關(guān)于特大采高綜采面回撤階段調(diào)節(jié)巷異常片幫機(jī)理的探索
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作者張毅
神東礦區(qū)礦井基本都具備采高大、機(jī)械化程高、推進(jìn)速度快、一井一面或兩面等特點(diǎn)。從20世紀(jì)初工作面采用輔巷多通道綜采面搬家技術(shù)試驗(yàn)成功以來，為增加開機(jī)率，縮短工作面搬家時(shí)間，神東礦區(qū)綜采面均采用了此項(xiàng)技術(shù)，即在工作面停采線附近預(yù)先掘出平行于工作面布置方向的主回撤通道和輔回撤通道，通道間布置若干聯(lián)巷，設(shè)備搬運(yùn)車可同步進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)，大大加快了工作面的搬家速度。為確保在回撤階段工作面底板與回撤通道底板準(zhǔn)確貫通，還會(huì)由主回撤通道向工作面預(yù)先掘出若干條平行于回采巷道的探巷，稱為調(diào)節(jié)巷，調(diào)節(jié)巷為工作面的安全快速回撤發(fā)揮了巨大的作用。
調(diào)節(jié)巷的長度一般為15～20 m，當(dāng)工作面推進(jìn)至調(diào)節(jié)巷時(shí)，有時(shí)會(huì)造成調(diào)節(jié)巷發(fā)生大范圍片幫。依照經(jīng)驗(yàn)來看，在調(diào)節(jié)巷靠近工作面?zhèn)扔捎诟矌r的運(yùn)動(dòng)、采煤機(jī)的擾動(dòng)和支護(hù)強(qiáng)度較于回撤通道處弱等因素，其片幫程度應(yīng)大于靠近回撤通道處，但多個(gè)工作面的開采實(shí)踐表明調(diào)節(jié)巷靠近回撤通道側(cè)片幫程度比靠近工作面?zhèn)雀鼮閲?yán)重。目前對(duì)于綜采工作面回撤階段的研究主要側(cè)重于回撤通道和工作面煤壁的片幫變形以及礦壓規(guī)律的總結(jié)，而對(duì)于調(diào)節(jié)巷異常片幫這一問題，目前仍沒有相關(guān)的研究。調(diào)節(jié)巷連接著回撤通道和工作面，若其發(fā)生大面積片幫，則有可能導(dǎo)致回撤通道頂板破碎，工作面發(fā)生冒頂事故，對(duì)工作面的安全快速回撤極為不利，因此找出調(diào)節(jié)巷異常片幫的原因并有針對(duì)性的加強(qiáng)支護(hù)，對(duì)于工作面的順利貫通極為重要。
基于以上分析，本文以大柳塔煤礦52304工作面為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場實(shí)測、理論分析和數(shù)值模擬，針對(duì)上述問題進(jìn)行研究，研究內(nèi)容可為類似工作面的安全快速回撤提供參考依據(jù)和理論指導(dǎo)。
1 工作面基本條件
52304工作面是神東礦區(qū)大柳塔礦5 -2煤層三盤區(qū)的首采工作面，也是大柳塔煤礦首個(gè)采用7m大采高支架的工作面。工作面地表標(biāo)高為1154.8~1269.9 m，底板標(biāo)高為988. 7~1018.1 m，工作面推進(jìn)長度為4547.6 m，工作面寬度為301 m。52304工作面內(nèi)煤層厚度平均6. 94 m，設(shè)計(jì)采高7m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，埋深142～275 m，上覆基巖厚度為110～210 m，煤層傾角10～30。煤層內(nèi)發(fā)育有l(wèi)～2層厚度約0.2 m的夾矸，巖性為泥巖。工作面采用一次采全高綜采采煤方法，全部垮落法管理頂板。
52304工作面采用輔巷多通道快速回撤技術(shù)，即在工作面停采線附近已經(jīng)預(yù)先掘出垂直于回采巷道的主回撤通道和輔回撤通道，兩回撤通道間隔20 m，主回撤通道寬6.8 m，輔回撤通道寬6 m。在聯(lián)絡(luò)巷與主回撤通道交叉點(diǎn)向工作面預(yù)掘出6條平行于回采巷道的調(diào)節(jié)巷，其寬度為4.5 m，長度為20 m。52304工作面回撤巷道布局如圖1所示。
