浅析常村煤矿31101综采工作面沿空留巷柔模(局部)变形因素和治理方案.pdf

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收稿日期2020􀆽 04􀆽 26 作者简介王虎伟1986 - ꎬ男ꎬ山西长治人ꎬ硕士ꎬ工程师ꎬ从事矿建工程管理工作ꎮ doi10. 3969/ j. issn. 1005 -2798. 2020. 08. 031 浅析常村煤矿 31101 综采工作面沿空留巷柔模 局部变形因素和治理方案 王虎伟 潞安环能股份公司 常村煤矿ꎬ山西 长治 046204 摘 要潞安环能股份有限公司常村煤矿 31101 综采工作面推进 850 mꎬ剩余 350 mꎬ采煤工艺为综合机械 化放顶煤采煤法ꎮ 随着综采工作面推进ꎬ沿空留巷柔模包部分变形ꎬ导致巷道局部变形ꎬ为了更好地节约 矿山巷道的成本ꎬ避免二次维护的开支ꎬ在分析沿空留巷破坏的原因基础上ꎬ提出了防治对策ꎬ改进了支护 方式ꎮ 调查研究结果ꎬ从沿空留巷柔模的设计宽度、周围的巷道布置密度、地质构造的影响、综采工作面的 推进速度、开采深度、柔模的流变性和煤层倾角的因素综合分析治理ꎬ技术上可靠ꎬ经济合理ꎬ提高了沿空 留巷的服务年限和成本节约ꎮ 关键词构造应力ꎻ巷道破坏变形ꎻ地质构造ꎻ开采深度ꎮ 中图分类号TD322 文献标识码B 文章编号1005􀆽 2798202008􀆽 0078􀆽 04 1 概 述 1. 1 问题提出 根据常村煤矿实际情况巷道围岩的稳定性主要 存在的问题基本体现在 31101 综放工作面本区段的 采动影响ꎮ 31101 综放工作面超前支护采用的是胶 带巷超前维护距离动态不小于 30 mꎬ0 10 m 采用 一梁三柱单体柱 π 型梁4. 6 m 棚支护ꎬ排距 800 mmꎬ10 30 m 采用一梁二柱单体柱 π 型梁 4. 6 m棚支护ꎬ棚距 800 mmꎻ进风巷超前支护长 度动态保持 30 mꎬ采用单体柱 π 型梁3. 6 m棚支 护ꎬ前10 m为一梁三柱ꎬ10 30 m 为一梁二柱ꎬ排距 800 mmꎬ在单体柱 π 梁棚与里帮煤墙间交错架设两 排一梁二柱单体柱 π 型梁1. 8 m 抬棚ꎬ棚距 800 mmꎮ 31101 综放工作面推进过程中ꎬ由于大面积的 回采ꎬ该工作面前方的煤体上造成了超前支撑压力 作用ꎬ从而影响了巷道的服务年限间内的围岩变形 和破坏ꎮ 这样无法保证巷道的断面形状和尺寸ꎬ为 人员和设备的安全施工提供可靠有利的条件ꎮ 为了节能降耗ꎬ提升 31101 综放工作面的煤炭 资源回收率、降低巷道的维护成本和再次掘进率ꎬ逐 步开始对 31101 综放工作面的沿空留巷、沿空掘巷 进行了对实际情况开始探索研究ꎮ 31101 综放工作 面沿空留巷是构筑巷旁支护结构ꎬ在受到采区岩层 剧烈活动的影响下ꎬ巷道顶底板还是两旁都受到剧 烈的影响ꎬ无论是顶底板还是两帮都产生不同的变 形巷道造成维护困难ꎮ 根据实际研究表明ꎬ做出了 对巷道围岩变形的主要措施①使用合理的主动支 护来控制巷道围岩的变形ꎻ②载荷体的围岩变成承 载体来控制围岩的变形ꎻ③使用合理的方法增加围 岩强度从而减小巷道的围岩变形ꎮ 由于巷道的布置 位置受到地质条件和开采条件的限制ꎬ部分沿空留 巷的显现规律出现了不同的变化ꎬ因此还需要再次 深入研究 31101 综放工作面沿空留巷的矿压显现规 律ꎬ并选择合理的煤柱设计来控制和保证巷道稳定 性ꎬ从而保证安全生产和节能降耗ꎬ成为学者和煤炭 企业领导人关注的焦点ꎮ 常村煤矿是潞安集团主要生产矿井ꎬ受矿区规 划、布置和历史人文等因素的影响ꎬ巷道和采空区属 于复杂型ꎮ 常村煤矿 31101 综放工作面西部为 31102 综放工作面未回采ꎬ北部为辅助回风大巷ꎬ 南部为矿界ꎬ东部为待掘的沿空掘巷ꎮ 31101 综放 工作面与待掘巷道成异型煤柱ꎬ保留煤柱为 1. 5 20 mꎮ 与 31102 关系为留窄煤柱进行沿空掘巷ꎬ受 采空区影响剧烈ꎬ柔模围岩变形ꎬ形成了巷道支护困 难ꎮ 1. 2 研究现状 1 合理的煤柱留设研究ꎮ 2 综放工作面的沿空留巷、掘巷矿压显现规 律ꎮ 3 综放工作面的沿空掘巷、留巷的围岩控制 87 问问题题探探讨讨 总第 252 期 与支护技术ꎮ 1. 3 研究方法及技术路线 1. 3. 