综放沿空留巷几个关键问题的研究.pdf

文章编号0253 - 9993200402 - 0146 - 04 综放沿空留巷几个关键问题的研究 谢文兵1,殷少举2,史振凡2 1 1 中国矿业大学 能源科学与工程学院,江苏 徐州 221008 ; 21 枣庄矿务局,山东 枣庄 277605 摘 要在工程实践的基础上,采用适于分析岩层断裂和垮落的数值分析软件UDEC建立相应 的数值分析模型,详细分析了老顶断裂位置、端头不放顶煤长度、充填体宽度、充填方式和充填 体强度对综放沿空留巷围岩稳定性的影响规律.研究结果表明,老顶断裂位置对留巷围岩稳定性 的影响较大,留巷顶板围岩位移受制于老顶岩层的回转运动,是老顶回转运动与围岩变形的综合 反映.综放沿空留巷时,应合理利用围岩移动规律. 关键词综采放顶煤;沿空留巷;充填体;影响规律 中图分类号 TD823149 文献标识码 A 收稿日期 2003-06-05 基金项目国家自然科学基金重点项目59734090 ;国家技术创新资助项目 作者简介谢文兵1965 - ,男,安徽安庆人,工学博士,副教授.E - mail wenbxie sohu1com The key problem study about gob2side entry retaining in top2coal caving mining face XIE Wen2bing1, YIN Shao2ju2, SHI Zhen2fan2 11School of Energy Science and Engineering , China University of Mining and Technology , Xuzhou 221008,China;21Zaozhuang Mining Bureau ,Zaozhuang 277605, China Abstract Based on engineering practice , corresponding numerical models were set up by numerical analysis software UDEC , which was suitable for analyzing rock stratum rupture and collapse.The effect regularity of main roof rupture location , top2coal length uncaved at the end of working face , filling belt width , filling way , filling belt strength to surrounding rock stability around gob2side entry retained in top2coal caving mining face were analyzed.The results show that the rock stability of retained gob2side entry is seriously affected by rupture location , the rotating movement of main roof is an integral reflection of rock deation and the rotating move2 ment of main roof.The displacement regularity of surrounding rock should be rationally used when gob2side en2 try is retained. Key words top2coal caving mining; gob2side entry retained; filling belt ; effect regularity 综合机械化放顶煤开采是我国煤矿实现高产高效并具有国际领先水平的一项先进生产技术,其中有关 的岩石力学问题已引起许多学者的关注[1～6].综放沿空留巷技术是采用“Y”形通风方式解决综放高产高 效工作面瓦斯积聚与超限的关键技术.它可以实现往复式开采,并可以消除孤岛工作面.在大量工程实践 基础上,研究了综放沿空留巷的矿压显现规律[1 ,2],分析了沿空留巷的主要参数及其适应性[3],并根据实 验结果分析了综放沿空留巷老顶两种破断方式及其对围岩变形的影响[4 ,5],对于合理使用综放沿空留巷技 术具有一定的指导意义.开采影响的围岩,包括后期为了留巷所设的充填体是一个相互作用的整体.这些 围岩体受到开采影响后相互作用,引起围岩体整体变形,并在这一过程中老顶、直接顶、顶煤、充填体和 底板形成具有自稳能力的承载结构.