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工作面順序接續(xù)下綜放沿空掘巷窄煤柱穩(wěn)定性控制

2021-05-21 08:33張洪偉萬志軍陳宇龍魏澤捷
煤炭學(xué)報 2021年4期
關(guān)鍵詞:端頭煤柱區(qū)段

張洪偉,萬志軍,張 源,滕 騰,陳宇龍,魏澤捷

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室,江蘇 徐州 221116; 3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

留窄煤柱綜放沿空掘巷技術(shù)已在我國眾多礦區(qū)使用,其中,煤柱的穩(wěn)定性是該技術(shù)成功實施的關(guān)鍵[1-4]。綜放工作面端頭區(qū)域是集采、運、通風(fēng)、行人為一體的重要出口,為保證該區(qū)域的安全,我國很多綜放工作面采用兩端頭區(qū)不放煤或少放煤的方式[5]。但是,隨著工作面的推進,端頭支架及過渡支架前移,架后端頭區(qū)未放頂煤及巷道頂板將失去支撐,并在礦山壓力作用下垮落至巷道。這些垮落堆積的煤巖體會對下區(qū)段工作面窄煤柱的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[6]。因此,研究工作面端頭區(qū)煤巖體垮落狀態(tài)及注漿加固對窄煤柱的維護效果具有重要意義。

長期以來,對端頭區(qū)煤巖體的研究大都集中在端頭頂煤開采方面,進行了端頭區(qū)支護、放煤試驗、放煤支架研制及改造等研究[7-11]。在窄煤柱穩(wěn)定性控制方面,主要是通過理論分析、現(xiàn)場觀測來揭示煤柱變形機理[12-14],并通過改變煤柱寬度及支護參數(shù)等對其穩(wěn)定性進行控制[15-20]。容易忽視的是,窄煤柱沿空巷道一側(cè)的支護結(jié)構(gòu)極易失效,導(dǎo)致煤柱沿空側(cè)約束弱化,進而引發(fā)失穩(wěn),這就需要研究窄煤柱側(cè)向約束力的恢復(fù)方法。

在受力狀態(tài)上,窄煤柱留設(shè)前,處于該位置的煤體為單面臨空狀態(tài);沿空掘巷后,窄煤柱處于雙面鄰空狀態(tài)。如果上一區(qū)段廢棄巷道被垮落的煤巖體充填并輔以注漿膠結(jié),則該充填體能為窄煤柱提供一定的側(cè)向約束力,窄煤柱也將由雙面臨空再次轉(zhuǎn)變?yōu)閱蚊媾R空,從而提高煤柱的承載能力。同時,上區(qū)段端頭區(qū)垮落的煤巖體是窄煤柱巷旁充填難得的骨料[6],也是巷旁注漿過程中防跑漿的阻擋體,這為有效注漿加固提供了條件。但是,目前對上區(qū)段端頭垮落煤巖體的形態(tài)以及巷旁注漿加固對窄煤柱承載力的恢復(fù)的可行性和效果鮮有研究。

筆者結(jié)合鮑店煤礦放頂煤開采技術(shù)條件,現(xiàn)場觀測了工作面端頭區(qū)的頂煤垮落堆積形態(tài);基于端頭垮落煤巖體注漿加固建立了雙面?zhèn)认蘖W(xué)模型和注漿加固后的三面?zhèn)认蘖W(xué)模型,并開展了實驗探究,分析了注漿加固體對煤柱殘余承載能力提升的影響機制及效果。最后,提出了基于端頭垮落煤巖體注漿加固的窄煤柱穩(wěn)定性的控制方法,并進行了現(xiàn)場驗證。

1 工作面端頭區(qū)域放煤情況

選取山東濟寧鮑店煤礦6302綜放工作面為研究對象,該工作面走向長980 m,傾向長200 m,工作面埋深約340 m。煤層厚度平均8.6 m,煤層平均傾角6°,機采高度3.0 m,放煤高度約5.6 m。直接頂為平均厚度3.5 m的粉砂巖,裂隙較發(fā)育,普氏硬度系數(shù)f=4~5;基本頂為厚12.47 m的粉砂巖互層。工作面軌道平巷為上寬4.2 m,下寬4.8 m,高3.2 m的梯形巷道,沿采空區(qū)留設(shè)3.0 m寬的窄煤柱護巷。窄煤柱采用長度均為2.0 m的錨桿支護,間、排距均為800 mm。

