盧樹德,解盤石,孫明福,鄧 軍,胡博勝,張 波

(1.甘肅靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,甘肅 白銀 730900;2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實驗室,陜西 西安 710054;3.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054;4.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引言

大傾角煤層是指埋藏傾角為35°～55°的煤層,屬于典型的復(fù)雜難采煤層[1]。在中國四川、新疆、甘肅等礦區(qū),50%以上礦井開采大傾角煤層,而在山東、河北、安徽等中東部地區(qū),隨著賦存條件“優(yōu)越”的煤炭資源日益減少,大傾角煤層的安全高效開采成為亟需解決的重大工程問題[2]。

近年來,廣大學(xué)者采用理論分析、數(shù)值計算、物理模擬以及現(xiàn)場實測等方法對大傾角綜放開采過程中礦壓顯現(xiàn)特征[3-4]、放煤工藝[5-7]、工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律[8-11]、頂煤破碎機(jī)理及運(yùn)移規(guī)律[12-15]等問題開展了研究,極大地改善了該類煤層開采現(xiàn)狀。但是綜放開采與一次采全高相比其采出率較低,遺留在采空區(qū)內(nèi)的煤量較多,且綜放采場煤層厚度大,頂板垮落及裂隙發(fā)育范圍更加廣泛,極易漏風(fēng)引發(fā)煤體自然發(fā)火,嚴(yán)重威脅人員安全和制約礦井經(jīng)濟(jì)效益。因此,亟需開展大傾角綜放采場遺留頂煤運(yùn)移及裂隙發(fā)育規(guī)律研究。

以王家山中二401工作面為工程背景,采用物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對大傾角綜放采場遺留頂煤運(yùn)移及裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究,針對性提出此類采場防滅火技術(shù)與措施,為大傾角綜放開采實踐提供工程指導(dǎo)。

1 工程背景

王家山煤礦中二401綜放工作面煤層呈單斜構(gòu)造,走向長度375 m,傾向長度112 m,所開采的4號煤層平均厚度8.4 m,采放比為1∶2.3,采高2.6 m,放煤高度5.8 m。煤層平均傾角45°,以半暗煤為主,半亮煤次之,瀝青光澤,條帶狀結(jié)構(gòu),膠結(jié)松散;直接頂為粉砂巖,厚度8.5 m;基本頂為細(xì)砂巖,厚度21.2 m;直接底為粉細(xì)砂巖,厚度1.5 m,基本底為粗砂巖,厚度20 m。地層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 地層綜合柱狀Fig.1 Comprehensive histogram of strata

2 遺留頂煤運(yùn)移及堆積特征

2.1 物理相似模型設(shè)計

為系統(tǒng)地研究大傾角綜放采場遺留頂煤在采空區(qū)內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律和堆積狀態(tài),以及煤層開采后圍巖裂隙的發(fā)育情況,采用物理相似模擬實驗?zāi)軌蛑庇^地觀察現(xiàn)象發(fā)生的整個過程,對實驗數(shù)據(jù)的記錄也較為便捷。

因此,根據(jù)中二401工作面生產(chǎn)技術(shù)條件以及巖石力學(xué)實驗結(jié)果,選用2 150 mm×200 mm×1 800 mm(長×寬×高)的平面模型裝置,相似材料配比見表1,為模擬未能采出的煤層在采空區(qū)的運(yùn)移及堆積狀態(tài),將煤層頂部20 mm厚的煤層作為遺留頂煤,使其在開采過程中不隨頂煤一同放出。實驗前,在模型表面沿煤層走向共布置了14排測點(diǎn),其中第一排布置在模擬的遺留頂煤上,采用光學(xué)全站儀對工作面推進(jìn)過程中模型表面測點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測,計算測點(diǎn)的水平位移和垂直位移,采用Surfer軟件對位移變化繪制出云圖,對遺留頂煤及覆巖的運(yùn)移及堆積特征進(jìn)行研究。模型如圖2所示。

