局部充填过空巷技术充填体参数研究_苏冉.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 1工程概况 木瓜煤矿为了减少南区左翼下组煤采区双翼布 置工作面时搬家到面的工作量，缩短准备作业时间， 由双翼布置改为单翼布置， 以此提升该矿煤炭开采效 率， 改变工作面的布置方式后导致 10- 102 综采工作 面在回采过程中会穿过轨道巷、 尾巷下料巷、 皮带巷 图 110- 102 综采工作面与三条空巷位置示意图 三条巷道， 该工作面开采近水平厚煤层， 有 6m 厚的 老顶， 为深灰色的石灰岩， 6.8m 厚的直接底， 为灰黑 色的泥岩。工作面回采至距空巷较近距离时， 超前支 承压力作用在空巷周围可导致空巷内片帮甚至顶板 垮落， 存在较大安全隐患， 拟采取充填措施避免回采 过程中空巷发生变形垮塌的现象。 2空巷内局部充填力学分析及参数设计 为了在保证安全的前提下，拟采取空巷内局部 充填的技术[1-2]减少 10- 102 综采工作面过空巷产生 的费用。 2.1空巷充填力学分析 建立巷内局部充填顶板力学模型时， 可将空巷围 岩视作一个弹性损伤体[1-2]。 空巷内充填有具有一定强 度的膏体材料时，会提升巷道围岩的极限承载能力， 并限制围岩在应力作用下的形变。 空巷的围岩会在覆 岩载荷 q 的加载作用下， 逐步的损伤破坏， 当加载所 产生的位移超过空巷围岩的极限位移时， 围岩就会发 生破坏， 其力学模型如图 2 所示。空巷直接顶可以简 化为厚度为 h 的两端弹性嵌简支承梁， Fy表示该梁所 局部充填过空巷技术充填体参数研究 苏冉 （霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿 ， 山西 方山 033100 ） 摘要 为了消除木瓜煤矿 10-102 综采工作面过空巷时的安全隐患， 建立空巷内局部充填顶板力学 模型进行充填体合理间距的理论计算，并应用数值模拟软件建立空巷局部充填模型分析不同充填体 长度对过空巷时工作面顶板下沉量进行分析，确定了 8m 长的充填体长度、 8m 的充填体间距的局部 充填参数。 通过现场应用并对工作面过空巷时液压支架的受力情况进行分析， 发现工作面推至空巷时 平均支架压力较距空巷 40m 时上升 9.7， 且过空巷过程中并没有安全阀开启， 该施工参数可保证工 作面顺利安全的通过空巷。 关键词 过空巷 ； 局部充填 ； 充填体参数 ； 支架压力 中图分类号 TD353文献标识码 A 文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0031-04 Research on Surrounding Rock Control Technology of 10-102 Working Face in Papaya Coal Mine SU Ran Mugua Mine, Huozhou Coal and Electricity Group Lvliangshan Branch , Fangshan 033100 ， China ） Abstract In order to eliminate the hidden safety hazards when the 10-102 fully mechanized working face of Mugua Coal Mine passes through an empty roadway, a mechanical model of the local filling roof in the empty roadway is established for the theoretical calculation of the reasonable spacing of the filling bodies, and the numerical simulation software is used to establish the partial filling model of the empty roadway. Filler length analysis of roof subsidence of the working face when passing through an empty roadway, local filling param- eters of 8m long filler body length and 8m filler body spacing were determined. Through field application and analysis of the stress of the hydraulic support when the working face passes through the empty roadway, it is found that when the working face is pushed to the empty roadway, the average support pressure increases by 9.7 compared with 40m from the empty roadway, and there is no safety during the empty roadway The valve is opened, and this construction parameter can ensure that the working surface can pass through the empty road smoothly and safely. Key words Over empty lane ; Partial filling ; Filler parameters ; Bracket pressure 31 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 受垂直力， 充填体的宽高分别为 a、 b， 力学模型中不 考虑充填的变形， 故将充填体的中心视作简支端。 