过空巷综采工作面顶板破坏机理分析及充填技术研究_毛希鹏.pdf

过空巷综采工作面顶板破坏机理分析及充填技术研究 毛 希 鹏 （昔阳坪上煤业有限责任公司 ，山西 晋中 045300 ） 摘要 本文以坪上煤业 15203 回采工作面过轨道空巷为工程背景，分别分析过空巷综采工作面顶 板破坏特征、 影响因素及力学特征， 并提出高水材料填充空巷的技术方案。通过对工作面液压支架工 作阻力进行监测， 结果显示当工作面穿越空巷时支架工作阻力仅增大约 3.7， 变化较小， 工作面可以 安全地通过空巷,有较高的工程实用价值。 关键词 空巷 ； 综采工作面 ； 顶板 ； 高水材料 中图分类号 TD32文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0136-04 Study on Roof Failure Mechanism and Filling Technology of Fully Mechanized Mining Face in Abandoned Roadway MAO Xipeng （Xiyang Pingshang Coal Industry Co., Ltd. , Shanxi Jinzhong 045300 ） Abstract Based on the engineering background of a 15203 working face crossing the track abandoned roadway in a coal mine, this paper analyzed the roof failure characteristics, influencing factors and mechanical characteristics of the fully mechanized working face crossing the abandoned roadway, and put forward the technical scheme of filling the abandoned roadway with high-water material. Through moni- toring the working resistance of hydraulic support in working face, the results show that when the working face passes through the aban- doned roadway, the working resistance of the support increases only about 3.7, and the change is small. The working face can safely pass through the abandoned roadway, which has higher engineering practical value. Keywords abandoned roadway ; fully-mechanized working face ; roof ; high moisture quick-setting material 长期以来， 综采工作面过空巷一直是煤矿开采 中的技术难题。当工作面与空巷联通后， 由于控顶 距的增大， 加之空巷围岩稳定性差、 受采场动压的 影响较大， 易发生冒顶、 煤壁片帮、 支架压力过大等 现象， 给工作面的生产带来不利影响[1]。 刘畅等[2]通过对综采工作面过空巷时关键块 与液压支架的受力状态分析， 并提出双拱模型支护 方案， 取得较好的支护效果； 伊康等[3]通过建立液 压支架 - 围岩的耦合模型， 对综放复采工作面过空 巷时支架应力进行分析， 结果显示顶板超前断裂导 致周期来压提前，液压支架应力达到峰值；尹超宇 等[4]对工作面过空巷时顶板的受力和断裂位置进行 了研究， 并采用数值模拟的方法分析了煤柱和基本 顶破碎区影响范围。 