綜放工作面過陷落柱影響區(qū)煤壁片幫防治技術(shù)

張江利，陶廣美，馬 賽，趙 斌

(晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，山西 晉城 048000)

巖溶陷落柱是我國(guó)華北煤田的常見地質(zhì)構(gòu)造[1-3]。對(duì)于工作面內(nèi)部的小型陷落柱，通常采用直接推過的方法，對(duì)工作面頂板安全產(chǎn)生顯著影響。采煤工作面通過陷落柱影響區(qū)期間，其圍巖應(yīng)力分布和覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律均會(huì)呈現(xiàn)出新的特征[4-5]。廣大科研和工程技術(shù)人員在陷落柱力學(xué)機(jī)理[6-7]、周邊應(yīng)力分布[8-10]、覆巖破壞規(guī)律[11-13]和突水機(jī)理及防治[14-18]等方面進(jìn)行了廣泛且深入的研究，形成了一系列的研究成果。但目前研究主要集中于陷落柱區(qū)的突水防治，對(duì)于陷落柱引起的工作面煤壁片幫防治的研究則較少。筆者以趙莊二號(hào)井為工程背景，在分析應(yīng)力分布和覆巖結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，研究分階段差異化的工作面煤壁片幫防治技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)工作面安全高效開采。

1 工程概況

趙莊二號(hào)井2309工作面走向長(zhǎng)1 465.6 m，傾向長(zhǎng)155.7 m，開采3號(hào)煤層，煤層平均厚4.2 m，傾角0°～6°，埋深為478～529 m。煤層直接頂由粉砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖組成，厚度分別為10.78、2.89 m；基本頂為中粒砂巖，厚度8.92 m；直接底由泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和粉砂質(zhì)泥巖組成，總厚度6.75 m；基本底為石灰?guī)r，厚度6.0 m。工作面采用綜放開采，機(jī)采高度2.8 m，放煤厚度為1.4 m，采放比為1.0∶0.5。根據(jù)以往工作面礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，工作面超前支承壓力峰值位置距工作面煤壁約7 m，顯著影響范圍約17 m，超前支承壓力影響范圍約35 m。根據(jù)趙莊二號(hào)機(jī)井西盤區(qū)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可知，西盤區(qū)最大水平主應(yīng)力為13.02～14.78 MPa，平均值為13.63 MPa。根據(jù)工作面物探結(jié)果，工作面內(nèi)存在多個(gè)地質(zhì)構(gòu)造，其中JDX16陷落柱對(duì)工作面開采影響較大。井下鉆探確定，陷落柱內(nèi)不含水，其長(zhǎng)軸 59 m，短軸49 m；在工作面回采到600 m處揭露，基本位于工作面中部，距23091膠帶巷內(nèi)幫46 m，距23092回風(fēng)巷內(nèi)幫60 m。2309工作面布置及陷落柱位置情況如圖1 所示。

2 工作面過陷落柱應(yīng)力分布及頂板結(jié)構(gòu)特征

2.1 應(yīng)力演化規(guī)律

陷落柱在形成過程中圍巖應(yīng)力重新分布，根據(jù)極限平衡理論，取陷落柱半徑為30 m，原巖水平應(yīng)力13.63 MPa，內(nèi)摩擦角29°，黏聚力2.1 MPa，陷落柱對(duì)筒壁的水平支撐力0.6 MPa。采用文獻(xiàn)[9-10]中公式計(jì)算得到，JDX16陷落柱周邊15 m為塑性區(qū)范圍，塑性區(qū)外約35 m為彈性區(qū)。回采工作面在推采過陷落柱時(shí)，工作面超前支承壓力與陷落柱周邊應(yīng)力形成耦合疊加，結(jié)合工作面礦壓數(shù)據(jù)分析可知：

