連采連充工作面臨空巷道圍巖穩(wěn)定機(jī)理及控制技術(shù)研究

王雨豪

(山西潞安集團(tuán) 司馬煤業(yè)有限公司, 山西 長治 046000)

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展建設(shè),我國煤礦開采技術(shù)得到了巨大的提升,礦井產(chǎn)量和開采效率都得到了大幅提升。然而,目前仍有大量煤礦面臨著采掘接替緊張的問題,因此,越來越多的礦井選擇采用臨空巷道開采技術(shù)[1].

臨空巷道開采技術(shù)是在兩側(cè)工作面開采前,提前布置好回采巷道,巷道需要經(jīng)歷掘進(jìn)、上工作面回采、下工作面回采3個階段的擾動影響[2-4]. 連采連充是充填開采中的一種方法,能夠有效控制巖層穩(wěn)定,高效置換遺留煤炭資源[5-6]. 司馬煤礦為了提高煤炭采出率、降低地表沉降,在1101采空區(qū)南側(cè)首次采用連采連充技術(shù)開采CT1101工作面。根據(jù)現(xiàn)場情況顯示,CT1101北運巷毗鄰1101采空區(qū)側(cè),巷道頂板出現(xiàn)較大幅度的變形下沉,多處梯子梁彎曲變形,煤柱幫上半部分出現(xiàn)嚴(yán)重鼓起。因此,對CT1101連采連充工作面臨空巷道圍巖穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行研究,并采用巷道圍巖控制技術(shù),保證圍巖穩(wěn)定。

1 工程概況

CT1101工作面北側(cè)為1101工作面,CT1101工作面采用連采連充膏體充填開采,1101工作面采用垮落法開采。CT1101工作面巷道采用“W”型布置,共布置5條巷道,包括工作面北運巷、南運巷、風(fēng)巷和工作面南、北聯(lián)巷,即南、北兩側(cè)布置工作面運輸巷,中部布置工作面回風(fēng)巷,運輸巷和回風(fēng)巷末端通過工作面聯(lián)巷相連。其中,北運巷長度為1 097.669 m,南運巷長度為1 266.087 m,風(fēng)巷長度為1 253.206 m,工作面聯(lián)巷總長度為210 m(南、北翼均為105 m),均沿3#煤層頂板布置,屬煤巷。3#煤層埋深約250 m,煤層平均厚度6.4 m,平均傾角3°. 工作面位置關(guān)系見圖1.

圖1 工作面布置情況

2 連采連充工作面臨空巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場實際情況,建立FLAC3D數(shù)值計算模型,見圖2. 模型尺寸為280 m×400 m×62.1 m,共1 541 120個單元,1 597 425個節(jié)點。固定模型底面和四周,在頂部施加6.3 MPa的垂直應(yīng)力模擬上覆巖層載荷。采用double-yield模型模擬采空區(qū),采用strain-softening模型模擬煤柱,采用Mohr-Coulomb模型模擬其它巖層。

圖2 數(shù)值計算模型

2.2 連采連充工作面開采順序

連采連充是一種“間隔支巷采煤、分步充填置換”的開采模式,具有擾動小、頂板下沉量小等優(yōu)點。CT1101工作面采用“隔三采一”的四步式回采方式。將工作面分成4個開采階段,先開采第一階段支巷,每條支巷開采完后立即充填,同時開采下一條支巷,采煤和充填互不干擾,實現(xiàn)平行作業(yè)。待第一階段充填體穩(wěn)定并達(dá)到一定強度后,再重復(fù)回采第二、第三、第四階段煤柱,達(dá)到連采連充、全采全充的效果。

2.3 巷道圍巖全周期應(yīng)力演化特征

CT1101工作面采用四步式回采,回采時可分為4個階段,回采過程中應(yīng)力分布遷移情況見圖3.

圖3 CT1101工作面回采時采場應(yīng)力分布情況

1) 第1步回采時,采場頂板基本由煤柱承載,采場圍巖應(yīng)力呈波浪型分布。工作面推進(jìn)300 m時,10 m區(qū)段煤柱中的最大應(yīng)力為30.3 MPa,超前支承應(yīng)力峰值為25.8 MPa.

2) 第2步回采時,采場頂板逐漸由煤柱承載向煤柱與充填體共同承載過渡。工作面推進(jìn)300 m時,10 m區(qū)段煤柱中的最大應(yīng)力為33.1 MPa,超前支承應(yīng)力峰值為36.7 MPa.

3) 第3步回采時,采場頂板由煤柱與充填體共同承載。工作面推進(jìn)300 m時,10 m區(qū)段煤柱中的最大應(yīng)力為29.8 MPa,超前支承應(yīng)力峰值為42.1 MPa.