图 2空巷充填顶板力学模型 2.2局部充填充填体间距分析 空巷内充填体对顶板产生局部载荷 q1的反作用 力， 平衡方程式 1 是对图 2 进行整体分析所得 ∑Fy2 x0 0 乙q1dx2Fy- qa2x0 （1 ） 图 3任意 i- i 截面弹性嵌简支承梁的受力分析 弹性嵌简支承梁任意 i- i 截面的受力分析如图 3 所示， Fi表示力， Mi为弯矩，弯矩和力的平衡方程如 下式所示 ∑FyFyFi x0 0 乙q1dx- qx0 ∑M0 x0 0 乙q1xdxFix- q 2 x2- Mi 乙 乙 乙 乙 乙 乙 乙 乙 乙 乙 乙 乙乙 乙 0 （2 ） 通过式 2 可进一步得到该梁 i- i 截面上弯矩的 计算公式 Mi q 2 x2 - q x 0 a 2 乙乙x x 2 0 6 （3 ） 假设该简支撑梁仅发生弯曲变形，该梁上任意 i- i 截面所受正应力由式 4 可得 σd Miy I （4 ） 式中 σd表示该梁所受正应力； Mi是由式 3 计算 得到该梁 i- i 截面上的弯矩； y 表示该两端弹性嵌简 支承梁上任一点与中性轴之间的距离； I 表示对中性 轴的惯性矩。 将式 3 代入式 4 即可推导出 σd的计算公式 σd 12y ah 3 q 2 x 2 -q x 0 a 2 乙乙x t 6 x 2 0 （5 ） 空巷顶板岩层中， 下方岩层受拉， 上方岩层受压， 二者界限为顶板岩层中的中性轴， 当空巷充填体上方 顶板产生拉破坏的深度恰好等于空巷顶板最大锚固 范围时， 空巷顶板便不会发生垮塌， 故通过式 6 可以 计算出空巷局部充填时的最大间距。 σdxx 0a/2、 yh/2-h0σt （6 ） 式中 h0表示工作面所过空巷支护体系中顶板锚 固区的深度。要得到空巷局部充填时的最大间距， 联 立式 5 和式 6 即可式 7 q 2 x 2 0 qa2 8 t 6 x 2 0 qax0 2 - σth3 12h/2- h0 a0（7 ） 由式 7 计算得到 a- 8m和 12.1m， 由于充填体的 宽度为正数， 故得到合理的空巷局部充填时的最大间 距为 12.1m。 因此，在木瓜煤矿 10- 102 综采工作面采用局部 充填技术过空巷时， 使充填体间距不大于 12.1m可保 证空巷顶板产生拉破坏的深度小于其顶板中最大锚 固范围， 两块充填体之间最大拉应力出现的区域为充 填体之间顶板中部， 并且此时两块充填体之间最大拉 应力小于煤层直接顶的最大抗拉强度， 故巷道顶板不 会发生垮落破断。 3空巷内局部充填体参数设计 3.1模型建立 图 4三种充填体长度的局部充填方案 理论计算所得能保证空巷稳定的充填体最大间 距为 12.1m， 但是考虑到实际工程应用中需留有一定 的安全系数[3]， 故最终确定实际工程应用中空巷内充 填体的最大间距应为 8m。充填体自身的长度对其强 度由一定影响， 现确定充填体强度为 3MPa， 设计充填 体长度为 6m、 8m、 10m， 间距均为 8m 的三种方案， 如 图 4 所示。基于 10- 102 工作面具体地质条件，运用 FLAC3D 软件建立四周限制位移、 设置巷道围岩承数 值为 1 的侧压系数和 11MPa 的覆岩载荷，长 310m、 高 50m、 宽 220m， 共 1344500 个网格的数值模型[4]来 研究不同充填体长度对空巷的稳定性的影响。 3.2分析不同充填体长度对过空巷时顶板下沉量 的影响 32 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 空巷的存在会导致 10- 102 综采工作面回采至距 离空巷较近距离时， 由于支承压力的异常， 空巷周围 塑性区扩展， 可能导致空巷支护体系失效， 从而使较 大的压力直接作用于工作面顶板， 因此可以通过分析 过空巷时不同充填体长度下工作面顶板下沉情况得 到合理的充填体长度，图 5 所示为距空巷 10m 时不 同充填体长度下工作面顶板下沉量模拟所得曲线。 （a ） 充填体长度为 6m （b） 充填体长度为 8m （c ） 充填体长度为 10m 图 5距空巷 10m 时不同充填体长度下工作面顶板下沉量 观察图 5 可发现当空巷内充填体间距均为 8m， 10- 102 工作面回采至距空巷 10m 的条件下 充 填体长度为 6m 时， 工作面顶板下沉速率较快， 顶板 下沉量为 320mm； 充填体长度为 8m 时， 工作面顶板 下沉速率明显低于 6m 充填体下顶板的下沉速率， 并 且顶板下沉量仅为 142mm，较 6m 充填体下降 55.6； 充填体长度为 10m 时， 工作面顶板下沉速率 较 8m充填体下顶板的下沉速率并无较大变化， 并且 顶板下沉量为 130mm。 通过分析发现 8m长的充填体 可以满足工作面回采过程中顶板下沉量控制在允许 范围内，且 10m 长充填体并没有产生更大的支撑效 果， 故最终确定空巷内充填体长度为 8m、 间距为 8m 时， 可以满足工作面过空巷的要求。 