圖1為綜放工作面6301~6303工作面的位置關(guān)系。工作面端頭一般6~8 m不放煤。圖1中A—A剖面為6301工作面回采期間的端頭遺留煤示意圖,此時的待采工作面為6302工作面;B—B為6302工作面回采期間的示意圖。6301和6302工作面之間留設(shè)3 m左右的窄煤柱護巷,此時的待采工作面為6303,6301工作面已采完??梢钥闯觯?302工作面開采時,上區(qū)段6301端頭區(qū)會殘留大量的頂煤,且會在礦山壓力及失去支撐的作用下垮落并墜入巷道,充填上區(qū)段平巷(即6301運輸平巷),其垮落和充填的形態(tài)是研究的重點。

圖1 6301和6302綜放工作面接續(xù)關(guān)系及端頭區(qū)遺煤示意Fig. 1 6301 and 6302 fully-mechanized working faces and the abandoned coal at the working face end area

2 端頭區(qū)煤巖體垮落形態(tài)

鮑店煤礦綜放工作面垮落帶特征的鉆探結(jié)果表明,支架后方頂煤垮落角α約為68°[21],如圖2(a)所示(圖2中Md,Zd,Mh,Zh,Mh′,Zh′均為巖體)。工作面推進后,端頭未放頂煤垮落并形成自然安息角為β的斜坡,相關(guān)研究表明,礦巖散體放出安息角與散體粒徑和散體非均勻度有關(guān)[22],本文取β為35°。

端頭區(qū)頂部煤巖體的垮落是一個漸進過程。隨著工作面的推進,基本頂關(guān)鍵巖塊發(fā)生回轉(zhuǎn)變形,端頭支架頂煤Md及直接頂Zd垮落。頂煤高為5.6 m,直接頂高4.2 m,理想情況下形成如圖2(b)所示的垮落形態(tài)。其中,右側(cè)與已垮落直接頂接觸,形成統(tǒng)一的整體,左側(cè)由于缺乏限制,將會自然垮落堆積。

端頭支架移架后,巷道頂板將在一定時間內(nèi)保持自身穩(wěn)定,但隨著工作面的持續(xù)推進,基本頂關(guān)鍵塊持續(xù)回轉(zhuǎn),此時巷道靠近工作面的部分頂板可能發(fā)生失穩(wěn),部分頂煤Mh′及直接頂Zh′垮落堆積形成如圖2(c)所示的形態(tài),這種狀態(tài)下垮落的頂煤及直接頂還不能夠完全充填回采巷道,會在巷道上方形成一定范圍的三角狀空洞。

在特殊情況下(如切頂[23]),巷道頂煤Mh及直接頂Zh將會全部垮落形成圖2(d)所示形態(tài),在這種理想狀態(tài)下,巷道基本上會被垮落的頂煤及破碎的直接頂充填嚴(yán)實。

3 端頭區(qū)垮落煤巖體形態(tài)現(xiàn)場觀測

3.1 鉆孔觀測

(1)觀測施工參數(shù)。為探究窄煤柱采空區(qū)側(cè)巷道被垮落煤巖體充填的狀態(tài),選擇鮑店煤礦6302軌道巷(沿空巷道)設(shè)立觀測站對上區(qū)段工作面廢棄巷道進行鉆孔觀測。施工鉆孔地點選擇在距離本工作面約170 m的位置。施工5個鉆孔,鉆孔打好后即采用窺視儀對ZK1~ZK5鉆孔進行攝像觀測。鉆孔位置如圖3所示,鉆孔施工參數(shù)見表1。

以上是在公司固有收入、成本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對企業(yè)的經(jīng)營風(fēng)險進行分析和控制,由于是局限于內(nèi)部的經(jīng)濟資源,決策上難免片面。故需尋求最佳資本結(jié)構(gòu),獲得最大的股東報酬率和控制經(jīng)營風(fēng)險。