表1 相似材料配比Table 1 Ratio of similar materials

圖2 物理相似模型Fig.2 Physical similarity model

2.2 頂煤及覆巖變形破壞規(guī)律

工作面沿著傾斜方向上行開采,由于開采空間不斷擴(kuò)大,頂板巖層懸露跨度增加,逐步發(fā)生離層、斷裂、回轉(zhuǎn),隨著工作面向前推進(jìn),由于部分頂煤未能采出,遺留在采空區(qū)后向傾斜下方滑移。頂板巖層斷裂回轉(zhuǎn)的運(yùn)動空間不斷增大,巖塊失去支撐作用而向回采空間垮落,垮落后覆蓋于遺留頂煤上方。開采過程覆巖共產(chǎn)生4次垮落,隨著傾斜下部區(qū)域充填體對頂板的約束能力增強(qiáng),下部發(fā)生回轉(zhuǎn)鉸接,上部頂板破斷向下堆積,整體呈“馬鞍形”的堆積形態(tài),最終垮落高度為34.6 m,其范圍影響至3號煤,在采空區(qū)上部形成與3號煤層貫通的懸空空間。遺留頂煤會隨著采出的煤層一同破碎,在直接頂?shù)目迓湎轮饾u被覆蓋,因此在采空區(qū)內(nèi)形成“頂煤-直接頂-頂煤”交替堆積形態(tài),采空區(qū)留煤量沿傾斜方向呈現(xiàn)出下部區(qū)域大于中上部區(qū)域的現(xiàn)象,如圖3所示。

圖3 工作面布置及覆巖垮落Fig.3 Working face layout and overburden rock caving

2.3 覆巖運(yùn)移特征

煤層開采后,采場頂板不僅發(fā)生了垂直巖層方向的下沉,同時也沿傾斜方向向下運(yùn)移,如圖4所示。

圖4 覆巖位移云圖Fig.4 Overburden rock displacement nephogram

由水平位移云圖(a)可知,遺留頂煤運(yùn)移最為明顯,且傾斜中下部位移量大于上部區(qū)域,最大位移為0.24 m。工作面傾斜中下部覆巖較上部覆巖水平位移變化較大,沿層位越往上,覆巖水平位移量越小。由垂直位移云圖(b)可以看出,傾斜中部與上部遺留頂煤的垂直位移量較大,且中部大于上部,最大垂直位移為0.36 m。分析可知,遺留頂煤在采空區(qū)內(nèi)的堆積分布不均勻,傾斜下部堆積量大于傾斜中上部,由于采空區(qū)內(nèi)矸石的非均勻性充填,傾斜上部存在懸空空間,垮落頂板有較大的活動范圍,因此傾斜上部覆巖的垂直位移量明顯大于中下部。

3 覆巖運(yùn)移及裂隙發(fā)育規(guī)律

物理模擬實驗會受到模型尺寸及觀測條件的限制,而數(shù)值模擬實驗?zāi)軌虿皇苓吔缧?yīng)的影響,且可重復(fù)實驗并對模型進(jìn)行可視化觀測,其中基于“拉格朗日算法”的3DEC軟件適合多塊體的系統(tǒng)運(yùn)動和非線性大變形的模擬計算,更利于對大傾角綜放工作面在開挖過程中遺留頂煤的運(yùn)移及堆積規(guī)律進(jìn)行分析。

3.1 數(shù)值計算模型建立

根據(jù)甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司王家山煤礦中二401工作面實際情況,利用3DEC數(shù)值模擬軟件建立模型如圖5所示。

圖5 三維數(shù)值計算模型Fig.5 Three-dimensional numerical calculation model

模型215 m×200 m×180 m(長×寬×高),塊體數(shù)15 617,節(jié)理面數(shù)163 669,為了降低邊界效應(yīng)對模擬實驗的影響,在模型走向方向上留有50 m的邊界煤柱,在模型的x、y方向兩側(cè)以及z方向底部施加位移約束,煤層實際平均埋深680 m,由于數(shù)值模擬模型尺寸限制,上覆580 m巖層通過施加載荷來模擬。在工作面的傾向上部、中部及下部分別布置測線,用于監(jiān)測遺留頂煤、直接頂及基本頂?shù)奈灰萍皯?yīng)力狀態(tài),以更好地分析模型不同推進(jìn)度時整個采場空間的運(yùn)動狀態(tài)以及裂隙發(fā)育擴(kuò)展情況,在模擬實驗中取塊體之間相對位移大于0.2 m時,認(rèn)為其圍巖中形成裂隙。

3.2 覆巖垮落及裂隙擴(kuò)展分析

由不同推進(jìn)度下覆巖垮落及裂隙擴(kuò)展規(guī)律可知,在開采過程中,遺留頂煤率先滑落,堆積于工作面傾向下部,如圖6所示。

圖6 不同推進(jìn)度下覆巖垮落及裂隙擴(kuò)展規(guī)律Fig.6 Overburden rock caving and crack propagation law under different advance speeds