1)在工作面距離陷落柱約85 m時(shí)，工作面超前支承壓力區(qū)和陷落柱周邊應(yīng)力增高區(qū)開始疊加。根據(jù)礦壓理論，在工作面與陷落柱距離達(dá)到兩者應(yīng)力增高區(qū)的一半時(shí)，最大疊加應(yīng)力大于兩者應(yīng)力峰值，故在工作面距陷落柱85～42 m區(qū)域?yàn)閼?yīng)力疊加增高區(qū)，但應(yīng)力集中程度較低。

2)在工作面距離陷落柱22 m時(shí)，兩者峰值應(yīng)力疊加達(dá)到最大值，塑性區(qū)完全連通，故在工作面距陷落柱 42～22 m區(qū)域，應(yīng)力集中程度明顯增高，煤柱內(nèi)存在一個(gè)彈性核。

3)在工作面距離陷落柱22 m以里時(shí)，工作面前方煤柱的完整性被完全破壞，其對(duì)頂板的支承能力大幅降低；工作面進(jìn)入陷落柱后，由于內(nèi)部巖體破碎，無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4)在工作面出陷落柱后，兩者的應(yīng)力增高區(qū)再次疊加；推出陷落柱約8 m時(shí)，兩者峰值疊加應(yīng)力集中程度最高；之后隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，兩者的應(yīng)力集中程度逐漸降低，特別是工作面推過陷落柱周圍應(yīng)力增高區(qū)的一半距離(25 m)后，兩者應(yīng)力集中程度開始明顯降低，工作面前方應(yīng)力分布情況逐步向正常狀態(tài)恢復(fù)；推過陷落柱50 m后，其前方應(yīng)力恢復(fù)到正常狀態(tài)。

2.2 頂板結(jié)構(gòu)特征

工作面正常回采期間頂板巖層為砌體梁結(jié)構(gòu)，巖塊之間相互鉸接，各巖塊不僅在垂直方向上受到上覆巖層的壓力和下部采空區(qū)矸石及支架支撐力，而且在水平方向上受到巖塊之間的水平推力。根據(jù)工作面過陷落柱全過程的應(yīng)力演化規(guī)律，重點(diǎn)對(duì)工作面距陷落柱42 m到過陷落柱50 m的頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1)在工作面距離陷落柱42～22 m時(shí)，工作面前方應(yīng)力集中程度明顯增高，但該階段工作面前方煤柱內(nèi)存在彈性核，可對(duì)上部巖層起到支承作用，如圖2(a)所示。

(b)剛出陷落柱

2)在工作面距離陷落柱22 m以里時(shí)，工作面前方應(yīng)力集中程度達(dá)到最大值，塑性區(qū)完全連通，工作面前方煤柱松散破碎，對(duì)上方A巖塊的支承能力明顯降低，極易出現(xiàn)煤壁片幫；且此時(shí)陷落柱對(duì)A巖塊的水平推力降低，則B巖塊受到的水平方向的約束力降低，A和B巖塊之間的摩擦力減小，B巖塊易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。工作面進(jìn)入陷落柱后，由于柱體內(nèi)部巖體破碎，頂板不能呈現(xiàn)完整巖梁運(yùn)動(dòng)特征，為自然平衡拱結(jié)構(gòu)[13]。

3)工作面出陷落柱后向前推進(jìn)，由于陷落柱對(duì)頂板約束較小可忽略，頂板呈現(xiàn)懸臂梁結(jié)構(gòu)[13]，如圖2(b)所示。隨著工作面向前推進(jìn)，工作面上方頂板彎矩增大，達(dá)到極限值時(shí)頂板斷裂，A巖塊變?yōu)?B巖塊，其在水平方向受到的水平推力和垂直方向受到的摩擦力均較小，會(huì)出現(xiàn)大范圍回轉(zhuǎn)變形，支架受力增大。此時(shí)，由于工作面前方煤體處于應(yīng)力疊加增高區(qū)，煤巖體破碎，極易引起煤壁片幫，進(jìn)而加大頂板空頂面積，易引起冒頂。此后隨著工作面向前推進(jìn)，出現(xiàn)周期來壓，原先的B巖塊成為C巖塊，A巖塊成為B巖塊并出現(xiàn)回轉(zhuǎn)變形，此時(shí)C巖塊對(duì) B巖塊有較大的水平作用力和摩擦力，支架受力相對(duì)較小；之后，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂板恢復(fù)正常砌體梁結(jié)構(gòu)。

