綜放開采工作面下覆煤層采空區探測及充填加固技術研究

王全征(中化地質河南局集團有限公司, 河南 鄭州 450011)

1 前言

當生產礦井為資源整合礦井或者礦井回采區域存在有小煤窯開采破壞區時,煤炭生產期間會遇到開采廢棄的空巷或者采空區,同時上述空巷及采空區賦存存條件復雜、位置往往不詳,給煤炭資源高效安全回采帶來一定影響[1-2]。受空巷及開采破壞區遺棄時間較長、頂板容易冒落且內部可能積存有瓦斯、水等影響,礦井采掘作業面過空巷或開采破壞區時容易出現礦壓顯現異常、冒頂、片幫、瓦斯及水異常涌出等問題,特別是采掘作業面位于空巷或開采破壞區上部時更用以引起礦壓異常或者支架壓架、傾倒等安全事故[3-4]。實現空巷及開采破壞區探測并針對性制定加固技術措施可為煤炭安全回采創造良好基礎[5]。為此,眾多學者及工程技術人員對工作面回采過開采破壞區展開研究,其中吳士良等[6]針對蔣莊礦3下煤層710工作面回采過底板巷道為該工程背景,通過理論分析工作面過底板巷道期間圍巖應力、穩定性情況,隨后提出通過工作面煤層注水降低礦壓顯現,以便確保工作面安全回采,工程應用后注水區域煤層強度降低23%、工作面超前影響區距離降至70 m以內,工作面過底板巷道期間液壓支架等開采設備保持穩定、底板巷道頂底板位移量控制在160 mm以內,取得較好應用效果;侯艷峰[7]針對口前礦4203綜放工作面底板下覆11#煤層存在采空區問題,采用鉆探方式確定空巷分布范圍,并采用注漿充填方式加固采空區,現場應用后采面過底板空巷期間采面底板、液壓支架等保持穩定;史占東等[8]針對近距離煤層群開采條件下回采工作面過下覆煤層遺放棄空巷期間面臨空巷頂板坍塌、工作面液壓支架不穩、底板塌陷等問題,綜合理論分析、數值模擬等技術方法對工作面過底板空巷期間底板巖體穩定性進行分析,并提成通過架設#字型木垛方式提高空巷支護支護強度,為工作面過底板下覆煤層空巷創造良好條件。文中就以某礦6#煤層6303綜放工作面回采為工程背景,對工作面回采過下覆9#煤層采空區期間采用的探測技術、采空區填充加固方案等進行分析,以期為其他礦井類似情況工作面回采提供經驗借鑒。

2 工程概況

某礦設計產能為300萬t/a,為低瓦斯礦井,井田內主要含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組,礦井主采煤層從自上而下依次為3、6、9、10、11、12#煤層,其中3、9、11#為穩定的全區可采煤層,6、10、11、12#煤層局部可采。井田地質構造總體為一寬緩的背斜向斜相間的褶曲構造,地層平緩,地層傾角均值為9°。6#煤層6303綜放工作面設計走向630 m、傾向斜長為213 m,埋深均值為100 m,回采區域內煤層厚度為4.95 m,頂板巖性以粉砂巖、砂質泥巖為主,底板巖性以泥巖為主。6303綜放工作面設計推進速度為4.8 m/d,采高為2.7 m、放煤高度為2.1 m,工作面布置的主要綜放設備包括有ZF6800/17/32型支撐掩護式液壓支架、MGTY300/700-WD的雙滾筒采煤機割煤(采高2.7 m、滾筒截深0.8 m)、前部SGZ-764/630刮板輸送機、后部SGZ-800/800刮板輸送機等,工作面回采瓦斯絕對涌出量為0.79 m3/min。

6#煤層下覆9～11 m為9#煤層,煤層厚度均值為3.6 m、煤質為優質的無煙煤、開采經濟效益十分顯著。6303綜放工作面下覆9#煤層疑似存在的不明采空區,而且出于安全考慮無法深入采空區探測采空區的實際狀況,因此需結合現場情況針對性制定下覆煤層采空區探測及充填加固技術方案,以便確保工作面煤炭安全回采。