當(dāng)工作面推進(jìn)30 m時,直接頂發(fā)生垮落,垮落矸石沿底板向下滑移,遺留頂煤隨直接頂?shù)目迓浔煌耆采w,隨著工作面的推進(jìn),遺留頂煤與直接頂相繼垮落堆積,在傾斜中下部充填密實,上部形成懸空空間。未能采出的頂煤隨直接頂滑落、擠壓,形成“頂煤-直接頂-頂煤”交替堆積形態(tài),與物理模擬實驗一致。此時低位直接頂產(chǎn)生裂隙,裂隙發(fā)育高度距煤層底板22.1 m。工作面推進(jìn)60 m時,低位基本頂之間產(chǎn)生離層,傾向中下部區(qū)域矸石充填較滿,破斷的基本頂巖塊形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu),下沉、回轉(zhuǎn)量均較小,傾斜上部區(qū)域頂板運(yùn)動空間較大,彎曲、回轉(zhuǎn)明顯,此時覆巖裂隙繼續(xù)向上發(fā)育,距底板29.1 m。工作面推進(jìn)90 m時,由于傾斜上部的懸空空間逐漸增大,上覆頂板受垮落矸石的約束作用逐漸減小,離層擴(kuò)大進(jìn)而發(fā)生破斷,此時上覆巖層的采動裂隙已發(fā)育至3號煤層,使得采空區(qū)與3號煤貫通,為風(fēng)流形成通路,使3號煤自燃成為可能,因此,對3號煤的防滅火也尤為重要。

3.3 采動應(yīng)力演化規(guī)律

由于工作面開采帶來的擾動,上覆巖層的采動應(yīng)力發(fā)生了顯著變化。由于遺留頂煤在煤層開采時一同破碎,且在傾斜中下部區(qū)域較先發(fā)生破斷,其應(yīng)力變化為中下部大于上部。直接頂隨采隨落,同時受上覆垮落頂板的擠壓滑移作用,遺留頂煤與中下部直接頂所受力變化較為無序。在推進(jìn)距離為60 m左右時,各巖層應(yīng)力變化顯著,可以得出此時工作面發(fā)生初次來壓。從基本頂受力可以發(fā)現(xiàn),應(yīng)力大小呈現(xiàn)上部>中部>下部,由采空區(qū)垮落矸石非均勻性充填導(dǎo)致其不同區(qū)域應(yīng)力演化規(guī)律不同,最大垂直應(yīng)力為4.1 MPa。3號煤層中下部隨著開采的進(jìn)行,應(yīng)力也產(chǎn)生較大突變,表明裂隙發(fā)育影響到了3號煤層,如圖7所示。

圖7 不同區(qū)域采動應(yīng)力演化規(guī)律Fig.7 Evolution law of mining stress in different regions

3.4 覆巖位移演化規(guī)律

煤層開采改變了圍巖原有的應(yīng)力狀態(tài),促使圍巖產(chǎn)生變形破壞并向已成空間位移。由位移曲線可知,在工作面推進(jìn)過程中,遺留頂煤與直接頂中下部最先發(fā)生斷裂,采空區(qū)沒有了矸石的約束,遺留頂煤與直接頂有較大的滑移空間,遺留頂煤與直接頂?shù)拇怪蔽灰屏考s為6.5 m,由于傾斜中下部矸石的堆積程度增加,上部直接頂垮落后其垂直位移逐步減小。受矸石的非均勻性充填,基本頂最先由上部開始破斷,中下部直接頂位移受周期來壓變化顯著,且上部位移量大于中下部,最大位移為15 m。3號煤在隨工作面的推進(jìn)位移也發(fā)生突變,表明裂隙發(fā)育影響至3號煤,但其位移量較小,為0.045 m,總體趨勢為中下部大于上部,如圖8所示。

圖8 不同區(qū)域覆巖位移演化規(guī)律Fig.8 Displacement evolution law of overburden rock in different regions

4 大傾角綜放采場“兩階段”防滅火技術(shù)

通過物理相似模擬實驗和數(shù)值模擬實驗結(jié)果分析可知,采空區(qū)內(nèi)遺留頂煤量多,采場圍巖裂隙發(fā)育范圍廣是大傾角綜放采場的特點(diǎn),也是導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火的重要原因。因此,結(jié)合工作面開采條件以及防滅火技術(shù)現(xiàn)狀,提出采場的“兩個階段”防滅火技術(shù)措施,以保證工作面防滅火安全。

4.1 開采階段防滅火措施

4.1.1 架后注漿管路鋪設(shè)