影响这一结构稳定的因素很多,如老顶断裂位置、端头不放顶煤长 第29卷第2期煤 炭 学 报Vol. 29 No. 2 2004年4月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYApr. 2004 度、原有巷道支护技术、充填体宽度、充填方式和充填体强度等.研究这些因素的影响规律以及留巷变形 特征,对于合理有效地使用沿空留巷技术十分重要. 1 分析模型的建立 潞安矿务局常村煤矿S2 - 6综放工作面主采3号煤层,埋藏深度330 m ,煤层厚度6107 m ,割煤高度 310 m ,直接顶为砂岩,厚度310 m ,老顶为中细砂岩,厚度610 m ,直接底为细砂岩,厚度510 m ,工作 面长度为220 m ,端头不放顶煤段长d1 810 m ,充填体宽度d2 215 m.留巷宽410 m ,巷高310 m ,巷 道原采用12号矿工钢支护,后采用锚梁网索加固.工作面超前20 m ,采用单体液压支柱 3 1 5 m 和木 板架设一梁二柱抬棚加强支护.根据潞安矿务局常村煤矿S2 - 6综放沿空留巷的现场试验条件,采用适于 分析岩层断裂和垮落的数值分析软件UDEC建立相应的数值分析模型图1 .已有研究表明,原有巷道 支护方式无法控制老顶回转量,但锚梁网索支护巷道留巷效果较好.因此,模型中不考虑巷道支护方 式的影响,巷道采用锚梁网索支护.模型重点考虑老顶断裂位置l1、端头不放顶煤长度d1、充填体 宽度d2、充填方式和充填体强度等对综放沿空留巷围岩稳定性的影响. 围岩物理力学性质按常村矿S2 - 6工作面实际岩体力学特性确定,见表1.节理特性考虑采动影响,采 用屈服弱化模型.模型边界按岩层移动角和连续弯曲带高度确定.为了便于分析,模型在顶煤下边界设置 图1 分析模型 Fig11 Analysis model 了aa剖面线,如图1所示. 表1 围岩的力学性质 Table 1 Wall rock mechanical property 项 目 体积模量 / MPa 剪切模量 / MPa 内聚力 / MPa 内摩擦角 / 密度 / kgm - 3 煤1 300 9000150281 600 中砂岩5 3003 2001156362 600 黑泥岩2 3001 2001100302 400 图2 老顶断裂位置影响分析 Fig12 Effect analysis of main roof rupture location 2 老顶断裂位置l1影响分析 综放沿空留巷围岩位移不同于普通巷道的围岩位移,它的围岩 位移明显受制于老顶岩层的回转运动,是老顶回转运动与围岩变形的 综合反映.综放沿空留巷老顶存在2种破断位置[5]①位于充填体 外侧;②伸入煤壁.模型中考虑了4种情况图2 .由图2可以看 出,老顶断裂位置不同,留巷上方顶煤回转下沉量差别较大.l1 10 m时,即老顶在充填体外侧断裂,在留巷和充填体上方老顶呈悬臂梁 结构.由于此时悬臂较长,在老顶弯曲下沉作用下,引起煤壁附近压 缩变形较大,但充填体压缩变形较小.l1 5 m时,即老顶在充填体 上方断裂,与l1 10 m时相比,煤壁附近压缩变形明显减小,充填 体压缩变形最小.l1 0时,即老顶在煤壁上方断裂,煤壁附近压缩 变形最小,但受老顶回转下沉影响,充填体压缩变形较大.l1 - 5 m时,即老顶断裂位置伸入煤壁5 m ,受老顶断裂回转下沉影响,煤 壁和充填体的压缩变形都较大. 工程实践表明,由于充填体强度不可能很高,很难在充填体外侧 切断老顶,但围岩移动规律可以利用.已有研究结果表明, S2 - 6综放 741第2期谢文兵等综放沿空留巷几个关键问题的研究 工作面老顶超前断裂距l1为4 m左右[5].下面针对第4种情况,分析留巷和充填体的位移特征.由图2可 见,留巷顶板下沉量uu0u1u2,其中u0为煤壁附近实体煤的下沉量, mm;u1为老顶回转引起的 下沉量, mm;u2为巷道围岩碎胀产生的变形量, mm. 若将老顶回转引起的下沉量剔除,则留巷顶板下沉分布形态与一般采动影响巷道顶板下沉一致. 充填体上方顶煤下边界位移由3部分组成,即充填体上方顶煤下沉vv1v2v3,其中v1为底板 下沉及浮煤压缩变形量, mm;v2为充填体本身压缩变形量, mm;v3为充填体承载前预留变形量, mm. 充填体承载前,顶煤及顶板主要产生随老顶的回转运动,并在围岩形成自稳承载结构前一直受这种运 动影响,导致留巷和充填体采空区侧顶板下沉都相应大于实体煤侧顶板下沉.充填体承载后,在老顶、直 接顶、充填体、底板的相互作用下,老顶回转触矸形成具有自稳能力的承载结构. 图3 不放顶煤长度分析 Fig13 Top2coal length uncaved analysis 老顶回转引起下沉量与充填体上方顶煤位移的差 v 4主要是顶煤 的压缩变形.