综采放顶煤工作面高冒空巷充填技术.pdf

收稿日期 20020117 作者简介郭金刚19632 , 男,河南省中牟县人,潞安矿业集团公司教授级高级工程师,中国矿业大学博士研究生. 第31卷 第6期 中国矿业大学学报 Vol . 31 No. 6 2002年11月 Journal of China U niversity ofM ining 2.潞安矿业集团公司 王庄煤矿,山西 长治 046031 摘要基于对综采放顶煤工作面高冒空巷围岩活动规律的分析,采用高水速凝材料充填高冒空 巷.通过理论分析和数值模拟计算,确定了高水速凝材料充填体的力学参数.研究表明,充填体 具有较大的支护阻力和良好的塑性变形特点,可有效支护高冒空巷顶板和两帮,同时适当变形而 降低载荷,保持充填体完整.该技术成功应用于工程实践,取得了较好的技术、 经济效果. 关键词综采放顶煤工作面;高冒空巷;高水速凝材料;充填 中图分类号 TD 353. 7 文献标识码 A 工作面过空巷一直是煤矿开采未能很好解决 的技术难题,传统方法采用密集支柱或木垛加强空 巷支护[1 ～5], 由于密集支柱或木垛的支护阻力小、 可缩量大,在工作面超前支承压力作用下,因密集 支柱折断、 木垛过度压缩而引起顶板下沉、 冒落.另 一方面,密集支柱和木垛的稳定性差,在侧向力作 用下极易倾倒失效,不能有效支护顶板,也不能对 两帮提供支护,极易引起大范围片帮,从而加剧冒 顶,形成恶性循环.此外,密集支柱和木垛加固空巷 不仅成本高,而且工作面过空巷时常产生大范围冒 顶、 片帮和压死支架的事故,存在严重的安全隐患. 由于综采放顶煤工作面设备体积大、 数量多, 需要较大的稳定的安全空间,因此,工作面通过已 经发生大范围片帮、 冒顶的空巷更加困难.对于超 长综采放顶煤工作面,矿山压力显现有其特殊规 律[6]顶板来压在时间和空间上呈现明显的不同步 性工作面中部首先来压,然后向两侧扩展;上 次来压还没有结束,下次来压就已经开始.整个工 作面呈带压开采状态,工作面压力大,而初次来压 步距、 周期来压步距缩短,平均动载系数增大.因 此,超长综采放顶煤工作面通过与工作面平行并且 已经发生较大范围片帮、 冒顶的空巷难度更大. 1 生产地质条件 4326综采放顶煤工作面开采煤层厚度为6. 86 ～7. 14 m ,平均7 m ,普氏系数f约为2;含5层夹 矸,总厚0. 49 m.煤层埋深225～243 m ,倾角0～ 12.直接顶为砂质泥岩,平均厚2. 45 m ,f 1～ 3;老顶为砂岩,平均厚17. 47 m;直接底为砂岩,平 均厚1. 8 m ,f 3～8;老底为砂质泥岩,平均厚 5 m.工作面采用低位放顶煤一次采全高、 全部垮 落综合机械化采煤法.支架初撑力为4MN ,工作 阻力4. 8 MN ,支 护 面 积7. 02 m 2, 支 护 强 度 0. 68M Pa. 为了提高工作面单产,合理集中生产,实现煤 矿开采高产高效,同时保护309国道不受采动影 响,布置了长270 m的4326超长综采放顶煤工作 面.已掘进的4320工作面放水巷横穿4326工作 面,形成空巷.空巷与工作面的位置关系见图1.空 巷与工作面平行,沿煤层底板掘进,断面宽高 3. 5 m3. 3 m ,顶板为厚约3. 7 m 的煤,采用锚杆 与工字钢支架联合支护.工作面距空巷260 m时, 空巷中段发生大范围片帮、 冒顶,冒高7～9 m ,长 110 m.根据顶板状况将空巷分为3段.第1段进 风巷一侧,长80 m ,顶板和两帮完整,顶底板、 两帮 相对移近量小于200 mm;第2段空巷中部,长 110 m ,发生大范围片帮、 冒顶;第3段回风巷一 侧,长80 m ,顶板和两帮较完整,顶板下沉较明显, 顶底板相对移近量达200～300 mm ,两帮煤体沿 夹矸错动70～100 mm.由于空巷中部产生大范围 片帮、 冒顶,最大冒高达9. 0 m ,如果仍然采用木垛 支护,人员需要进入大范围无支护且可能再次发生 冒顶的空间施工,安全没有保证.并且,由于木垛的 压缩量大,支撑能力小,加之工作面过空巷时切割 木垛,木垛倾倒必将导致冒顶.另一方面,支架上方 存在大范围冒落空间,支架不能接顶,易发生倾倒, 较大的矸石从高空落下,极易对设备和人员构成威 胁,过高冒空巷时安全也没有保证.因此,高冒空巷 采用木垛支护存在严重的安全隐患.但如果放弃空 巷另一侧煤炭开采而提前收尾,将有31万t煤成 为309国道的永久煤柱.为此,对用高水速凝材料 充填高冒空巷进行了探索. 图1 工作面与空巷的位置关系 Fig. 1 Relative position of the coal face and the service roadway 2 高水速凝材料的性能及充填体力学参数 的确定 由于空巷与4326工作面平行,高水速凝材料 充填体要承受工作面超前支承压力的作用.