圖3 鉆孔施工位置示意Fig. 3 Sketch map of drilling construction

表1 鉆孔施工參數(shù)Table 1 Parameters of the boreholes

(2)觀測結(jié)果及分析。對5個鉆孔分別進行觀測,如圖4(a)~(d)所示,鉆孔ZK1~ZK5孔底均為破碎煤體。 ZK1具有一定的仰角(約為18°),且長度為460 cm,為最深鉆孔,其水平深度為437 cm,已經(jīng)深入至上區(qū)段巷道寬度的137 cm處,約占上區(qū)段巷道寬度的30.4%。如圖4(e),(f)所示,ZK1,ZK2和ZK5分別在310,340和342 cm處揭露上區(qū)段錨桿、梯子梁和錨網(wǎng)、煤墻等,證明鉆孔已經(jīng)打穿煤柱。因此,上區(qū)段巷道30.4%寬度范圍內(nèi),高度為302 cm范圍內(nèi),均為已經(jīng)垮落的煤巖體,與圖2(d)描述的情況相符。

圖4 鉆孔孔底及揭露錨護材料實物Fig. 4 Diagrams of borehole bottoms and anchor materials

3.2 直接觀測

對6302工作面端頭煤巖體垮落形態(tài)進行了直接攝像觀測,由于受到多次擾動,端頭支架上方煤巖破碎程度較高[9],為防止支架失穩(wěn),采用端頭支架鋪頂網(wǎng)的作業(yè)方式。但是,觀測發(fā)現(xiàn),端頭支架后的頂網(wǎng)不位于垮落煤巖體的底部,而是被“流入”巷道的煤體擠出,出現(xiàn)頂網(wǎng)在巷道的現(xiàn)象,這說明煤巖垮落堆積后逐漸向兩側(cè)滾動,最終將端頭支架頂網(wǎng)“擠出”,如圖5(a)所示。

攝像觀測了廢棄巷道內(nèi)煤巖體垮落堆積情況。如圖5(b)所示,在靠近支架位置的廢棄巷道中,主要為端頭支架上方垮落后“流入”的松散巖塊,由于距離工作面較近,所以松散巖塊的量較小。但是,支架后方更深處,關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)量加大,巷道內(nèi)不僅有來自端頭的頂煤,還有巷道上方“墜入”的松散巖塊(圖5(c)),其內(nèi)部基本被垮落的煤巖體充填嚴(yán)實,其結(jié)果與圖2(c)所示的過程相同,這部分垮落的煤巖體為后期注漿加固維護窄煤柱的穩(wěn)定性提供了條件。

圖5 工作面廢棄巷道內(nèi)垮落煤巖體實物Fig. 5 Photographs of the crashed roof in the roadway of working face

綜上所述,端頭支架上部留有厚5.6 m,寬6~8 m的松散頂煤,垮落后流入巷道內(nèi)部。隨著工作面的推進及關(guān)鍵塊的回轉(zhuǎn),厚度為6 m的頂煤垮落后墜入巷道。隨著端頭區(qū)上部煤層垮落與流入,上區(qū)段廢棄巷道部分被堵實,可以考慮對其進行注漿加固,在一定程度上限制煤柱向采空區(qū)側(cè)變形與垮落,充分利用垮落煤體的位置優(yōu)勢提高煤柱穩(wěn)定性。

4 端頭區(qū)垮落煤巖體注漿加固對窄煤柱承載能力的影響

4.1 力學(xué)模型的建立

窄煤柱在沿空掘巷前處于三向受力狀態(tài)(單面臨空),沿空掘巷后處于雙向受力狀態(tài)(雙面臨空)。將三維問題進行簡化,建立窄煤柱的雙面?zhèn)认蘖W(xué)模型。如圖6所示,將窄煤柱截取一段,簡化為雙軸壓縮模型,采用自制的夾具進行雙面?zhèn)认拊囼灒谶@種狀態(tài)下,沿著窄煤柱長軸(x軸)方向應(yīng)變?yōu)?,垂直于長軸方向(y軸)應(yīng)力為0。

圖6 窄煤柱雙面?zhèn)认弈P虵ig. 6 Narrow coal pillar under biaxial plane strain compression

以垮落煤巖體為骨料,進行巷旁注漿加固充填,形成如圖7所示的充填體,可簡化并建立三面?zhèn)认掭S向壓縮力學(xué)模型。該充填體將對煤柱提供一定的側(cè)向支撐力(簡化為位移約束),也就是將雙面?zhèn)认逘顟B(tài)改變?yōu)槿鎮(zhèn)认迚嚎s狀態(tài),側(cè)向3個面為位移約束。