图2中v1～v4分别为120 , 420 , 200和180 mm. 3 端头不放顶煤长度分析 根据综放沿空留巷围岩移动规律,为了有利于老顶回转能尽快触矸 形成具有自稳能力的承载结果,需要在充填体外侧留设一定长度顶煤不 放.图3为不同端头不放顶煤长度时,剖面aa上垂直位移结果. 围岩位移结果表明,当充填体外侧不留顶煤时,留巷上方顶煤及顶 板承受的围岩应力完全作用于煤壁和充填体上,导致留巷和充填体变形 较大,充填体向留巷侧失稳变形.当端头不放顶煤长度为4 m时,与端 头不放顶煤长度8 m时相比,虽然充填体变形差别较小,但后者充填体 是稳定的,前者充填体垂直变形大于后者,而且充填体右侧形成较宽的 剪切屈服带.当端头不放顶煤长度为12 m时,虽然充填体垂直变形减 小较大,但留设过多顶煤造成资源损失较大. 4 充填体特性分析 图4 充填体宽度分析 Fig14 Filling belt width analysis 411 充填体宽度影响分析 根据大量工程实践,当充填体宽高比大于018时,有利于充填体本 身的稳定.充填体稳定对于老顶回转过程中围岩形成自稳的承载结构至 关重要,同时也决定着留巷效果.图4是充填体宽度为2 , 215 , 3 , 315 m四种情况下剖面aa上垂直位移情况.位移结果表明,当充填 体宽度为2 m时,充填体产生自左上角至右下角斜剪切屈服带,充填体 随老顶回转而屈服失稳,不能有效地控制老顶回转,促成老顶形成具有 自稳能力的承载结构.当充填体宽度在215 m以上时,充填体能有效地 控制顶板回转,但随充填体宽度的变化,在充填体右上角形成不同宽度 的斜剪切屈服带.因此,设计充填体时,在加大充填体宽度以提高充填 体稳定性的同时,可以根据老顶回转角度,把充填体上边界设计成比老 顶回转角度稍小的斜边界AB图4 . 412 充填方式及充填体强度分析 结合大量工程实践,充填方式及充填体强度应考虑4种情况① 充填空间100 充填,充填体强度为6 MPa[6];②充填空间100 充填, 充填体强度6 MPa ,但考虑了充填体下方浮煤影响;③充填体承载前,顶煤随老顶回转下沉量,现场情 况大约在012 m ,充填体强度为4 MPa ,并考虑了充填体下方浮煤影响;④与第3种情况类似,不同点在 841 煤 炭 学 报 2004年第29卷 于充填体强度为6 MPa.图5 a为不同充填方式及充填体强度aa剖面上的垂直位移情况. 图5 充填方式和充填体强度的分析 Fig15 Filling way and filling belt strength analysis 位移结果表明,当工作面开采后,立即并100 充填v3 0两种情况下,顶煤垂直位移虽然稍小, 但老顶回转引起的变形主要由充填体和顶煤承担,造成充填体变形量v2过大,充填体右侧形成较大的斜 剪切屈服带.第3种情况虽考虑一定量的预留变形量v3,但由于充填体强度较低,不能有效地控制顶板 回转,造成充填体随老顶回转而屈服变形图5b . 第4种情况虽然充填体上方顶煤位移大于前两种 情况,但顶煤下沉量中含有充填体承载前随老顶回转下沉量v3,充填体本身变形量v2较小.从工程实践 来看,由于充填体必须滞后工作面实施,充填空间不可能100 充填,实际情况只能是后两种情况.因 此,充填体本身必须具有一定强度. 5 结 论 老顶断裂位置对留巷围岩稳定性影响较大.留巷顶板围岩位移受制于老顶岩层的回转运动,是老顶回 转运动与围岩变形的综合反映.充填体上方顶煤位移由老顶岩层运动引起,由3部分组成.对常村矿 S2 - 6综放工作面,当充填体宽度在215 m以上时,能有效地控制老顶回转.在进行充填体设计时,可把充 填体上边界设计成比老顶回转角度稍小的斜边界AB.综放沿空留巷时,在保证顶煤及顶板稳定的前提 下,合理利用围岩移动规律,确定合理的充填方式和充填体强度,既能保证充填体稳定,又能达到很好的 留巷效果.端头留设一定长度的顶煤不放,有利于老顶回转触矸后形成具有自稳能力的承载结构. 参考文献 [1] 陈炎光,陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州中国矿业大学出版社, 1994. [2] 陆士良.无煤柱护巷的矿压显现[M].北京煤炭工业出版社, 1984. [3] 漆泰岳.沿空留巷整体浇注护巷带主要参数及其适应性[J ].中国矿业大学学报, 1999 , 28 2 122～125. [4] 张东升,茅献彪,马文顶.综放沿空留巷围岩变形特征的试验研究[J ].岩石力学与工程学报, 2002 , 21 3 331 ～334. [5] 张东升,缪协兴,茅献彪.综放沿空留巷顶板活动规律的模拟分析[J ].中国矿业大学学报, 2001 , 30 3 261～ 264. [6] 王悦汉,王彩根,周华强.巷道壁后充填技术[M].北京煤炭工业出版社, 1995. 941第2期谢文兵等综放沿空留巷几个关键问题的研究