孤岛工作面末采时期上覆岩层失稳机理及停采工艺实践_郭靖.pdf

孤岛工作面末采时期上覆岩层失稳机理及停采工艺实践*郭靖1,2,3，张彪2，吕帅康1，尉永邦3，陈建如3，李建伟1（1.中国矿业大学（北京），北京100000；2.兖煤菏泽能化有限公司 赵楼煤矿,山东 菏泽274000；3.晋能控股煤业集团，山西 大同037300）摘要：为研究孤岛工作面末采时期上覆岩层失稳机理及控制技术，以塔山煤矿山4#8310孤岛工作面开采为研究地质背景，根据分析得到孤岛工作面全生命周期上覆岩层应力集中应力叠加形式，导致停采撤架期间上覆岩层裂隙发育演化特征相似于工作面的周期来压时上覆岩层裂隙发育规律。同时结合现场实测数据及力学模型演算结果，推算出采位停止位置需至少保留煤柱16.18 m，设定停采位置最终优化为1 005 m。利用分析得出的停采期间围岩应力变化规律，对撤退主通道机道顶板进行补强支护，优化停采支护工艺。现场顶板窥视孔影像表明，撤架时期机道顶板变形发生在可控范围内，上覆岩层变形得到了较好的控制，保证了坚硬顶板孤岛工作面停采撤架工作安全高效的完成。关键词：孤岛工作面；上覆岩层失稳机理；停采工艺中图分类号：TD323;TD353文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 009 05Instability Mechanism and Stoppage Technology Practice of OverlyingStrata at the End of Isolated Working Face with Hard RoofGUO Jing1,2,3,ZHANG Biao2,LYU Shuaikang1,YU Yongbang3,CHEN Jianru3,LI Jianwei1(1.China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100000,China;2.Zhaolou Coal Mine,Yanmei HezeChemical Co.,Ltd.,Heze 274000,China;3.Jineng Holding Coal Industry Group,Datong 037300,China)Abstract：In order to study the mechanism of overburden rock destabilization and control technologyduring the last mining period of the isolated working face,the geological background of the study wastaken as Tashan coal mine mountain 4-8310 isolated working face,according to the analysis,the stressconcentration and stress superposition of the overburden rock layer during the whole life cycle of theisolated working face was obtained,resulting in the overburden rock layer fracture development andevolution characteristics similar to the overburden rock layer fracture development law when the workingface comes under pressure in the cycle.At the same time,combined with the field measurement dataand mechanical model calculation results,deduced that the mining stopping position needs to retain atleast 16.18 m of coal column,and set the final optimized stopping position to 1 005 m.Using theanalysis of the change law of the surrounding rock stress during the stopping period,the top plate of theretreat main channel is reinforced and the stopping support process is optimized.The image of roofpeephole on site shows that the deformation of the roof of the machine channel during the withdrawalperiod is within the controllable range,and the deformation of the overlying rock layer is well controlled,which ensures the safe and efficient completion of the withdrawal work of the hard roof isolated islandworking face.Key words:island working face;mechanism of overlying strata instability;stop production第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0030引言对于我国大多数千万吨级的大型煤矿，为提高资源利用率，不可避免会对特殊区域进行开采，类似孤岛工作面、重度构造带等区域，而这些难采区域都存在应力较为集中、巷道矿压机理复杂并显现明显、开采难度高、极易诱发瓦斯积聚及冲击地压等地质灾害等问题。