系统布置情况如图5所示。

图5 充填系统示意图

5 结论

(1)6303综放工作面回采面临的隐患为下覆9#煤层采空区范围不确定,工作面底板不稳定、液压支架在过采空区过程中存在失稳、陷落等问题。为此,在6303综放工作面布置钻场探测下覆9#煤层采空区分布范围,发现下部9#煤层的采空区集中分布在6303综放工作面回风巷侧;6303综放工作面与9#煤层采空区见岩层厚度在9.5～14.5 m,岩层完整性较差、层理较发育。

(2)综合断裂力学、塑性力学理论分析方法及数值模拟手段对6303综放工作面回采过9#煤层采空区时底板稳定性进行分析,发现:①工作面回采后底板0～0.75 m范围内出现脆性破断、0.75～11 m范围内出现塑性破坏;②在未对采空区进行加固时工作面回采后底板塑性区与采空区顶板直接联通,同时工作面前方应力集中明显、底板稳定性较差,而对采空区进行加固后工作面底板塑性区分布范围明显降低,底板存在有一定的弹性区同时应力分布得以明显改善,对底板采空区进行加固有助于维护工作面底板稳定。

(3)在综合分析现有充填加固材料基础上,提出采用空巷充填材料加固9#煤层采空区,并针对性给出充填加固方案及安全技术措施。工程应用后,6303综放工作面过下覆9#煤层采空区期间,底板未出现下沉、断裂及裂隙等情况出现,综放设备等始终保持稳定,工作面推进保持4.8 m/d推进速度。