礦井綜采工作面安全快速過陷落柱構造帶研究

＊吳利偉

（晉能控股煤業集團煤峪口礦 山西 037003）

前言

在山西某礦的15302綜采工作面進行回采期間會發生陷落柱X160，該工作面圍巖所具有的穩定性不高。當回采從陷落柱X160通過期間，應力分布是不均勻的，容易導致支架不能正常推進、個別支架出現應力集中。就采面從陷落柱通過而言，其主要研究的是應用到工程技術中，關于回采工作面從陷落柱通過的機理分析與工程相結合的研究不多。為了將15302綜采工作面從陷落柱X160通過的問題解決，在本文中，分析了陷落柱范圍的應變，并和工程實踐相結合來實施了研究。

1.者述工程狀況

在15302工作面中，所開采的煤為15#煤層，該煤層的厚度、傾角的平均值分別是4.5m、6°。該煤層的基本頂、直接頂、直接底、基本底的巖性分別是細粒砂巖、灰巖、砂質泥巖、細粒泥巖，對應的厚度的均值為6m、1.2m、6m、7.2m。在該工作面中，所用的開采方法為綜合機械化采煤法，工作面的走向、傾斜長度分別為1400m、200m，埋深均值為500m。按照三維地震的探測結果，與切眼有120m距離處存在X160陷落柱，該陷落柱的規格是124m×44m，圖1即為其位置圖。按照三維影像發現，且三維影像形成于陷落柱，15302工作面區域被X160陷落柱所影響，并破壞了整個巖體結構，巖體應力由于地應力的不斷作用而有破碎出現，且破碎面積較大。

圖1 X160陷落柱相對位置圖

2.研究采面圍巖所具穩定性被陷落柱所影響

根據圖1發現，在對15302工作面進行回采期間一定會從陷落柱構造通過。為了對陷落柱構造影響圍巖穩定性的狀況進行研究，利用了COMSOL Multiphics軟件來實施數值模擬研究，若15#煤層、底板、頂板的介質都是均勻的，先從15302工作面中選取樣本，用該樣本來測試頂板力學的參數，表1即為其詳細參數。然后在從底板、煤巖體、煤層頂板中選取樣本，且樣本數量是15個，繼而在測試這些樣本，最后在將測試數值的均值當做實驗參數。

表1 圍巖基本參數

以實驗室所測定的參數為基礎來實施數值模擬，選取力學瞬態模型，該工作面埋深均值為500m，頂板荷載所計算出的值為20GPa。若煤體、煤層底板、頂板的介質都是均勻的，不用對氣相、液相的滲流進行考慮，頂板所能承擔的邊界荷載為20GPa，就能將陷落柱圍巖應變分布云圖模擬出來，即為圖2，在圖2中，模擬高度就是地層的剖面尺寸，且是豎面的，模擬結構的幾何尺寸與數值模擬對象的是相同的，圖2內陷落柱X160的性狀與尺寸是以現在的地質勘探尺寸為基礎的。

圖2 陷落柱圍巖應變分布云圖

從圖2發現，靠近X160陷落柱位移量的最大值為450mm，水平方向上有較大變形量的范圍有20m左右。因為數值模擬是以有限元理論為基礎的，較大變形量的區域已有跨落、破碎出現。陷落柱能夠影響的區域大概有160m，在其整個中心區域中的巖石都是破碎的，中心區域兩側有破碎帶、裂隙帶，且破碎帶是距兩側有20～30m的區域，裂隙帶是距離兩側有30～60m的區域。陷落柱四周圍巖體發生破碎的區域所呈現的形狀為“蝴蝶翼”，在該工作面回采到陷落柱四周時一定會有支架不能均衡受力、圍巖失穩的狀況出現。因為該工作面的開采使用的是綜合機械化，需保證液壓支架所經過環境的穩定性，可陷落柱造成區域中的底板與頂板都有破碎變形出現，在液壓支架移至此區域時就會有局部下沉出現，破碎巖體需要頂板支撐的范圍太大，導致水平、豎向的位移均較為大，造成失穩出現。

3.研究采面從陷落柱通過的技術

按照數值模擬研究的最終結果進行分析發現，靠近X160陷落柱的巖體有嚴重的變形，陷落柱區域的巖體是破碎的，降低了整體性，若該工作面在不采取措施時來從陷落柱中通過，就會有支架受力均勻性差、不易推進現狀出現。造成上述問題出現的原因主要是由于陷落柱改變了區域巖層的結構，對應的治理手段是改造構造區的巖層，能夠利用注漿形式來凝結破碎巖層，使區域巖體所具整體性提高。對應的治理手段是注漿其區域，圖3就是詳細的注漿鉆孔設計圖，表2就是其參數表。從圖3得知，注漿鉆孔一共有6個，且注漿鉆孔施工于該工作面的回風巷、運輸順槽中，自鉆場內進行鉆孔，確保鉆孔將陷落柱覆蓋。

圖3 注槳鉆孔設計圖

鉆孔的孔徑是90mm，利用2ZBQ24/10型氣動注漿泵來進行注漿，設定的注漿壓力是10MPa。選用水泥漿作為注漿材料，水與灰的比例為1:1.6，所使用的水泥為礦用硅酸鹽，且砂子的粒徑要在2.5mm以下，將速凝劑加入，此時的注漿壓力不變，穩定時間是0.5h。在結束注漿作業之后再正常回采，該工作面回采從X160陷落柱通過時要統計分析液壓支架的應力，并對有較大波動的3d進行統計，圖4即為統計的結果。

圖4 支架應力統計圖

從圖4發現，X160陷落柱在結束注漿作業之后，在推進采面期間，支架應力有較小波動的有127個，其最大與最小應力分別為270kPa、260kPa，在回采過程中支架能夠順利推進。因為有不少漿液被注入X160區域中，固結該區域中發生破碎的巖層，使其成為一個完成的整體，并以此為液壓支架下部的基底，并且提高了支架上部巖體的穩定性，降低了整個液壓支架的工作阻力。在施工現場，其頂板出現正常跨落，嚴格控制了跨落步長，使步長一直在16～17m之間，整個采面都是安全的。在回采過程中，中斷現象并沒有發生，回采工期比較穩定。

4.結論

關于15302綜采工作面在回采期間發生X160陷落柱的問題，來實施數值模擬研究，通過注漿來將巖層改善，并得出了下面幾項結論：

（1）被陷落柱所影響的水平范圍是160m，在其整個中心區域的巖石均是破碎的，中心區域兩側有破碎帶、裂隙帶，且破碎帶是距離兩側有20～30m的區域，裂隙帶是距離兩側有30～60m的區域中。

（2）通過全面分析之后，將治理措施確定，其治理措施是注漿加固，該措施能將陷落柱附近巖層所具有的性質改善。

（3）在結束注漿作業之后，要應力觀測回采期間的支架，且支架數量是127個，其應力波動的范圍是260～270kPa，基本上是穩定的。

經過研究15302綜采工作面在回采期間發生的陷落柱X160問題，將圍巖被此區域構造所狀況的狀況進行了明確，并針對性的制定了措施。該研究方法與研究結果可以作為依據來供類似礦井來參考。