3 片幫防治技術(shù)

3.1 分階段細(xì)化工作面管理

1)柱前應(yīng)力初步疊加階段

在工作面距陷落柱42～22 m時(shí)，工作面前方煤體應(yīng)力急劇升高，煤柱內(nèi)部的彈性核逐步減小。應(yīng)采取以下技術(shù)措施：①穩(wěn)定工作面割煤速度，時(shí)刻注意工作面頂板情況，逐步減少工作面放煤量；②采用追機(jī)移架的方式減少空頂時(shí)間，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)工作面液壓支架初撐力的管理，保證支架初撐力滿足規(guī)程措施要求；③移架后及時(shí)打開護(hù)幫板，保證支架對(duì)煤壁的水平推力。

2)柱周應(yīng)力復(fù)雜變化階段

在工作面推進(jìn)距陷落柱22 m至出陷落柱25 m時(shí)，工作面前方應(yīng)力集中程度由高變低再變高，頂板結(jié)構(gòu)由砌體梁到自然平衡拱再到懸臂梁，應(yīng)力環(huán)境及頂板結(jié)構(gòu)均十分復(fù)雜。應(yīng)采取以下技術(shù)措施：①提前在工作面兩側(cè)巷道施工超長(zhǎng)鉆孔，對(duì)該區(qū)域煤體進(jìn)行注漿加固，充填煤體內(nèi)裂隙，通過控制煤壁平整直立，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板的控制；②穩(wěn)定工作面割煤速度，不放頂煤，并加強(qiáng)對(duì)工作面支架的管理，同上個(gè)階段；③制訂煤壁片幫冒頂應(yīng)急技術(shù)措施，當(dāng)出現(xiàn)超過3個(gè)架的片幫現(xiàn)象時(shí)，必須采用化學(xué)材料對(duì)片幫區(qū)域進(jìn)行注漿加固；④工作面進(jìn)入陷落柱后，需加大對(duì)陷落柱在工作面方向兩側(cè)邊緣塑性區(qū)的控制。

3)柱后應(yīng)力逐步恢復(fù)階段

在工作面推過陷落柱25 m以后，應(yīng)力疊加程度逐漸降低，到推過陷落柱50 m后，應(yīng)力完全恢復(fù)正常。該階段屬于似正常階段，工作面前方煤體相對(duì)完整，承載能力較好，其煤壁片幫防治技術(shù)與柱前應(yīng)力初步疊加階段一致。

3.2 重點(diǎn)階段超前注漿加固

采用“淺部裂隙封堵、深部煤巖加固”的深淺孔相結(jié)合的注漿加固措施，提前施工超前注漿加固鉆孔，進(jìn)行全覆蓋注漿。

3.2.1 鉆孔布置

自距陷落柱22 m至推過陷落柱25 m區(qū)域存在塑性區(qū)域，根據(jù)以往深孔注漿經(jīng)驗(yàn)，其擴(kuò)散半徑在 5～10 m內(nèi)，加之淺部裂隙封堵后，有利于深孔漿液擴(kuò)散。綜合確定深孔布置范圍為超前陷落柱15 m至過陷落柱20 m。