如何解决类似孤岛工作面的开采问题，保证工程队伍按照采掘衔接计划顺利完成开采、停采任务，关乎到整合煤矿生产活动的统筹协调工作能否高效完成，因此制定合理的难采区域全生命周期方案，显得尤为重要。目前对于开采坚硬顶板孤岛工作面工作，学者*国家自然科学基金资助项目（51864036;51964038）;内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划（NJYT-19-B33）9们做了大量研究。张茂微基于某矿52209孤岛工作面地质背景，利用弹性理论及GDEM数值模拟软件对上覆岩层受力状态进行深度分析，建模结果表明采空区上覆岩层应力影响范围可分为应力影响区域和稳定压实区，并根据应力演化规律计算得到在采空区外侧20 m范围内矿压显现强烈，该成果为孤岛工作面巷道支护设计提供了技术支撑。郭忠华对孤岛工作面卸压钻孔参数进行深入分析，依据煤体单元受力情况，建立弹塑性模型理论并计算得到在孤岛工作面支护设计中，卸压钻孔的布置可在一定程度上破坏煤体中初始应力布置方式，提高了煤体抗压强度，对孤岛工作面巷道维护起到了良好的控制效果。程利兴，姜鹏飞等针对深井孤岛工作面的巷道大变形问题，分析了围岩应力演化动态规律及变形破坏特征，利用模型计算结合现场实测手段，得到采动动压影响范围，基于破坏特征提出针对性的支护对策，为开采厚岩层孤岛工作面时巷道维护提供了技术指导。现阶段文献多数是针对孤岛工作面开采中的巷道维护问题展开研究，对末采时期巷道围岩应力演变规律问题研究较少，导致开采孤岛工作面全生命周期性工作研究不够深入。应对坚硬顶板孤岛工作面末采时期巷道变形失稳现象问题，本文以8310孤岛工作面末采时期为研究背景，采用探究围岩应力演变机理分析结合现场实测手段，研究孤岛工作面末采时期上覆岩层应力演变规律，并基于分析结果提出了优化停采位置、停采支护设计等针对性技术手段，以期为相关类似孤岛工作面末采时期巷道维护工作提供技术指导。1工程概况晋能控股煤业集团塔山矿山4#8310工作面为孤岛工作面，该工作面位于三盘区西翼，工作面北部为已采空的8309工作面，南部为已采空的8311工作面，东部为该盘区西翼盘区大巷，西部与挖金湾井田山4#8201工作面相邻（已采空），相邻工作面均停采12个月以上，再不会对本工作面采掘造成动压影响。主采煤层为近水平煤层，平均2.5，赋存稳定，倾斜长度228 m，工作面主采煤层山西组4#为半亮型、暗淡型煤，结合巷道掘进揭露煤层情况推断该煤层属于复杂结构煤层，煤层中普遍含有23层夹石，夹石岩性为灰黑色砂质泥岩、黑色泥岩、深灰色高岭质泥岩，平均可采煤层厚度3.45 m，工作面对应上覆煤层为挖金湾井田侏罗系8#、9#、11-2、14-3层404盘区采空区。8310工作面末采时位置及巷道布置图如图1所示，煤层钻孔综合柱状图如图2所示,采区配套各设备规格及主要技术参数如表1所示。图18310工作面位置及巷道布置图图28310工作面钻孔综合柱状图表1工作面设备配套表工作面运输巷、回风巷（2310、5310）为矩形断面，断面净尺寸分别为4.8 m3.1 m、4.8 m2.8 m，支护形式均采用“锚杆+锚索+W钢带+方铁托板+金属网”联合支护。顶板采用3根17.8 mm5 300 mm锚索及5根22 mm2 500 mm左旋无纵肋螺纹钢锚杆联合支护，锚索排间距3 000 mm1 600 mm，锚杆排间距1 000 mm1 100 mm；巷道临时支护采用“一梁三柱”形式，单体选用DW40-250/110X，采区工作面采用127架液压支架支设，型号ZZ10000/20/38，端头采用ZTZ10000/25/38端头支架进行支护。2工作面末采围岩失稳显现机理2.1全生命周期及停采撤架上覆岩层边界演化采煤工作面回收煤炭资源的过程中，由于采位的变化造成上覆岩层的空间结构变化，这种上覆岩层垮落边界的演变对采场直接影响的表现便是动态周期来压。采场受应力演变及相邻采空区对孤岛工作面应力叠加规律如图3、图4所示，随着采位的推进，受到垂直应力的影响，采场推进方向前方的实煤孤岛工作面末采时期上覆岩层失稳机理及停采工艺实践郭靖，等第42卷第02期Vol.42 No.02功率/kW1 13827504004003400-250规格型号Eickhoff SL300SGZ1000/2750SZZ1200/400PLM3500DSJ120/200/3400ZTZ10000/25/38ZZG10000/20/38ZZ10000/20/38BRW400/31.5配套设备名称采煤机刮板输送机转载机破碎机带式输送机端头液压支架过渡液压支架中间液压支架乳化液泵能力2 000 t/h2 500 t/h3 000 t/h3 500 t/h2 000 t/h-400 L/min数量11111141274山4#西翼回风巷山4#西翼辅运巷山4#西翼带式输送机巷2310巷5310巷8310工作面钻探柱状地层系统组岩性描述5.526.506.02.425.473.950.921.601.264.925.805.363.203.603.453.083.483.283.455.914.68二叠系山西组泥岩、砂质泥岩，深灰色，东部中部较薄西部较厚粗砂岩、中粒砂岩，浅灰色细砂岩，中粒砂岩，浅灰色，东部中部较厚西部较薄泥岩、砂质泥岩，深灰色高岭质泥岩，褐灰色泥岩、砂质泥岩，深灰色厚度/m10区内部形成应力集聚，两顺槽超前支护段也会受到超前支承力不断重新演变的变化应力，但采场及两端头处于应力相对降低区，这种采场顶板垂直载荷动态变化相互叠加的形式是导致坚硬顶板孤岛工作面末采围岩应力复杂状态的主要原因。图38310工作面煤体受采空区应力分布特征K.载荷系数.体积力h.岩层厚度