3 底板采空區探測及穩定性分析

3.1 底板采空區探測

為了探測6303綜放工作面下覆9#煤層疑似采空區分布情況,礦井于2022年12月在回采運輸巷、回風巷按照50 m間距布置鉆場,并在鉆場內均按30°角施工探測鉆孔;其中運輸巷內布置的探測鉆孔均正常鉆進,而布置在回風巷側的探測鉆孔探測到9#煤層采空區,具體探測探測鉆孔布置情況及探測底板9#煤層采空區情況如圖1所示。回風巷探測鉆孔探測結果見表1。

表1 探測孔探測過程

圖1 6303綜放工作面探測孔布置及探測結果

根據圖1、表1可知,6303綜放工作面底板到下部9#煤層上邊界的距離在9.5～14.5 m;下覆9#煤層采空區集中分布在工作面回風巷一側;探測發現4203采面底板的層理較發育,完整性較差。

3.2 工作面底板穩定性分析

3.2.1 理論分析

6303綜放工作面回采引起的超前支承壓力集中在工作面前方煤體以及底板深部,隨著應力重新分布導致底板一定范圍內形成塑形破壞區,具體底板破壞區可細分為主動極限區域(OAB)、過渡區域(OBC)及被動極限區(OCD),具體如圖2所示。工作面回采引起的支承壓力會導致底板出現變形破壞,主要影響因素有工作面斜長、開采深度、底板巖性情況等。由于6303綜放工作面底板與下覆9#煤層采空區間巖性以泥巖、砂質泥巖及砂巖為主,因此采面回采后底板破壞深度綜合采用斷裂力學、塑性力學進行分析。

圖2 工作面底板破壞區分布示意圖

按照斷裂力學進行分析時,工作面回采后底板最大脆性破斷深度D1max可通過下述公式計算:

(1)

式中:γ為工作面底板巖體容重,取25 kN/m3;H為工作面埋深,取100 m;L為工作面斜長,取213 m;RC為底板巖層抗壓強度,取26.25 MPa。將上述參數帶入公式(1)即可求得D1max=0.75 m。

按照塑性力學進行分析時,工作面回采后底板最大塑性深度D2max可通過下述公式計算:

(2)

式中:φ0為工作面底板巖層內摩擦角,取值30°;H為工作面埋深,取值100 m。將上述參數帶入公式(2)即可求得D2max=11 m。

通過上述分析得知,6303綜放工作面回采后底板0～0.75 m范圍內出現脆性破斷、0.75～11 m范圍內出現塑性破壞,而前期探測發現6303綜放工作面底板到下部9#煤層采空區上邊界的距離9.5～14.5 m,同時底板巖層自身承載能力較差,在6303綜放工作面開采擾動、采動壓力等作用下容易導致底板出現下沉,從而導致工作面開采出現安全風險。

3.2.2 模擬分析

采用FLAC3D分析,6303綜放工作面在9#煤層采空區上回采時底板塑性區分布表情況、垂向應力分布情況等,以便更好的掌握底板9#煤層采空區對工作面回采影響。具體現場模擬時采用的工作面頂底板巖性參數見表2,構建的模擬模型長、寬、高分別為180 m、150 m、60 m,模型底部及四周均為固定邊界,頂部為自由邊界且均勻施加2.5 MPa載荷。模擬時6303綜放工作面與下覆9#煤層采空區層間距取11 m,巖層巖性以泥巖為主。

表2 工作面頂底板巖性參數

具體在9#煤層采空區上部回采時工作面底板塑性區、應力分布情況如圖3所示。從圖3看出,6303綜放工作面在9#煤層采空區上回采底板塑性區與采空區頂板直接連通,底板塑性破壞深度超過層間距;特別是在采面迎頭位置垂向應力集中,底板出現拉應力、峰值為0.78 MPa,底板在拉應力、垂向應力等綜合作用下更容易出現離層、垮落等問題,從而導致工作面底板出現較大變形;6303綜放工作面在9#煤層采空區上回采時容易出現底板下沉、塌陷問題,進而引起工作面液壓支架、采煤機、刮板輸送機等設備傾倒、失穩等,給工作面煤炭安全高效生產帶來嚴重威脅[9-10]。