首先施工淺部裂隙封堵鉆孔，采用上下兩排，矩形布置，上排鉆孔距底板2 m，仰角10°；下排鉆孔距底板1 m，水平垂直巷幫打設(shè)；鉆孔直徑42 mm，孔深8 m，排內(nèi)鉆孔間距2 m。淺孔分兩次施工，先上下排交錯(cuò)間隔進(jìn)行一次打鉆和注漿，再在對(duì)應(yīng)排位置進(jìn)行二次打鉆和注漿施工。淺部封堵鉆孔布置如圖3 所示。

圖3 淺部封堵鉆孔布置圖

其次施工深部鉆孔，根據(jù)工作面煤層賦存和巷道設(shè)備情況，確定膠帶巷布置單排鉆孔，開孔高度距底板1.5 m，鉆孔間距為5 m，孔徑為75 mm，孔深 80 m；對(duì)鉆孔編號(hào)，單號(hào)孔以0°水平施工，主要加固支架上部煤巖體，雙號(hào)孔以-1°～-2°施工，主要加固機(jī)采范圍煤巖體。回風(fēng)巷布置上下兩排鉆孔，“三花”布置，上排鉆孔距底板2 m，仰角2.5°，下排鉆孔距底板1 m，仰角1.5°；孔徑為75 mm，孔深80 m；排內(nèi)鉆孔間距10 m。施工時(shí)根據(jù)前一個(gè)鉆孔施工情況及時(shí)調(diào)整鉆孔角度，保證鉆孔施工在預(yù)設(shè)層位。深部加固鉆孔布置如圖4～5所示。

(a)23091膠帶巷 (b)23092回風(fēng)巷

圖5 深部加固鉆孔布置剖面圖

3.2.2 鉆孔施工

現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工過程中，參照前一鉆孔施工情況及時(shí)進(jìn)行新鉆孔施工角度調(diào)節(jié)，鉆孔揭露情況與設(shè)計(jì)基本一致。沿工作面推進(jìn)方向，位于陷落柱范圍內(nèi)的鉆孔其前部均進(jìn)入陷落柱內(nèi)部；23091膠帶巷鉆孔在施工至46～50 m時(shí)，23092回風(fēng)巷鉆孔在施工至60～65 m時(shí)，均出現(xiàn)巖體破碎情況，同時(shí)返水出現(xiàn)泥漿，鉆孔施工難度增大，個(gè)別鉆孔出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。位于陷落柱兩側(cè)邊緣的注漿鉆孔，施工進(jìn)入工作面深部時(shí)出現(xiàn)煤巖體破碎、打鉆失水量增加、局部位置卡鉆現(xiàn)象，但均不影響成孔。

3.2.3 注漿材料及封孔堵漏

封孔和淺孔注漿均采用聯(lián)邦加固雙液材料，A、B兩種材料的水灰比為(0.8～1)∶1，兩種漿液按照體積比1∶1配制。深孔采用聯(lián)邦加固單液材料，水灰比為0.6∶1。淺孔封孔長(zhǎng)度為2 m，深孔封孔長(zhǎng)度為16 m。淺孔注漿過程中出現(xiàn)漏漿時(shí)，采用間歇注漿和降低水灰比的方式進(jìn)行堵漏；深孔注漿出現(xiàn)漏漿時(shí)，采用單雙液交替注漿和間歇注漿的方式進(jìn)行堵漏。

3.2.4 注漿時(shí)機(jī)

通過分析2309工作面礦壓數(shù)據(jù)，在距工作面25～40 m 區(qū)域，因受超前支承壓力作用，煤巖體裂隙張開、貫通，有利于漿液滲透。此時(shí)對(duì)煤巖體進(jìn)行加固后，漿液可提高裂隙弱面的力學(xué)性能，使煤巖體維持在較高承壓狀態(tài)，有利于破碎煤巖的穩(wěn)定。因此確定距工作面25～40 m為合理注漿區(qū)域。