虽然目前众多学者对综采工作面过空巷顶板 稳定性进行了大量研究， 但由于稳定性影响因素的 复杂多变性，仍存在诸多问题。本文以坪上煤业 15203 回采工作面过轨道空巷为工程背景，通过分 析过空巷综采工作面顶板破坏机理， 并提出高水材 料填充空巷的技术方案， 为相似工程提供借鉴。 1工程概况 坪 上 煤 业 15203 回 采 工 作 面 盖 山 厚 度 232～297m， 平均 262m， 主要开采 15 煤层， 煤层平 均厚度 5.81m， 平均倾角 12， 采用走向长壁一次 性采全高的采煤方法。工作面直接顶为平均厚度 10.3m 的泥岩，老顶为平均厚度 5m 的炭质泥岩， 直 接底为平均厚度 2.3m 的中粒砂岩。为提高矿井回 采率，对 15203 工作面局部设计进行了重新布设， 布置方式由原双翼布置改为单翼布置。重新布设后 15203 工作面回采期间需要穿越废弃轨道巷，空巷 断面为 4.6m2.9m 的矩形， 沿 15 煤底板掘进。由 于原支护强度较低， 加上空巷围岩松软破碎， 当工 作面回采至空巷时，采场动压易造成空巷顶板垮 落， 导致工作面掘进难度增大。 图 115203 工作面示意图 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 136 ChaoXing 2过空巷综采工作面顶板破坏机理分析 2.1顶板破坏特征 在综采工作面过空巷时， 由于空巷围岩存在应 力集中区、 煤岩破碎区， 稳定性较差， 随采区逐渐向 空巷移动， 使得两者间留设煤柱的宽度逐渐减小， 在 采动应力作用下导致煤柱承载性能降低， 发生断裂破 碎、跨落破坏的现象，同时顶板的控顶长度增大， 砌 体梁结构的位置和状态发生变化，极易发生失稳， 导致顶板断裂破坏、 剧烈下沉， 矿山压力显现明显。 根据关键层理论，随综采工作面向空巷的移 近， 上部岩煤体剪切破坏， 煤柱变窄应力增大， 直接 顶与基本顶分离，基本顶形成半拱的砌体梁结构， 导致空巷受关键块 B 断裂的影响，处在应力增高 区， 同时工作面矿压增大。当工作面顶板即将产生 周期来压时， 煤柱发生破坏失稳， 关键块 B 在空巷 附近断裂， 断裂长度横跨煤柱和空巷， 大于周期来 压步距， 使得工作面和空巷发生破坏失稳， 同时使 得液压支架等支护设备处于危险状态， 工作面不能 安全顺利通过空巷， 如图 2 所示。 图 2顶板破坏模型 2.2顶板破坏影响因素 2.2.1煤柱宽度 图 3煤柱应力分布 随综采工作面向空巷移近， 采动应力导致煤柱 的支承应力增大， 当大于煤柱支承极限后， 煤柱塑 性失稳破坏，煤柱应力分布表现为单峰型，如图 3 所示。当煤柱宽度 小于临界宽度 时， 煤柱由弹性状 态变为塑型状态， 此时煤柱支承性能减弱， 工作面 顶板破坏断裂。此时煤柱承受空巷及工作面上部岩 煤体的重量， 将工作面顶板看作一端固定梁， 长度 等于煤柱宽度 、空巷宽度 和工作面与顶板周期断 裂线距离 的和[5]， 若其长度大于周期来压步距 ， 导 致弯矩和剪切力增大， 则顶板发生断裂破坏， 即 LxwAxlx＞l（1） 2.2.2空巷宽度 由 （1） 式可知， 工作面顶板视为一端固定的梁， 当顶板梁长度 且周期断裂线距离 时，即顶板梁长 度等于周期来压步距，刚好处于断裂平衡状态时， 若空巷宽度大于空巷临界宽度 （顶板初次垮落步 距） ，煤柱支承性能减弱，工作面顶板发生破坏断 裂， 如图 4 所示。此时， 液压支架无法承受上部岩煤 体全部重量， 需要对空巷重新进行支护设计。 图 4空巷宽度对顶板影响 2.2.3工作面与顶板周期断裂线距离 由式 （1） 可知， 工作面顶板视为一端固定的梁， 当周期断裂线距离 足够大时，不考虑空巷宽度 的 影响， 顶板长度 也可大于周期来压步距 ， 使得煤柱 支承性能减弱， 工作面顶板发生破坏断裂， 此时 ， 如 图 5 所示。可知， 即便空巷宽度较小， 也有可能发生 工作面顶板断裂破坏的情况。 图 5周期断裂线距离对顶板影响 2.3顶板破坏力学分析 由上节分析可知，随综采工作面向空巷移近， 工作面顶板稳定性受煤柱宽度、 空巷宽度和工作面 与顶板周期断裂线距离三因素的共同影响， 当顶板 梁长度大于周期来压步距时， 顶板发生断裂破坏。 