圖3 采空區上覆工作面回采期間塑性區及應力分布圖

對采空區進行充填加固后模擬結果如圖4所示,采空區充填加固后充填體給9#煤層采空區頂板提供較大的支撐作用力;在充填體支撐作用下6303綜放工作面在9#煤層采空區上回采底板塑性區分布范圍明顯降低,底板塑性區與采空區頂板塑性區未能聯通,底板存在有一定范圍的彈性區,彈性區寬度約為2 m;同時6303綜放工作迎頭底板位置應力分布得以明顯改善,底板拉應力分布范圍明顯降低,雖然底板仍出現有拉應力,但是應力峰值降至0.038 MPa以內,拉應力整體較小,不會導致底板巖層出現大范圍變形問題,有助于維護工作面底板穩定[11-12]。

圖4 采空區加固后上覆工作面回采期間塑性區及應力分布圖

4 工作面底板采空區加固技術

充填材料是6303綜放工作面下部采空區充填中的關鍵組成部分,目前使用的充填材料有化學漿液、水泥漿液、高水材料與粉煤灰混合料,以及空巷充填材料四大類。具體上充填材料的優缺點對比見表3。

表3 充填材料優缺點分析結果

6303綜放工作面埋深較淺(均值為100 m),對下覆的9#煤層采空區進行充填加固后即可與采空區內破碎煤巖體相互配合實現工作面底板支撐。在確保充填效果基礎上,為降低成本、鉆孔工程量及勞動強度,在分析現有充填材料基礎上選用空巷充填加固采空區[13-14]。

利用6303綜放工作面內布置的探測鉆孔對9#煤層采空區進行加固,根據以上研究結果,參考以往的工程實踐,考慮孔底可能存在部分老窯水,漿液的水灰比確定為4∶1,凝結體終強2.5 MPa,注漿壓力控制在3～5 MPa。空巷充填材料分甲、乙料兩部分,配比1∶1,需分別加水攪拌輸送,泵站點用2路鋼管供水,供水能力20 m3/h以上。具體充填系統布置情況如圖5所示。

圖5 充填系統示意圖

5 結論

(1)6303綜放工作面回采面臨的隱患為下覆9#煤層采空區范圍不確定,工作面底板不穩定、液壓支架在過采空區過程中存在失穩、陷落等問題。為此,在6303綜放工作面布置鉆場探測下覆9#煤層采空區分布范圍,發現下部9#煤層的采空區集中分布在6303綜放工作面回風巷側;6303綜放工作面與9#煤層采空區見巖層厚度在9.5～14.5 m,巖層完整性較差、層理較發育。

(2)綜合斷裂力學、塑性力學理論分析方法及數值模擬手段對6303綜放工作面回采過9#煤層采空區時底板穩定性進行分析,發現:①工作面回采后底板0～0.75 m范圍內出現脆性破斷、0.75～11 m范圍內出現塑性破壞;②在未對采空區進行加固時工作面回采后底板塑性區與采空區頂板直接聯通,同時工作面前方應力集中明顯、底板穩定性較差,而對采空區進行加固后工作面底板塑性區分布范圍明顯降低,底板存在有一定的彈性區同時應力分布得以明顯改善,對底板采空區進行加固有助于維護工作面底板穩定。

(3)在綜合分析現有充填加固材料基礎上,提出采用空巷充填材料加固9#煤層采空區,并針對性給出充填加固方案及安全技術措施。工程應用后,6303綜放工作面過下覆9#煤層采空區期間,底板未出現下沉、斷裂及裂隙等情況出現,綜放設備等始終保持穩定,工作面推進保持4.8 m/d推進速度。