3.2.5 注漿壓力及注漿量

注漿壓力是保證注漿效果的關(guān)鍵，綜合確定淺孔注漿壓力為4～8 MPa，深孔最大注漿壓力控制在12～15 MPa。在深孔加固鉆孔注漿過程中，統(tǒng)計(jì)分析鉆孔注漿量。沿工作面推進(jìn)方向，位于陷落柱內(nèi)部鉆孔，由于陷落柱內(nèi)部破碎巖體由泥巖膠結(jié)，可注性相對(duì)較差，注漿量相對(duì)略小；而位于陷落柱兩側(cè)邊緣的注漿鉆孔其注漿量整體較大，鉆孔平均注漿量較陷落柱內(nèi)部鉆孔高約30%。

4 試驗(yàn)效果分析

趙莊二號(hào)井2309工作面采用整體推過的方式通過JDX16陷落柱，對(duì)工作面過陷落柱期間煤壁片幫情況、工作面推進(jìn)速度(見表1)、支架壓力等進(jìn)行觀測(cè)分析。

表1 工作面通過陷落柱時(shí)不同區(qū)域推進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)

1)在正常回采期間，工作面的推進(jìn)速度為 3.01 m/d，工作面煤壁平整，液壓支架末阻力在 2 500 kN 左右。

2)陷落柱比預(yù)計(jì)時(shí)間提前28 m揭露，由于該區(qū)域未進(jìn)行超前注漿加固，僅采取了工作面管理的技術(shù)措施，工作面出現(xiàn)多處大范圍的片幫和漏頂現(xiàn)象，最多連續(xù)6個(gè)架以上出現(xiàn)片幫，深度達(dá)到1.5 m，冒頂高度在2 m以上；該區(qū)域工作面推進(jìn)速度為 0.97 m/d，為正常區(qū)域的32.0%；液壓支架末阻力在 3 000 kN 左右。

3)進(jìn)入注漿加固區(qū)后，工作面煤壁片幫現(xiàn)象逐步好轉(zhuǎn)，進(jìn)入加固區(qū)15 m后，工作面煤壁整體直立平整，最多連續(xù)2個(gè)架出現(xiàn)片幫，深度不超400 mm，沒有出現(xiàn)漏頂現(xiàn)象；工作面推進(jìn)速度為2.46 m/d，為正常區(qū)域的81.7%；液壓支架末阻力在2 500 kN左右。

通過對(duì)以上分析可知，在綜放工作面推過陷落柱全過程，分階段采取不同的技術(shù)措施后，工作面煤壁片幫情況得到明顯改善，特別是在工作面出陷落柱影響區(qū)時(shí)，工作面煤壁平整；工作面推進(jìn)速度得到提高，實(shí)現(xiàn)了工作面安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié)語

1)通過理論分析陷落柱周圍應(yīng)力分布范圍，結(jié)合趙莊二號(hào)井2309工作面礦壓數(shù)據(jù)，分析了工作面過JDX16全過程應(yīng)力演化特征，明確了工作面距陷落柱不同位置的應(yīng)力變化情況，并對(duì)主要階段的工作面頂板運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了分析。

2)提出了分階段細(xì)化工作面管理和重點(diǎn)區(qū)域超前預(yù)注漿加固的綜合煤壁片幫防治技術(shù)。通過穩(wěn)定工作面割煤速度，控制放煤區(qū)域，加強(qiáng)對(duì)支架移架時(shí)機(jī)、初撐力和護(hù)幫板管理，細(xì)化過陷落柱全過程的工作面管理，并采用“淺部裂隙封堵、深部煤巖加固”方案，對(duì)陷落柱前15 m到出陷落柱20 m區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)加固。

3)通過采取綜合技術(shù)措施，2309工作面過JDX16陷落柱時(shí)，煤壁平整直立，未出現(xiàn)大范圍片幫和冒頂，最大片幫范圍為連續(xù)2個(gè)架，深度不超 400 mm；同時(shí)工作面推進(jìn)速度平均為2.46 m/d，為正常區(qū)域的81.7%。