圖7 窄煤柱注漿充填后的三面?zhèn)认掭S向壓縮模型Fig. 7 Narrow coal pillar under three-side fixed compression after lateral grouting

圖8 雙面?zhèn)认迣嶒灱皞?cè)向支護強化方式示意Fig. 8 Biaxial compression test and the lateral reinfo-rcement method

4.2 巷旁注漿承載力恢復(fù)實驗

4.2.1實驗方法概述

通過所建立的力學(xué)模型開展雙面?zhèn)认藓腿鎮(zhèn)认迚嚎s實驗(模擬注漿充填)。試樣采用水泥砂漿制備,尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。采用側(cè)向約束板來模擬煤柱塊體的受力環(huán)境,加載到試塊產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在殘余應(yīng)力到達(dá)時或到達(dá)前進行注漿模擬,施加橫向支護載荷,具體是向約束板和試樣表面之間注入含一定水分的土層(約2 cm),如圖8所示。隨著加載的進行,試樣不斷擴容從而和松散土體接觸,模擬巷旁注漿的承載力恢復(fù)過程,繼而研究試樣承載力恢復(fù)效果。

4.2.2煤柱承載力恢復(fù)特性

通過上述簡化的充填方式對破壞后的試樣進行承載力恢復(fù)實驗?zāi)M,記錄試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖9所示??梢钥闯?,試樣在雙面?zhèn)认迼l件下的抗壓強度為5.35 MPa,峰值后表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力降低現(xiàn)象,在降低到一定程度后,進行巷旁注漿加固模擬。加固后的試樣仍然經(jīng)歷了小幅度的應(yīng)力降低,其原因是充填體與試樣表面之間未緊密接觸以及充填體未壓實,該階段為煤壁與充填體的著力階段。緊密接觸后,充填體為試樣提供了一定的側(cè)向支護力,應(yīng)力上升,說明煤柱承載力得到強化。在充填體一側(cè)的原有的裂隙也不斷被擠壓閉合,使得試樣的整體性得到恢復(fù)。因此,試樣沿空側(cè)注漿后,改善了其受力環(huán)境,從雙向受力變?yōu)槿蚴芰?,強度得到強化?/p>

需要指出的是,通過這種方式來模擬煤柱承載力的恢復(fù)還有許多不足之處,如未考慮錨桿的支護效應(yīng)等,因此,并不能完全模擬煤柱承載力恢復(fù)的實際情況,而是一種簡化的實驗探究方法。

4.2.3試樣破壞形態(tài)對比分析

如圖10(a)所示,雙軸加載后的試樣呈現(xiàn)對稱的“人”字形剪切破壞形式,破壞后的試樣靠中部“人”字殘留結(jié)構(gòu)支撐,表現(xiàn)出中部穩(wěn)定兩端破碎現(xiàn)象,這與相關(guān)研究結(jié)果一致[24];注漿加固后,試樣逐漸與充填體貼合并“黏接”成為一個整體(圖10(b)),試樣呈現(xiàn)出向自由面橫向擴容現(xiàn)象,整體較完整。充填后的試樣兩端也有剪切破壞的痕跡,但是在注漿加固側(cè)的剪切裂隙有明顯的后期壓密閉合現(xiàn)象,試樣破壞并不對稱性,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是注漿后側(cè)向支護得到強化,試樣的擴容只能從支護強度較小一側(cè)(自由面)進行。

圖9 試樣承載力恢復(fù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 9 Stress and strain curve of sample during the recovery of bearing capacity

圖10 注漿充填加固前后試樣破壞形態(tài)Fig.10 Failure modes of sample before and after lateral grouting

4.3 煤柱承載力恢復(fù)效果討論

實驗測取了不同配比的立方體水砂試樣雙軸壓縮的峰值強度和殘余強度的關(guān)系,結(jié)果如圖11所示??芍瑲堄鄰姸扰c峰值強度之間呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)R2=0.852 2。殘余強度與峰值強度的平均比值為0.49,說明在雙軸壓縮條件下殘余強度為峰值強度的49%。