依据离层假定[6]， 由于工作面顶板无法承受上 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 137 ChaoXing 部岩煤体的重量， 使得断裂破坏向上发展， 顶板梁 厚度 可按下式表示 Hx 3ρg （wAx1x） 2 Kσ （2） 式中 ρ 为密度， kg/m3； K 为抗拉强度系数； σ 为抗拉强度， kN/m2。 可以看出， 综采工作面过空巷后， 工作面顶板 断裂破坏的长度和厚度有较大增长， 维持工作面稳 定的液压支架工作阻力也发生较大增长。 3空巷填充技术研究 由于空巷的存在， 使得巷道围岩软化， 易形成 应力集中区， 造成工作面冒顶、 压垮支架等重大事 故， 严重影响煤矿的安全生产。依据上节对综采工 作面过空巷顶板破坏机理分析， 并根据 15203 回采 工作面的地质特性及变形破坏情况， 提出高水材料 填充空巷的技术方案。高水材料由甲乙两种浆液混 合而成， 具有以下特点 （1） 硬化速度快、 强度高。高水材料在高水灰比 的条件下快速硬化， 产生具有高强度、 高硬度的钙 矾石， 并且其强度可以通过改变外加剂和水的比例 实现， 水灰比越小抗压强度越高， 凝固 24h 后抗压 强度大 5MPa。 （2） 自修复性。当固结体部分破坏后， 在水的作 用下可再次胶结， 阻止巷道变形。 （3） 一定塑性。高水材料固结体的塑形可一定 程度削弱矿压作用。 采用高水材料对空巷进行填充后， 原采掘煤岩 部分被替换成填充体，使得巷道形成人工假顶、 墙 壁， 破碎围岩形成整体结构， 巷道再无垮落空间， 阻 止了巷道的变形。同时， 高水材料可渗透流入破碎 岩煤体缝隙中， 提高围岩强度， 而工作面回采时可 像正常采煤一样切割填充体。为保证 15203 工作面 的安全开采， 综合考虑工作面的开采因素、 地质条 件及施工条件， 最终选定浆液水灰比为 31。注浆时 根据空巷标高，自低向高划分每 10m 一段分段填 充， 填充时为阻止浆液流动确保充填密实， 需在各 填充段两端设置封闭墙， 如图 6 所示。 设置封闭墙后在各分段铺设填充管线， 采用双 液注浆泵对各填充段分别加压注浆， 主要工序包括 配置浆液、 加压注浆、 清理管路。配置浆液时甲乙两 种浆液单独搅拌、 加压输送， 在注浆完成后， 要及时 清洗输送管路和注浆泵， 防止堵塞。待上段充填体 达到设计强度后， 采煤机开始割煤， 如此循环通过 空巷。 图 6分段填充示意图 4工程实践 为评估高水材料填充空巷的效果， 在工作面回 采时沿工作面倾斜方向布置测线， 采用 YHY- 60 液 压支架测力仪对 51、 52、 53、 54、 55 架 ZF6000/17/28 型支架的工作阻力进行监测， 监测值取平均， 并绘 制曲线如图 7。 通过分析可知， 液压支架工作阻力整 体近似呈 “山形” ， 当工作面穿越空巷时支架工作阻 力最大为 30.5MPa，工作面距空巷的距离越大支架 工作阻力越小， 当距离大于 50m 后支架工作阻力变 化较小， 维持在 29.4MPa。 可以看出当工作面穿越空 巷时支架工作阻力仅增大约 3.7， 支架整体工作阻 力变化较平稳， 均小于安全阀开启压力。同时在穿 越过程中采煤机顺利切割填充体， 且未出现支架被 压死现象， 表明该方案可以实现工作面较安全地通 过空巷。 图 7液压支架工作阻力 5结论 1） 综采工作面过空巷时影响顶板稳定性的因素 主要包括 煤柱宽度、 空巷宽度及工作面与顶板周期 断裂线距离； 2） 过空巷后， 综采工作面顶板断裂破坏的长度、 厚度及工作面液压支架工作阻力均有较大增长； （下转第 135 页） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 138 ChaoXing （上接第 130 ） 巡查人员的人身安全也构成了极大威胁。 以晋华宫矿近年内发生的回风巷火灾为例， 从火 灾发生到初步控制再到后续的一系列治理措施， 其直 接产生的治理费用总计近 1000 万元。因此， 可以说， 此项研究成果的应用间接创造了巨大的经济和社会 价值。 