当工作 面推进到空巷时,下部充填体被切割,上部充填体 将成为工作面的直接顶.因此,充填体应具有较大 的承载能力,能够承受工作面超前支承压力的作 用,能够传递液压支架的支护阻力,有效地维护基 本顶.同时,充填体应具有较好的变形特性,受超前 支承压力作用时能变形、 让压,防止人造直接顶 充填体脆性破坏而发生片帮、 冒顶.因此,高水 速凝材料充填体应具备一定的强度和良好的塑性 变形性能,才能较好地控制顶板,在工作面推进过 程中不发生片帮、 冒顶事故. 2. 1 高水速凝材料的力学性能 1 变形性能 利用中国矿业大学M TS815型刚性伺服机测 得高水速凝材料单轴压缩时的全应力2应变曲线, 见图2. 从图2可见,高水速凝材料具有显著的塑性变 形性能达到峰值强度后,并没有完全破坏,完 全丧失承载能力,而是随应变的进一步增大,承载 能力缓慢下降,且其下降速度远小于混凝土和岩石 材料.当应变达到10时,其抗压强度还维持在峰 值强度的60以上;应变增大到18时,残余抗压 强度仍为峰值强度的55左右.高水速凝材料的 这一特性使得充填体在工作面超前支承压力作用 下能保持对顶板的有效支撑,同时能适应大的变 形,减小充填体的载荷. 图2 高水速凝材料的全应力2应变曲线 Fig. 2 Full stress2strain curve of the materialw ith high water content 2 抗压强度与水灰比的关系 高水速凝材料的抗压强度与水灰比水与高水 速凝材料的质量比的关系见图3.由图3可见,高 水速凝材料的抗压强度与水灰比成反比关系,即水 灰比越小,强度越大.但增大水灰比将使高水速凝 材料的用量和充填成本增大. 图3 高水速凝材料强度与水灰比的关系 Fig. 3 Relation between strength of the material and ratio of water to concrete 2. 2 高冒空巷充填体力学参数 为了了解和掌握高水速凝材料充填体的力学 性能对空巷顶板及两帮维护的影响,科学合理地确 定高水速凝材料的力学参数,对空巷充填后受采动 影响、 工作面过空巷时顶板与两帮的稳定性进行了 数值模拟计算. 数值模拟软件采用FLAC3. 3.模型网格划分 充 填体为研究重点,网格划分较细 0. 5 m 0. 5 m , 其它部分采用大网格;模型上边界载荷按 200 m岩层自重模拟,底边界固定,左右边界水平 方向固定;材料本构关系为摩尔2库仑模型,变形模 式为大变形;数值模拟计算过程为原岩应力计算 →巷道开挖→冒顶→空巷充填→工作面开采→应 力、 位移计算→结果输出. 数值模拟计算得到充填体顶板下沉、 充填体壁 变形与其强度的关系,见图4. 726第6期 郭金刚等综采放顶煤工作面高冒空巷道充填技术 图4 充填体顶板下沉、 充填体壁变形与其强度的关系 Fig. 4 Roof subsidence and wall deation as a function of filling body’s strength 由图4可见 1 高水速凝材料充填体强度达 到5. 4M Pa时对空巷的维护效果较好顶板下 沉量小于200 mm ,充填体壁鼓出量小于140 mm , 未出现片帮和冒顶现象 ; 2 充填体强度对顶板下 沉的影响大于对充填体壁鼓出的影响 ; 3 随充填 体强度增大,充填体变形量减小.当充填体强度达 到5～7M Pa时,鼓出量明显减小;达到6～7 M Pa 时,顶板下沉量明显减小. 为了减小充填体变形量,应增大其强度;而为 了降低充填费用,应减少高水速凝材料用量,增大 水灰比,但这必然导致充填体强度的降低.综合考 虑空巷维护效果、 安全可靠性和充填成本,确定充 填体的强度为6M Pa.对照高水速凝材料强度与水 灰比的关系,确定4326工作面高冒空巷高水速凝 材料充填水灰比为2. 25∶1,其力学性能见表1. 表1 充填体力学性能 Table 1 M echan ical properties of f illing body 水灰比 水用量 kgm- 3 高水材 料用量 kgm- 3 单轴抗压强度M Pa 2 h1 d 7 d28 d 2. 25∶18703872. 424. 746. 197. 08 2. 3 空巷加固方案 空巷第2段发生严重片帮、 冒顶,采用高水速 凝材料充填.为了比较不同加固方案对空巷维护效 果的影响,第1, 3段采用了传统的加固方法,见 表2. 表2 空巷加固方案 Table 2 Reinforcement schemes of the service roadway 地 段第1段第2段第3段 加固方案密集木垛 高 水 速 凝 材料充填 锚杆、 锚索、 木垛 加固参数 2排,间 排距0～ 0. 3 m 水灰比 2. 25∶1 高强 度 锚 杆20,长 2. 4 m,间排距0. 