晶鑫煤業3105殘煤復采工作面圍巖控制技術研究與應用

茹道月

（山西陽城陽泰集團晶鑫煤業股份有限公司，山西 晉城048100）

1 工程概況

山西陽城陽泰集團晶鑫煤業股份有限公司3#煤層舊式開采區主要位于井田的西南部和北東部，面積約2km2，占整個井田面積的40%左右，根據對復采區域煤層現場觀測并結合對舊式開采的地質資料可知，復采區域的大部分煤層的結構為底部有0.8～1.0m厚的實體煤，其上部為冒落層，冒落層厚度為2.3～3.5m，松散煤體與完整煤體的平均煤厚為3.3m，煤層平均傾角為5°，煤層賦存穩定，結構相對簡單，煤層上方基本頂巖層為粉砂巖，底板為砂質泥巖，均厚1.1m。

3#煤層3105工作面為第一個復采試采面，工作面長160m，順槽長470/440m，工作面位置見圖1所示，工作面采用綜采放頂煤采煤工藝，采用ZF2800/16/24型液壓支架支護頂板，支架初撐力為1900kN，工作阻力為2800kN，工作面兩端頭采用ZFG3200/18/26型液壓支架，支架工作阻力為3200kN，上端頭和下端頭各布置3架，工作面區域端頭支架共計布置6架。由于工作面為舊式開采區域，煤層頂板為冒落區域，頂板巖層松軟破碎，現為保障工作面回采作業的進行，進行圍巖控制技術的分析。

2 破碎頂板應力分布規律

為有效分析工作面回采作業時，破碎頂板的應力分布規律，現采用RFPA數值分析系統，根據3105復采工作面的特征建立長×高=110×30的數值模型，數值模型如圖2，模型采用二維平面應變模型，模型劃分為550×150個單元，模型劃分為6個巖層，每個巖層的力學性質參數見表1。模型在左側開挖，開挖方向向右，每步開挖0.6m，即3個單元，采高2.2m。在模型的上方給定一個3MPa垂直應力來模擬100m的埋深。

表1 數值模型的力學參數

根據數值模擬結果，得出工作面回采作業時圍巖破壞特征如圖2。

圖2 工作面不同循環下回采破壞過程圖

分析圖2可知，由于礦山壓力的作用破碎巖體和巖塊之間有一定的凝結力，并被壓實，對上覆巖層起到一定的支撐作用；在整個復采過程中，冒落區內的裂紋在不斷擴大。當整個冒落區內形成較大的宏觀貫通裂紋時，上覆巖層將發生破壞；上覆巖層裂紋則沿水平方向發展，在工作面后方形成剪切破壞，工作面前方煤體的破壞以剪切破壞為主（第13循環）。

另外根據數值模擬結果，得出回采作業下上覆巖層、冒落巖層和煤體中應力分布特征如圖3。

分析圖3（a）可知，在冒落區下回采時，在冒落區發生失穩破壞前，由于冒落層的存在，使其對應力有一定的緩沖作用，上覆巖層中應力集中現象不明顯，應力均值在3MPa左右，應力值波動不大。在冒落區發生失穩破壞后，同樣由于冒落層的存在，上覆巖層中應力集中現象亦不明顯，但應力值波動幅度增大，在1.5MPa～4MPa之間浮動。

分析圖3（b）可知，冒落層中的應力分布與上覆巖層中的應力分布規律有一定的相似性，在冒落區發生失穩破壞前，應力均值在3.5MPa左右，應力值波動不大。在上覆巖層發生失穩破壞后，應力值波動幅度較大，在1MPa～5MPa之間波動。

分析圖3（c）可知，煤體中的應力分布與上覆巖層及冒落層中的應力分布規律有一定的相似性。在冒落區發生失穩破壞前，應力均值在3MPa左右，應力值波動不大。在冒落區發生失穩破壞后，應力值波動幅度較大，在1MPa～6MPa之間波動。