2 工作面回撤階段調(diào)節(jié)巷片幫實(shí)測
52304工作面主回撤通道頂部采用錨桿十錨索十雙層鉛絲網(wǎng)+W鋼帶支護(hù)方式，主回撤通道靠近工作面一側(cè)，即正幫采用塑料網(wǎng)十玻璃鋼錨桿支護(hù)方式，負(fù)幫采用錨桿（木托板）+鋼帶十錨索十鋼筋網(wǎng)支護(hù)方式；輔回撤通道頂部采用錨桿十鋼筋網(wǎng)十鋼帶十錨索支護(hù)方式，幫部采用鋼筋網(wǎng)十鋼帶支護(hù)方式；調(diào)節(jié)巷頂部及幫部主要采用玻璃鋼錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)。
52304工作面臨近回撤階段在調(diào)節(jié)巷及其周圍發(fā)生了大范圍的片幫，從工作面進(jìn)入調(diào)節(jié)巷到距離主回撤通道10 m處，現(xiàn)場片幫現(xiàn)象一直很嚴(yán)重。在距離主回撤通道15 m處中部4條調(diào)節(jié)巷的片幫的范圍和深度如圖2所示，靠近主回撤通道側(cè)附近，調(diào)節(jié)巷片幫深度最大達(dá)到了6m，靠近工作面附近為2m左右，調(diào)節(jié)巷中部片幫情況較輕。
由圖2可知，當(dāng)工作面進(jìn)入調(diào)節(jié)巷時(shí)，調(diào)節(jié)巷巷幫、尤其是調(diào)節(jié)巷兩端發(fā)生了較為嚴(yán)重的片幫事故，最大片幫長度達(dá)到10 m，部分片幫深度超過了5 m，并且發(fā)現(xiàn)靠近主回撤通道側(cè)片幫程度更為嚴(yán)重。這樣破碎的巷道不僅對(duì)工作面和主回撤通道頂板的管理極為不利，而且顯著異常的片幫問題也給現(xiàn)場補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)帶來困惑，因此找出上述問題發(fā)生的根源，對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場安全開采意義重大。
3異常片幫機(jī)理研究
3.1 調(diào)節(jié)巷附近煤體垂直應(yīng)力變化規(guī)律
煤體發(fā)生片幫的原因與其受力和承載能力變化規(guī)律有直接關(guān)系，故采用FLAC3D對(duì)工作面回撤階段調(diào)節(jié)巷圍巖垂直應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行模擬。模型的煤層厚度為7m，調(diào)節(jié)巷的長度為20 m，寬度為4.5 m，高為5m，與現(xiàn)場保持一致。由于重點(diǎn)研究調(diào)節(jié)巷圍巖的應(yīng)力，故只按照覆巖賦存情況鋪設(shè)100 m的巖層，剩下約150 m的巖層重量以均布載荷的形式在模型頂界面進(jìn)行加壓，根據(jù)覆巖平均容重，確定施加壓力3. 75 M Pa。模型中巖層賦存特征與巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型底板和兩側(cè)限制移動(dòng)，材料模型本構(gòu)關(guān)系為彈塑性，強(qiáng)度服從莫爾一庫侖( Mohr-Coulomb)強(qiáng)度準(zhǔn)則。
由于重點(diǎn)研究工作面進(jìn)入調(diào)節(jié)巷時(shí)圍巖應(yīng)力值的變化規(guī)律，因此將調(diào)節(jié)巷以外的煤層一次性開挖完畢，待平衡后以5m為步距，開挖工作面進(jìn)入調(diào)節(jié)巷的20 m煤層，研究隨著工作面的推進(jìn)調(diào)節(jié)巷圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律。其中重點(diǎn)分析工作面距離回撤通道20 m、15 m和10 m的垂直應(yīng)力分布，并以此研究垂直應(yīng)力隨工作面推進(jìn)的演變規(guī)律，進(jìn)而分析調(diào)節(jié)巷異常片幫的根源。