工作面每推進(jìn)15 m(不超過15 m)需鋪設(shè)一趟預(yù)埋管路,管路延接煤巖接茬處(工作面15 m基本架處),架后預(yù)埋管路以一趟10 cm管路、兩趟6.67 cm管路順遞預(yù)埋且必須與回風(fēng)順槽內(nèi)13.32 cm主灌漿管路接通,并安設(shè)控制閥門,上隅角轉(zhuǎn)彎處必須采用與架后預(yù)埋管路相匹配的鋼管彎頭連接。每隔10副支架安設(shè)一個出漿三通,便于采空區(qū)全面灑漿。對高壓管路延接處采用道木對管路進(jìn)行防護(hù)處理(管路兩側(cè)分別固定道木),高壓管路與10 cm管路連接處在管路下方鋪設(shè)煤袋。采用道木配合煤袋對工作面上口管路上下兩側(cè)進(jìn)行防護(hù),防止管路進(jìn)入采空區(qū)后受壓斷裂,管口末端采用道木分別防護(hù)(管路兩側(cè)各固定一根道木),要求綜放隊在移架和移后溜時必須保護(hù)好預(yù)埋管路,嚴(yán)禁拉斷。上隅角預(yù)埋管路進(jìn)入采空區(qū)20 m后、架后預(yù)埋管路進(jìn)入采空區(qū)10 m后實施灌漿,嚴(yán)格控制灌漿時長,觀察好脫水情況,防止泥漿滿溢到工作面。要求每班灌漿前必須利用清水沖洗輸漿管路30 min,灌漿結(jié)束后再次利用清水沖洗輸漿管路30 min,以免泥漿沉淀在管內(nèi)堵塞。

4.1.2 防滅火鉆孔布置

如圖9所示,分別在中二401工作面的運(yùn)輸順槽與回風(fēng)順槽內(nèi)施工防滅火鉆孔,其中運(yùn)輸順槽內(nèi)鉆場位于煤幫后退25 m處,回風(fēng)順槽鉆場位于F23測點(diǎn)向西7 m處,鉆孔參數(shù)見表2。施工時必須按設(shè)計參數(shù)放線施工,要求采用經(jīng)緯儀進(jìn)行現(xiàn)場放線,施工過程中嚴(yán)格檢查鉆孔中的氣體情況,發(fā)現(xiàn)異常,立即停止打鉆作業(yè),在鉆孔施工到位后插入6.67 cm鋼管,防止塌孔,插管后與主注漿管路連通,及時實施注漿措施。

表2 防滅火鉆孔參數(shù)Table 2 Fire prevention drilling parameters

4.2 采后階段防滅火措施

工作面推進(jìn)后,采用全部垮落法處理采空區(qū),工作面后方的巷道沒有被保留,想要通過回采巷道對采過一段時間后的采空區(qū)進(jìn)行防滅火變得極其困難。因此,在不同需要的時期可選擇在1360西大巷內(nèi)不同位置布置鉆場,向南打防滅火鉆孔延伸至中二401采空區(qū)內(nèi),對采空區(qū)注漿以達(dá)到防滅火的目的,鉆孔參數(shù)見表3。

表3 1360西大巷防滅火鉆孔參數(shù)Table 3 1360 west large roadway fire prevention drilling parameters

在鉆孔施工前必須疏通1360西大巷水溝,施工過程中鉆孔流出的水由水溝排出,鉆孔施工到位后插入6.67 cm鋼管,防止塌孔,插管后于主注漿管路連通,及時實施注漿措施。如圖10所示。

圖10 1360西大巷鉆孔施工示意Fig.10 Schematic diagram of 1360 west large roadway drilling construction

5 結(jié)論

(1)通過實驗揭示大傾角綜放采場遺留頂煤破碎和運(yùn)移特征,此類采場遺留頂煤的破壞和運(yùn)移具有明顯的非對稱特征,其中工作面傾斜方向中下部的頂煤應(yīng)力與位移量均大于傾斜方向上部。

(2)定量表征大傾角綜放采場采空區(qū)遺留頂煤的分布規(guī)律。沿工作面傾斜方向,遺留頂煤在采空區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)“頂煤-直接頂-頂煤”交替堆積形態(tài),傾斜下部堆積量大于傾斜中上部。

(3)大傾角綜放采場圍巖裂隙發(fā)育范圍廣,遺留頂煤量多,針對遺煤特征綜合提出此類采場的“兩階段”防滅火技術(shù)措施。即開采階段打超前鉆孔,對支架后方鋪設(shè)注漿,采后階段在鄰近工作面向采空區(qū)打防滅火鉆孔并注漿,達(dá)到了良好的防滅火效果,保證了工作面安全高效生產(chǎn)。