4) 第4步回采時,采場頂板逐步由煤柱與充填體共同承載向充填體承載過渡。工作面推進(jìn)160 m時,超前支承應(yīng)力峰值為45.0 MPa;工作面推進(jìn)300 m時,采場頂板載荷基本由充填體承擔(dān),10 m區(qū)段煤柱中的最大應(yīng)力為25.6 MPa,充填體應(yīng)力峰值為15.5 MPa.

綜上所述,在CT1101工作面采用連采連充回采過程中,采場內(nèi)圍巖應(yīng)力分布呈波浪型動態(tài)遷移。在開采前期,圍巖應(yīng)力峰值出現(xiàn)一定程度的增長。在開采后期,采場內(nèi)支撐頂板的煤柱寬度越來越小,在側(cè)向支承應(yīng)力與超前支承應(yīng)力的共同作用下,煤柱在靠近CT1101北運巷處出現(xiàn)強烈的應(yīng)力集中現(xiàn)象,容易出現(xiàn)煤柱失穩(wěn)破壞,造成巷道強烈變形,嚴(yán)重影響回采安全。煤柱與充填體之間存在主次承載關(guān)系,在煤柱與充填體共同承載期間,充填體應(yīng)力遠(yuǎn)小于煤柱應(yīng)力,說明采場載荷主要由煤柱承擔(dān),充填體僅起到次要承載作用。當(dāng)工作面第4階段回采完后,CT1101工作面內(nèi)部煤柱已全部回收結(jié)束,此時的充填體起主要承載作用。連采連充結(jié)束后,圍巖應(yīng)力出現(xiàn)明顯降低,說明巷道保護(hù)的重點在于開采過程中。

3 工業(yè)性試驗

3.1 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知,連采連充過程中由于差異化的承載會引起局部應(yīng)力集中,并且隨著連采連充作業(yè)的不斷推進(jìn),煤柱中的應(yīng)力集中越來越強烈,給CT1101運巷的安全造成隱患。雖然這種情況難以改變,但是可以通過切斷1101工作面采空區(qū)上方的堅硬懸頂,降低應(yīng)力集中程度,保護(hù)巷道安全。

水力壓裂鉆孔施工方案布置情況見圖4. 水力壓裂每組致裂孔包含A類致裂孔和B類致裂孔各1個。同組內(nèi)2個致裂孔間距為4 m,每組間隔距離為12 m.

圖4 頂板水力壓裂鉆孔布置

A類鉆孔:在巷道頂板以垂直仰角60°、水平方位角75°向1101工作面采空區(qū)方向施工鉆孔,鉆孔直徑為65 mm,鉆孔深度設(shè)計為35 m,致裂4—5次,致裂間距3～4 m.

B類鉆孔:在巷道頂板以垂直仰角55°、水平方位角70°向1101工作面采空區(qū)方向施工鉆孔,鉆孔直徑為65 mm,鉆孔深度設(shè)計為30 m,致裂3—4次,致裂間距3～4 m.

3.2 礦壓監(jiān)測

水力壓裂切頂卸壓試驗的主要目的是控制巷道變形,減少二次修巷工作量。巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果是判斷水力壓裂切頂卸壓效果的主要依據(jù)。在壓裂段和非壓裂段各布置6個表面位移測點,監(jiān)測巷道表面變形情況,對比水力壓裂切頂卸壓效果。

非壓裂段頂板最大下沉量327 mm,幫部最大移近量402 mm;壓裂段頂板最大下沉量228 mm,幫部最大移近量316 mm. 與非壓裂段相比,壓裂段巷道變形量明顯降低,煤柱幫最大移近量降低了21.5%,頂板最大下沉量降低了30.2%.

4 結(jié) 論

采用現(xiàn)場實際與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究了連采連充工作面臨空巷道的穩(wěn)定性特征,主要得到以下結(jié)論:

1) 1101工作面回采后采空區(qū)上方堅硬巖層容易形成懸頂,對臨空巷道和煤柱產(chǎn)生較大的壓力,嚴(yán)重影響巷道圍巖穩(wěn)定。CT1101工作面采用連采連充開采,回采過程中煤柱與充填體交替承載,這種差異化的承載會引起局部應(yīng)力集中,造成巷道局部圍巖大變形。

2) 結(jié)合現(xiàn)場實際情況建立了FLAC3D數(shù)值計算模型,模擬結(jié)果顯示:CT1101工作面回采期間,采場內(nèi)圍巖應(yīng)力呈波浪型的動態(tài)遷移,臨空巷道側(cè)圍巖受到側(cè)向支承應(yīng)力與超前采動應(yīng)力疊加影響,應(yīng)力集中系數(shù)最高達(dá)到6.62.

3) 制定了以水力壓裂切頂卸壓技術(shù)為核心的巷道圍巖控制體系。應(yīng)用于現(xiàn)場后,煤柱幫最大移近量降低了21.5%,頂板最大下沉量降低了30.2%,有效控制了巷道變形。