根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知：當(dāng)工作面推進(jìn)至距離回撤通道20 m處，調(diào)節(jié)巷圍巖出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其是在回撤通道附近，應(yīng)力集中系數(shù)大于工作面附近（前者2.9，后者2.2），正是因?yàn)槊后w所受垂直應(yīng)力值的不同，而導(dǎo)致調(diào)節(jié)巷兩端片幫程度的不同，模擬結(jié)果合理解釋了調(diào)節(jié)巷的異常片幫現(xiàn)象；當(dāng)工作面距離回撤通道15 m時(shí)，調(diào)節(jié)巷兩端應(yīng)力集中系數(shù)相差不大，但由于前期靠近回撤通道側(cè)煤體已經(jīng)經(jīng)受較大的垂直應(yīng)力，因此此時(shí)調(diào)節(jié)巷靠近回撤通道側(cè)圍巖依然是破壞嚴(yán)重區(qū)域；當(dāng)工作面推進(jìn)至距離回撤通道10 m時(shí)調(diào)節(jié)巷兩端應(yīng)力集中區(qū)在距離回撤通道5m處合二為一，應(yīng)力集中系數(shù)也達(dá)到最大（為3.5），表明此時(shí)調(diào)節(jié)巷圍巖所受垂直應(yīng)力達(dá)到最大值，因此當(dāng)工作面推進(jìn)到這個(gè)位置時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測煤體的變形，防止調(diào)節(jié)巷出現(xiàn)大范圍的片幫。
3.2 調(diào)節(jié)巷異常片幫的理論分析
由于52304工作面回撤通道是預(yù)先掘出的，因此主回撤通道和調(diào)節(jié)巷覆巖壓力轉(zhuǎn)移至旁邊煤體，工作面在推進(jìn)至調(diào)節(jié)巷之前，煤體能保持較好的穩(wěn)定。但當(dāng)工作面推進(jìn)至調(diào)節(jié)巷，超前支承壓力也會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移至回撤通道和調(diào)節(jié)巷附近煤體，這將會(huì)加大煤體的垂直應(yīng)力。根據(jù)巖體的極限平衡理論計(jì)算，并結(jié)合神東礦區(qū)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)可知，支承壓力的峰值與工作面之間的距離為12～15 m，因此隨著工作面的不斷推進(jìn)，超前支承壓力峰值位置也將從調(diào)節(jié)巷靠近工作面一端轉(zhuǎn)移至靠近回撤通道一端，由于主回撤通道采用多個(gè)垛式支架支撐頂板，支護(hù)強(qiáng)度較大，因此對(duì)于頂板來說，可視回撤通道為實(shí)體煤支護(hù)。如圖3所示，設(shè)超前支承壓力距離工作面為L，工作面距離主回撤通道的距離為S，則超前支承壓力峰值距主回撤通道的位置X可表示為：
由圖3并根據(jù)式(1)可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至距離主回撤通道32~35 m時(shí)（圖3中位置1），超前支承壓力峰值開始轉(zhuǎn)移至調(diào)節(jié)巷附近煤體，但此時(shí)工作面距離主回撤通道較遠(yuǎn)，煤體的承載能力較大，調(diào)節(jié)巷端部煤體基本仍為三向受力狀體，此時(shí)超前支承壓力一般不會(huì)對(duì)煤體的穩(wěn)定造成很大的影響；當(dāng)工作面推進(jìn)至距離主回撤通道15 m時(shí)（圖3中位置2），超前支承壓力峰值由工作面?zhèn)绒D(zhuǎn)移至主回撤通道側(cè)，此時(shí)工作面與回撤通道間煤體的寬度僅為15 m，且支承壓力峰值位置恰好落在主回撤通道側(cè)煤體邊緣，調(diào)節(jié)巷和主回撤通道交叉處煤體可視為二向甚至單向受力狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力過大時(shí)便會(huì)導(dǎo)致煤體出現(xiàn)塑性破壞進(jìn)而引發(fā)大面積片幫。因此調(diào)節(jié)巷在工作面回撤間發(fā)生異常片幫的主要原因是由于超前支承壓力的作用和峰值位置煤體受力狀態(tài)的不斷改變共同作用的結(jié)果。