8 m 0. 8 m 锚索15. 24,长7m, 1 排,间距1. 6 m 木垛 1排,间距3 m 维护条件 顶底板、 两 帮 相 对 移 近 量 小 于 200 mm 冒顶高度 7～9 m 顶底板相对移近量200 ～300 mm,两帮煤体 沿夹 矸 面 错 动70～ 100 mm 3 充填工艺及效果分析 3. 1 充填工艺 高水速凝材料分甲料、 乙料2部分,按1∶1的 比例配合使用[7].甲料、 乙料单独与水混合24 h不 凝结,而一旦相互混合则快速凝结硬化.为防止浆 液在搅拌、 输送过程中凝结、 堵塞管路和泵等设备, 需分别搅拌和泵送.因此采用双液充填工艺,即甲 料、 乙料分别搅拌、 储存,采用双液充填泵或2台相 同规格的单液充填泵分别对甲料、 乙料浆液加压, 浆液通过两趟管路等流量输送,在充填地点混合, 使之快速凝结、 固化. 3. 2 充填效果 4326工作面过空巷时各段矿压显现见表3. 表3 不同加固方案的矿压显现 Table 3 Strata behaviors for different reinforcement schemes 加固方案密集木垛 锚杆、 锚 索、 木垛 高水速凝 材料充填 立柱平均工作阻力M Pa约40约33约25 顶底板移近量mm1500～1600800～1000200～300 安全阀开启率744918 顶板破碎程度严重一般完整 充填体壁片帮情况严重一般无 支架状况 结构件开 焊、 液压件 损坏严重 部分液压 件损坏 正常 由表3可见 1 工作面过高冒顶段时,构筑的人造直接顶 充填体未发生冒顶和碎裂现象,表明充填体满 足强度和变形要求. 2 充填体揭露前后,未发生片帮、 压死支架等 事故,充填体被切割后,切割面平整,表明充填体有 较高的承载能力. 3 充填体被压缩200～300 mm仍然能有效 维护顶板和充填体壁,表明了充填体塑性变形特点 和具有良好的让压性能. 工作面过空巷充填段时,充填体顶板和充填体 壁的维护情况见图5. 图5 人造直接顶和充填体壁的维护状况 Fig. 5 M aintenance condition of the man2made i mmediate roof and wall 826 中国矿业大学学报 第31卷 4 结 语 数值模拟计算和现场实践均表明,如空巷无有 效支护,当工作面接近空巷时,支架压力增大,造成 大面积来压甚至冒顶,工作面难以通过空巷.高水 速凝材料充填体具有较大的强度和良好的塑性变 形特性,既能承受工作面超前支承压力的作用,又 能适当变形而让压,不发生脆性破坏,能有效支护 顶板和空巷两帮.采用高水速凝材料充填解决了综 采放顶煤工作面过空巷的技术难题,为工作面快 速、 安全过空巷,特别是已产生大范围片帮、 冒顶的 与工作面平行的高冒空巷提供了技术途径.用数值 模拟计算方法科学地确定高水速凝材料充填体的 力学参数,空巷维护效果好,工作面过充填段高冒 空巷时人造顶板完整,没有发生片帮、 冒顶、 压死支 架等不良矿压显现.高水速凝材料充填高冒空巷安 全、 可靠,工作面过空巷时的推进速度是木垛支护 的2倍以上,但比木垛加固节省费用13. 5万元.该 项技术多回收煤炭31万 t, 创造产值3410万元,利 润1054万元. 参考文献 [1] 柏建彪,侯朝炯,张长根,等.高水材料充填空巷的工 业性实验[J ].煤炭科学技术, 2000, 2810 30231. 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Through the theoretical analysis and the numerical sti m2 ulation calculation, the mechanical parameters of filling body w ere determ ined.It has great supporting pressure and good plastic deation, so it can efficiently support an old roadw ay, descend the load and ensure the integrity of a filling body.The technique has been applied in field successfully, and resolves the problem how a coal face crosses an old roadw ay. Key words fully2mechanized top2coal caving face; old roadw ay; materialw ith high w ater content; fill2 ing 926第6期 郭金刚等综采放顶煤工作面高冒空巷道充填技术