圖3 頂板巖層與煤體應力分布曲線圖

基于上述分析可知，工作面在冒落區下復采時，由于冒落層的存在，使其對應力有一定的緩沖作用，應力集中現象不明顯，應力值均有一定程度的波動，但冒落區發生失穩破壞后應力值的波動幅度更大。基于此可知，工作面回采期間應盡量減小對上覆冒落層的擾動，盡量減小采動影響對冒落層的穩定，降低工作面采高，工作面推進過程中應采用“多進度、小循環”的作業原則來控制工作面頂板和煤壁。

3 圍巖控制技術

3.1 控制方案設計

由于頂板破碎時的頂板管理是決定該礦能否連續、安全生產的決定性因素，因此，基于上述破碎頂板應力分布規律分析結果，確定工作面破碎頂板區域采用穿設鋼釬+降低采高的圍巖控制技術，具體設置方案如下：

1）穿設鋼釬措施：在液壓支架頂梁與煤壁的交接處打設Φ35×3000mm的鉆孔，每臺液壓支架打設鉆孔2個，鉆孔間距為0.75m，鉆孔傾角為10～15°（向上），垂直煤壁布置，鉆孔施工完畢后及時穿入鋼釬，鋼釬規格為φ28×3000mm的圓鋼，為使得鋼釬對支架頂梁形成有效的支撐，設置鋼釬穿入煤壁后的外露20cm長度，并在頂板區域鋪設鐵絲頂網以防止破碎頂板巖塊冒落。具體鋼釬布置形式如圖4所示。

在工作面進行穿設鋼釬作業時，鋼釬穿入完畢后收回支架的伸縮梁，保障支架頂梁前端與鋼釬尾部保持5cm左右距離，隨后降低支架頂梁使其低于鋼釬的平面，再進一步伸出支架的伸縮梁確保液壓支架拖住鋼釬。液壓支架每穿設一次鋼釬，工作面可推進3-4刀，工作面回采推進后確保鋼釬處于煤壁內的長度大于0.6m，工作面回采至鋼釬處于煤壁內的長度小于0.6m，進一步進行穿釬作業，穿釬完成后再進行回采作業，如此循序漸進。

圖4 工作面破碎頂板鋼釬布置示意圖

2）降低采高：基于上述數值模擬結果，現為減小回采動壓對冒落層的影響，確保采高處于實體煤的高度內，對采煤機的截割高度進行設計。另外為確保支架前移和伸縮頂梁伸出后能夠控制頂板煤矸不致冒落，結合穿設鋼釬措施的實施，能夠在一定程度上提升煤壁的穩定性，減小工作面回采期間煤壁端面的滑幫冒落現象，綜合上述考慮可知，復采時工作面煤壁上松散體的高度越小越好，以不超過1.0m為宜，基于上述分析確定工作面采高≤2.2m，回采作業形式采用“多進度、小循環”的原則，設置循環進度為0.5m。

3.2 效果分析

3105復采工作面回采期間進行液壓支架的工作阻力的監測，根據監測結果可知，工面不同區域液壓支架的工作阻力基本表現為相同的趨勢，現具體以25#液壓支架的工作阻力曲線進行分析，如圖5。

圖5 工作面回采期間支架支護阻力曲線

分析圖5可知，工作面回采期間液壓支架的最大工作阻力為2792kN，占到額定工作的99.7%，平均工作阻力為2355kN，占到額定工作阻力的84.1%，基于此可知該回采期間該液壓支架處于正常工作狀態。另外根據工作面回采期間的現場觀測可知，回采期間液壓支架無壓架現象出現，煤壁無大范圍的片幫現象出現，最大片幫深度為0.2m，最大片幫范圍為2m，故綜合上述分析可知，3105復采工作面采用穿設鋼釬+降低采高的圍巖控制技術保障了工作面回采期間的安全。

4 結論

根據3#煤層舊式開采區的特征，結合3105工作面的具體參數，采用數值模擬具體分析工作面推進通過破碎頂板區域時的應力分布規律，確定工作面回采擾動致使冒落層失穩時會致使應力變化程度較大；基于數值模擬結果，確定工作面破碎頂板采用穿設鋼釬+降低采高的圍巖控制技術，根據工作面回采過程中液壓支架工作阻力的監測和現場觀測結果，得出該圍巖控制技術保障了工作面回采期間的圍巖穩定，保障了工作面的順利回采。