3.3应用效果分析 现场在空巷内应用充填体长度为 8m、 间距为 8m 的充填参数进行施工后， 10- 102 综采工作面面正常 推进， 在工作面液压支架中上、 中、 下 3 个区域各安装 3 个 YHY- 604 型液压支架测力仪分析 10- 102 工作 面距空巷一定距离时、 通过空巷时及通过空巷后液压 支架的受力情况， 数据如表 1 所示。 表 110- 102 工作面过空巷时液压支架受力的变化情况 通过表 1 可以看出10- 102 综采工作面从距空巷 40m 至距空巷 10m 过程中，整个工作面支架受力均 匀， 随着工作面逐渐推至空巷， 液压支架的受力逐渐升 高， 但均未达到安全阀开启的限度。 工作面回采至空巷 时， 平均支架压力为 32.6MPa， 较距空巷 40m时的平均 支架压力上升 9.7， 且过空巷过程中并没有安全阀开 启， 工作面推过空巷后， 支架的平均压力下降至与过空 巷前基本相同， 工作面顺利安全的通过空巷。 4结论 本文对空巷充填时顶板力学模型进行分析， 通过 计算确定了局部充填时 8m 的充填体间距， 进一步运 用 FLAC3D 软件建立工作面过局部充填巷道模型来 研究不同充填体长度对空巷的稳定性的影响， 得出合 理的充填体长度应为 8m。现场空巷内按充填体长度 8m、 间距 8m的参数进行施工后分析工作面过空巷时 （下转第 36 页 ） 10- 102 工 作面与空巷 距离 /m 工作面上部 支架压力 /MPa 工作面中部 支架压力 /MPa 工作面下部 支架压力 /MPa 支架的平均 压力 /MPa 距空巷 40m27.629.526.727.9 距空巷 20m28.730.327.428.8 距空巷 10m29.831.330.630.5 距空巷 0m31.733.432.632.6 过空巷 10m29.630.129.429.7 过空巷 20m28.329.228.628.7 过空巷 40m28.028.727.628.1 33 ChaoXing （上接第 33 页 ） 液压支架的受力情况， 可发现工作面推至空巷时平均 支架压力较距空巷 40m 时上升 9.7， 且过空巷过程 中并没有安全阀开启， 该施工参数可保证工作面顺利 安全的通过空巷。 参考文献 [1] 温庆华. 神东矿区综采工作面过平行全长大断面空巷技 术[J].煤矿开采,2009,14 （02） 14- 16. [2] 闫晓龙.高水材料充填过空巷技术研究[J].煤矿现代化, 2018 （05） 16- 18. [3] 黄万朋,马树坤,朱全美,陈明程.井下采空区部分充填参 数的确定[J].煤矿安全,2011,42 （07） 150- 152. [4] 杨宝贵,李永亮,宋晓波,李峥,杨鹏飞,李文超.充填开采工 作面矿压显现规律数值模拟分析 [J]. 煤炭工程,2013,45 （04） 69- 7073. 作者简介 苏冉 （1990-） ， 男， 河南省浚县人， 2015 年 7 月毕业于徐 州矿业大学采矿工程专业， 助理工程师， 采掘技术员。 （收稿日期 2020- 4- 13） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 程中应有专门的安全措施。 5 ）注浆停止。 注浆量达到预定要求， 且无其他异 常情况时便可停止注浆， 之后， 对注浆管路及注浆设 备进行冲洗， 保证下次的使用。 3回采工艺措施 过断层时除采用科学合理加固措施保证工作面 围岩体稳定以外， 尚需采用适当的回采工艺， 从而与 加固措施相辅相成、 相得益彰， 达到最佳的过断层效 果， 减少遇到断层所带来的损失， 根据 2309 初采工作 面的实际情况， 主要采取以下回采工艺技术来进一步 保证安全的通过断层带。 1 ）加快推进速度。 工作面遇到断层破碎带时， 在 破碎带前后一定距离和范围内， 发生支架工作组阻力 增加， 处于较高的压力状态， 此时， 应快速推进， 减少 支架处于高压力状态的时间， 同时， 也可减少围岩的 变形量， 避免出现变形过大。 快速推进的具体方法为， 工作面快要揭露断层时采用浅割快跑的作业方式， 即 采煤机进刀量减小， 割煤速度提升， 从而在较安全的 前提下加快推进速度。 2 ）增大支架初撑力。支架初撑力的提升可保证 支架与围岩紧密接触， 减小围岩变形量， 达到最佳的 支护效果，增大支架初撑力主要通过以下方法实现， 首先应将支架的供液压力提高，保证管路的密封良 好， 可采用增压器等来提升供液压， 其次应保证有足 够的供液时间， 避免时间不足造成的阻力下降。 3 ）加强顶板支护。 由于断层带的围岩较为破碎， 给工作面顶板管理带来了很多的问题， 而顶板又是决 定工作面安全性的主要因素， 因此， 工作面通过断层 带时应特别注意加强顶板的支护， 首先必须有合理的 支护设计， 其次保证支护施工达到质量要求。 4 ）合理的管理制度。工作面过断层是工作面推 进过程中的特殊时刻， 因此， 必须对管理制度做出相 应的调整， 如加强设备的检修力度， 确保设备的稳定 可靠， 建立工作面支架阻力， 围岩位移等数据观测和 记录制度， 定量分析围岩的稳定性， 并做出预警预判。 4结论 1 ） 针对晋煤集团赵庄二号井 2309 初采工作面 揭露断层破碎带的实际情况， 提出采用注浆加固技术 对破碎带围岩进行加固， 并对注浆参数及注浆流程进 行了设计。 2 ） 为保证 2309 初采工作面顺利通过断层破碎 带， 从推进速度、 支架初撑力、 顶板支护、 管理制度详 细阐述了应采用的回采工艺措施。 参考文献 [1] 李尚华.综采工作面断层应力区顶板联合控制技术[J].能 源与节能,2019 （12） 100- 101. 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