2018三面采空综放工作面围岩控制技术的研究与应用

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　　［摘 要］ 通过对三面采空综放工作面围岩控制技术的深入研究，并在南屯煤矿七采区73上19（东）综放工作面的开采实践中成功应用，为矿井类似条件下综放工作面开采具有较高借鉴意义。
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　　 ［关键词］ 三面采空；综放工作面；围岩控制
　　 ［作者简介］ 魏永启，兖州煤业股份有限公司南屯煤矿生产技术科副科长兼技术主管，采矿工程师，研究方向：采煤技术管理，山东 邹城，273515；刘勇，兖州煤业股份有限公司南屯煤矿机采队副队长，助理工程师，研究方向：采煤技术管理，山东 邹城，273515；曹富龙，兖州煤业股份有限公司南屯煤矿生产技术科技术员，助理工程师，研究方向：采煤技术管理，山东 邹城，273515
　　 ［中图分类号］ TD82 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1007-7723（2011）11-0073-0007
　　
　　一、73上19（东）工作面概况与存在的灾害隐患
　　 （一）概况
　　 南屯煤矿73上19（东）工作面位于七采区中北部-350m水平，见表1。工作面平面图如图1所示。该工作面煤层结构简单，储存稳定，见表1。该煤层顶底板情况见表2。本次研究采用的钻孔资料柱状图如图2所示。
　　
　　 该工作面采用伪倾斜长壁综采放顶煤一次采全高全部垮落采煤法。中间支架选用ZFQ6500-18/35 20架，ZFS-5600G-18/35 58架，端头支架选用ZFQP6500-20.5/32 9架。所选用支架，满足顶板管理支护强度和底板比压值要求。
　　 （二）73上19（东）工作面存在的灾害隐患
　　 南屯煤矿73上19（东）工作面处于三面采空状态，三面采空地段岩层属于“C”型空间结构。该结构存在的岩层控制问题是：
　　 1. “C”型覆岩空间结构轴部地段煤体破碎，如何保障顺槽、切眼掘进期间的顶板安全；
　　 2. 工作面推进过程中冲击地压发生的可能性以及相关监测、控制；
　　 3. 工作面推进到与7321停采线平齐前后，“C”型覆岩空间结构向“L”型、“S”型转化过程中发生异常压力的可能性以及相关监测、控制研究。
　　 二、73上19（东）工作面“C”型覆岩空间结构及轴部围岩稳定性分析
　　 （一）73上19（东）工作面“C”型覆岩空间结构采场
　　 图3是73上19（东）工作面“C”型覆岩空间结构平面示意图。
　　 （二）“C”型覆岩空间结构轴部切眼以及扩宽切眼阶段的岩层运动与应力分析
　　 1. 73上19（东）工作面切眼围岩条件
　　 切眼西侧选择了5m的小煤柱方案，则切眼围岩所处的力学环境如下：
　　 采深500m，应力集中系数2.5，最大支承压力P为：
　　 P=2.5×2.5×500=31.25MPa
　　 P略大于煤层强度，因此，切眼围岩出现塑性区。
　　 根据经验，在73上19（东）工作面的条件下，最大支承压力峰值点距离采空区边缘的距离为10～15m左右。小煤柱宽度A=5m，小切眼宽度4m，总宽度9m，小切眼仍处于低应力区内，但是煤体处于被压裂状态，破裂的程度由煤体硬度、老顶下沉量等决定。扩切眼时，总宽度将达到12m，煤体破碎加剧，并有较大的动压。煤体和顶板状态见图4。
　　 2. 73上19（东）工作面上下端头切眼附近煤体破裂分析
　　 掘进切眼时，上下端头处于应力叠加区，煤体的破裂区将扩大，破裂区可能达到20～30m，而且是一个三角形区域。该区域支护将更困难，需要锚注才能保证煤体的稳定性。三角形区域煤体破碎状态如图5所示。
　　
　　 三、“C”型覆岩空间结构向“L”型、“S”型转化过程中发生异常压力的可能性预测与监测
　　 73上19（东）工作面从开切眼开始，覆岩空间结构将经历开切眼附近的“C” 型覆岩空间结构、工作面推进到与7321停采线平齐前后的“L”型覆岩空间结构、最后过渡到7321没有开采的实体煤地段，即 "S"型覆岩空间结构地段三个阶段。如图6所示。三种覆岩空间结构的转化过程中工作面和巷道的能否产生异常压力显现，是保障顶板安全的关键技术问题之一。
　　 （一）“C”型覆岩空间结构向“L”型、“S”型转化过程中矿山压力显现的预测
　　 综放工作面“异常压力”的来源主要是大跨度老顶结构的前支点（煤壁上方）因遇到倾斜方向的顺面断层、相变等地质构造后，顶板产生滑落失稳而造成的。
　　 根据这一研究结论，在73上19（东）工作面切眼附近，“C”型覆岩空间结构正处于7321 工作面后支承压力的高峰区。因此，预计开采初期巷道和工作面压力显现比较强烈，随着向7321 工作面停采线推进，逐步进入73上19（东）工作面采空区后方的卸压区，压力显现将越来越小。
　　 随着“C”型覆岩空间结构向“L”型、“S”型转化，下顺槽逐渐进入实体煤区域，压力显现将越来越小，最终进入普通实体煤区域顺槽的压力显现模式。
　　 上顺槽的边界条件基本不变，因此，压力显现与普通沿空巷道基本相似。
　　 （二）“C”型覆岩空间结构向“L”型、“S”型转化过程中矿山压力的实测结果
　　 1. 73上19综放工作面上顺槽回采期间巷道变形情况（表3）。
　　
　　 工作面矿压观测期间，75号支架的数据比较完整和有代表性，该支架在顶板来压期间的支架阻力统计数值如下（表4）。
　　
　　 （三）73上19（东）工作面“C”型覆岩空间结构向“L”型、“S”型转化过程中发生异常压力显现的研究结论
　　 根据理论预测和矿压观测，73上19（东）工作面除了“C”型覆岩空间结构轴部矿压显现比较强烈外，“L”型、“S”型覆岩空间结构的运动不会对工作面和顺槽产生异常的压力显现。
　　四、主要研究结论
　　 1. 通过理论研究，提出了73上19（东）工作面切眼附近顶板属于“C” 型覆岩空间结构的观点，并研究了该结构轴部地段的岩层运动和矿山压力规律。选择了5米小煤柱隔离采空区的方案，在切眼与顺槽连接处煤体破碎地段，采用化学加固材料进行了快速注浆加固和密封煤体，实现了有效控制破碎围岩和采空区有害气体的渗出，保障了“C”型覆岩空间结构轴部地段切眼和顺槽掘进和回采期间的安全。
　　 2. 矿压观测研究表明，73上19（东）工作面推进到与7321停采线平齐前后，“C”型覆岩空间结构向“L”型、“S”型转化过程中没有发生异常压力显现。
　　 3. 开采实践表明，“C”型覆岩空间结构轴部地段的岩层运动和矿山压力控制的要点是：合理选择切眼与采空区之间的煤柱宽度；确定切眼的合理支护形式和参数，防止煤柱大变形；切眼与顺槽连接处煤体破碎地段的快速加固技术和材料；因煤体破裂而引起的有害气体封堵；因坚硬岩层断裂而引起的冲击地压发生的可能性预测、检验和防治。