4調(diào)節(jié)巷異常片幫的影響及防治
調(diào)節(jié)巷是連接主回撤通道和工作面的重要通道，當(dāng)調(diào)節(jié)巷圍巖不穩(wěn)定甚至塑性破壞時(shí)，容易引發(fā)工作面處端面漏冒甚至壓架的發(fā)生，還將會(huì)影響主回撤通道頂板的穩(wěn)定性，對(duì)工作面安全回撤帶來巨大的不便，因此應(yīng)結(jié)合調(diào)節(jié)巷發(fā)生異常片幫的原因，有針對(duì)性的對(duì)調(diào)節(jié)巷危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，避免對(duì)工作面的順利貫通帶來影響。
由上述分析結(jié)果可知，工作面推進(jìn)過程中調(diào)節(jié)巷周圍煤體最為危險(xiǎn)的位置是與主回撤通道交叉處煤體，因此需要在工作面進(jìn)入調(diào)節(jié)巷前加強(qiáng)對(duì)該位置的支護(hù)。在煤體破壞之前，可采用增加錨桿和錨索的數(shù)量進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，但當(dāng)煤體已經(jīng)發(fā)生較大的塑性變形甚至破壞，則需要通過采用注射馬麗散等進(jìn)行加固，避免塑性區(qū)進(jìn)一步惡化。
5 結(jié)論
(1) 52304工作面回撤階段調(diào)節(jié)巷發(fā)生了異常片幫現(xiàn)象，通過數(shù)值模擬并結(jié)合理論分析可知，工作面進(jìn)入調(diào)節(jié)巷時(shí)，其超前支承壓力峰值恰好轉(zhuǎn)移至主回撤通道煤體，由于調(diào)節(jié)巷端部煤體為二向甚至單向受力狀態(tài)，失去高應(yīng)力承載能力從而發(fā)生塑性破壞導(dǎo)致片幫的發(fā)生；而靠近工作面?zhèn)日{(diào)節(jié)巷附近煤體雖然也有應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是應(yīng)力極值小且煤體承載力強(qiáng)，因此片幫的程度也較輕，這是調(diào)節(jié)巷發(fā)生異常片幫的主要原因。
(2)調(diào)節(jié)巷發(fā)生大面積的片幫對(duì)工作面頂板的管理和主回撤通道的維護(hù)極為不利，因此應(yīng)有選擇性的針對(duì)關(guān)鍵位置加強(qiáng)支護(hù)，根據(jù)上述機(jī)理確定了應(yīng)在主回撤通道與調(diào)節(jié)巷交叉處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，當(dāng)塑性區(qū)發(fā)育較大時(shí)還應(yīng)采用注漿加固來避免出現(xiàn)大范圍的片幫，確保工作面安全順利貫通。
6摘 要 針對(duì)特大采高綜采面回撤階段調(diào)節(jié)巷發(fā)生異常片幫問題，以大柳塔煤礦52304工作面為研究條件，采用現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬和理論分析對(duì)工作面發(fā)生異常片幫的原因進(jìn)行研究。結(jié)果表明：由于超前支承壓力的不斷轉(zhuǎn)移，當(dāng)工作面進(jìn)入調(diào)節(jié)巷時(shí)，回撤通道側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)大于工作面?zhèn)龋瑢?dǎo)致調(diào)節(jié)巷出現(xiàn)回撤通道側(cè)片幫程度大于工作面?zhèn)绕瑤偷漠惓，F(xiàn)象。通過采用預(yù)先加強(qiáng)支護(hù)危險(xiǎn)位置，如增加錨桿和錨索的支護(hù)數(shù)量和對(duì)煤體進(jìn)行注漿加固等措施可有效控制調(diào)節(jié)巷片幫的發(fā)生，保證工作面的安全回撤。