圖11 雙軸壓縮下試樣殘余強度與峰值強度的關(guān)系Fig. 11 Relationship of biaxial plane strain compressive residual strength and peak strength

三面?zhèn)认逓樽{充填的理想狀態(tài),張茂林[25]通過水砂試樣進行了大量三面?zhèn)认薜膶嶒灒芯苛巳S側(cè)限條件下試樣峰值強度與殘余強度之間的關(guān)系,得出平均峰值強度4.5 MPa,平均殘余強度3.6 MPa,殘余強度為峰值強度的79.8%。該結(jié)果較雙軸壓縮條件增加了30.8%,說明理想條件下注漿可使得煤柱承載能力提高30%左右。

如圖12所示,以上區(qū)段工作面端頭區(qū)垮落煤巖體為骨料和阻擋體,通過在沿空巷道側(cè)施工鉆孔對端頭區(qū)松散煤巖體進行注漿加固,一方面使較大孔洞得到充填,另一方面可膠結(jié)松散的煤巖體成為統(tǒng)一的整體,為窄煤柱提供側(cè)向支撐,達(dá)到減小煤柱側(cè)向變形的目的,同時這種方法將煤柱的雙向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向受力狀態(tài),大大提高了窄煤柱的殘余承載能力,又實現(xiàn)堵漏風(fēng)、減小基本頂關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)量等作用,可以適當(dāng)根據(jù)煤礦地質(zhì)條件及需求推廣使用。

4.4 工程實踐

鮑店煤礦6302綜放工作面窄煤柱寬度為3.0 m,采用長度為2.0 m的錨桿支護,間、排距為800 mm。采用泡沫粉煤灰外加水泥等材料灌漿充填上區(qū)段廢棄巷道。如圖13所示,將制漿站布置于地面,制備的漿液可通過管路輸送至工作面沿空巷道中,在窄煤柱中部鉆孔并布置充填管路,對沿空側(cè)廢棄巷道進行充填。

圖12 窄煤柱采空區(qū)側(cè)注漿充填/加固機制Fig. 12 Gob-side grouting filling/reinforcement mechanism of narrow coal pillar

圖13 地面制漿系統(tǒng)工作面灌漿系統(tǒng)示意Fig. 13 Diagram of ground pulping system and borehole grouting system

圖14為井下注漿鉆孔和煤柱實物圖,注漿鉆孔中埋設(shè)了管路,可以看出,該注漿管已經(jīng)被漿液充填。圖14右圖顯示的是現(xiàn)場窄煤柱的照片,可以看出,窄煤柱整體比較完整,得到了有效的控制。雖然窄煤柱裂隙仍然比較發(fā)育,但是由于巷旁充填體堵漏風(fēng)的作用,開采過程中并未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)高溫、發(fā)火等異常現(xiàn)象。在受工作面超前壓力影響時,靠近工作面位置的煤柱出現(xiàn)了較大變形,但是通過打單體支柱超前支護,巷道變形得到了很好的控制。

圖14 注漿鉆孔和煤柱實物Fig.14 Pictures of grouting borehole and pillar

5 結(jié) 論

(1)綜放工作面回采后,廢棄巷道基本被垮落的頂煤及端頭區(qū)墜入和流入的松散煤巖體充填嚴(yán)實,可通過注漿加固為煤柱提供一定的側(cè)向約束力。

(2)窄煤柱承載力恢復(fù)實驗表明,注漿加固體與煤柱表面緊密接觸需要一定的著力時間,接觸后,窄煤柱承載力將穩(wěn)步增強。注漿加固后的煤柱破壞形態(tài)也由原來對稱的“人”字形剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)橄蜃杂擅鏀U容的破壞形式,整體表現(xiàn)完整。

(3)理想條件下,巷旁注漿后的煤柱殘余承載能力可提高30%左右。

(4)對窄煤柱沿空側(cè)垮落煤巖體進行注漿充填即是從內(nèi)部環(huán)境上為煤柱提供側(cè)向支護力,又是從外部充填體結(jié)構(gòu)上控制煤柱穩(wěn)定性,能同時起到采空區(qū)防滅火和煤柱維護的作用,可為同類條件的煤柱穩(wěn)定性控制提供一定借鑒。

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