参考文献 [1] 李培佳. 平煤二矿通风系统优化研究[D];河南理工大学; 2011 年. [2] 王慧 . 矿井通风系统的可靠性分析 [D]; 西安科技大学; 2011 年. [3] 姜周民.矿井通风系统优化设计探讨[J];中小企业管理与 科技 （下旬刊） ;2011 年 07 期. [4] 程健维. 矿井通风系统安全可靠性与预警机制及其动力 学研究[D];中国矿业大学;2012 年 . [5] 颉占胜.关于煤矿矿井通风技术管理的思考[J];技术与市 场;2011 年 04 期 . 作者简介 孙林 （1980 年 11 月 -） ， 男， 汉族， 山西忻州人， 2016 年 1 月西安建筑科技大学采矿工程专业毕业， 本科学历， 助理工 程师， 现从事煤矿矿井防尘研究。 （收稿日期 2018- 10- 19） 461- 473. [5] YANG Sheng- qi. Crack coalescence behavior of brittle sand- stone samples containing two coplanar fissures in the process of deation failure [J]. Engineering Fracture Mechanics, 2011, 7817 3059－3081. [6] 杨圣奇. 断续三裂隙砂岩强度破坏和裂纹扩展特征研究 [J]. 岩土力学, 2013, 341 31- 39. [7] 肖桃李,李新平,贾善坡.深部单裂隙岩体结构面效应的三 轴试验研究与力学分析[J].岩石力学与工程学报, 2012, 31 （8） 1666- 1673. [8] 肖桃李,李新平,贾善坡.两条断续贯通的预制裂隙岩样破 坏特性的三轴压缩试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2015. 34 （12） 2455- 2462. [9] 赵延林,万文,王卫军,等.类岩石材料有序多裂纹体单轴 压缩破断试验与翼形断裂数值模拟 [J]. 岩土工程学报, 2013, 35 （11） 2097- 2108. [10] 黄彦华, 杨圣奇. 非共面双裂隙红砂岩宏细观力学行为 颗粒流模拟 [J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33 （8） 1644- 1653. 作者简介 付红亮 （1982.2-） ， 男， 学士， 工程师， 山西长治壶关人， 主要从事矿山安全开采方面的研究。 （收稿日期 2018- 10- 8） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 （上接第 138 页） 3） 工程实践表明， 采用高水材料对空巷进行填 充， 工作面可以较安全地通过空巷， 为相似工程提 供借鉴。 参考文献 [1] 张自政,柏建彪,韩志婷,王襄禹,徐营,王猛.空巷顶板稳定 性力学分析及充填技术研究 [J]. 采矿与安全工程学报, 2013,30 （02） 194- 198. [2] 刘畅,弓培林,王开,等.长壁复采面连续过空巷耦合支护 机理研究[J].矿业研究与开发,2015,35 （04） 38- 41. [3] 伊康,魏昌彪,尚奇,等.综放复采面过空巷支架适应性数 值模拟研究[J].矿业研究与开发,2017,37 （02） 74- 77. [4] 尹超宇,冯光明,高鹏,等.工作面过空巷围岩失稳机理研 究[J].采矿与安全工程学报,2018,35 （03） 457- 464. [5] 曹其嘉,陈勇,宋坤.深部工作面过空巷高水材料充填技术 研究及应用[J].煤炭技术,2017,36 （06） 55- 57. [6] 郑铮,杨增强,朱恒忠,等.倾斜煤层沿空异形巷道煤柱宽 度与围岩控制研究 [J]. 采矿与安全工程学报,2019,36 （02） 223- 231. 作者简介 毛希鹏 （1974 年 8 月 -） ， 男， 山西晋中人， 采煤工程师， 生产副总经理， 从事采煤方面的研究。 （收稿日期 2019- 5- 9） 135 ChaoXing