1 煤柱柔模的强度研究 1 根据大板裂隙理论对煤柱柔模进行强 度研究ꎬ按照 31101 综放工作面采空区的走向剖面 作为边界受载荷作用的大板中的一个孔口ꎬ根据弹 性断裂理论计算孔口端部的煤柱应力变化情况ꎮ 2 核区强度不等理论的研究ꎮ 综合采用长 煤柱的破坏面积计算ꎬ将煤柱的实际应力和核区强 度相结合ꎬ总结计算出核区不同位置和不同强度ꎮ 因常数复杂、变化性过大ꎬ从而减少了实际的实用 性ꎮ 3 极限平衡理论ꎮ 煤柱的顶面和中性面所 受的垂直应力的分布状态ꎬ结合弹性理论相关公式 计算条带开采中的采空区的应力变化情况ꎬ从结论 中做出对不同的地质构造和特殊的地质条件中长臂 条带开采对煤柱的留设做出选择ꎬ结合应力的平衡 计算方式和库伦准则计算出留设煤柱的应力极限平 衡区的宽度ꎮ 1. 3. 2 煤柱柔模荷载理论研究 有效区域理论、压力拱理论和 AHWilson 的两 区约束理论ꎮ 1. 4 沿空掘、留巷围岩控制和支护 国外的“压力拱假说”、“新奥法”和“能量支护 理论”统一基本定论是通过加强支护结构将围岩的 应变控制在许可范围内ꎬ因而主张利用支护结构和 围岩的相互作用共同成为支撑环ꎬ在支护作用下ꎬ虽 然吸收并释放了部分能量ꎬ使其能量的总和没有改 变ꎬ从而支护结构调节围岩的释放能量和支护吸收 的能量可以相互调节ꎮ 但是“压力拱假说”对围岩 卸载的原因、岩层的变形、破坏和发展过程和围岩与 支架的相互作用并未做出明确的解释ꎮ 国内以“轴变理论”、“开挖系统供应理论”为 主ꎻ巷道的围岩破坏自巷道开挖后地应力受到巷道 垮落而产生变化ꎬ根据巷道的弹塑性理论来分析ꎬ巷 道的垮落也可以自行稳定ꎬ巷道的围岩破坏是地应 力超过岩体强度的极限引起的ꎬ垮落后改变了巷道 的轴比ꎬ致使应力重新分布ꎬ从而造成了高应力下降 低应力上升的情况ꎬ导致向无压力的地方均匀分布 发展ꎬ直到稳定之后停止ꎮ 在应力均匀分布轴比成 为巷道稳定的轴比ꎬ形状为椭圆形ꎮ 巷道开挖后破 坏了岩体基本平衡ꎬ因此存在相关的组织功能ꎬ能改 变围岩变形和支护的结构力能进行现场检测ꎬ验证 了其可行性和科学性ꎮ 2 综放工作面沿空留巷、沿空掘巷的应力分 布规律 31101 综放工作面在回采放顶之后ꎬ由于 31101 工作面的地质条件影响的情况下ꎬ沿空留巷的方向 由于煤层的采放厚度较大ꎬ也无法做到一次全部垮 落ꎬ从而导致垮落的矸石根本不能满足充满采空区 部分ꎬ导致老顶在采空区的边缘发生断裂ꎬ并使老顶 基于下沉状态ꎬ顶板的弯曲状态也存在变化ꎬ最后导 致向采空区方向倾斜ꎬ直至最后发展成为向煤体内 转移的情况ꎮ 在此过程中受采动的影响ꎬ工作面的 超前10 m 范围内ꎬ巷旁的充填体受到了垂直应力的 作用下开始对称分布ꎬ距离超过超前距离时出现了 非均匀的下沉情况ꎬ特别是在二次采动的过程中这 种现象更加明显ꎮ 顶板的断裂角度加大时ꎬ巷道的 围岩应力得到很大的改变空间ꎬ这点为 31101 工作 面的沿空留巷创造了最佳条件ꎮ 31101 工作面回采后沿空留巷形成了内部的相 关破碎区ꎬ承载能力相对较小ꎬ相反方向 31101 综放 工作面方向采煤放顶的同时形成超前支撑压力ꎬ在 超前支承压力的作用下煤柱进一步压碎破碎ꎬ使顶 板再一次发生断裂ꎬ巷道压力及变形极具加大ꎮ 沿 空掘巷、沿空留巷在巷道压力作用前维护较容易ꎬ受 采动超前支撑压力时维护造成了困难ꎮ 3 31101 综放工作面的沿空留巷的围岩控 制原理 3. 1 窄煤柱稳定是控制围岩稳定的关键因素 为了提倡集团公司节能降耗不浪费煤炭资源ꎬ 留设窄煤柱是减少煤柱损失ꎬ最大程度提高煤炭的 回收率ꎬ窄煤柱留设的最佳选择ꎮ 但窄煤柱必须要 设计出一个合理的宽度ꎬ不仅具有巷道支护体载荷 力小ꎬ还要保留巷道的围岩完整ꎮ 煤柱留设的宽度 选择对巷道围岩的变形影响ꎬ主要存在以下几个方 面①顶板下沉ꎻ②实体煤帮的移近ꎬ主要体现在向 采空区的侧水平位移和巷道方向位移ꎮ 根据 31101 工作面的位置关系和极限平衡理论煤柱的计算公 式B = X1+ X2+ X3ꎻX1为采空区侧煤体的塑形宽 度ꎻX2为煤柱的稳定系数ꎬ取值为 X1+ X3的 50%ꎻ X3为锚杆的有效长度ꎮ 3. 2 使用高阻让压支护来控制围岩变形 由于受到 31101 工作面的地质条件的影响下ꎬ 应力明显增加出现巷道的地板鼓起ꎬ顶板下沉和两 帮发生位移的变化ꎬ造成了巷道的多次维护ꎮ 体现 出了回采过程中产生的靠近采空区的单侧压力集中 向煤柱产生压力ꎬ造成了原始应力的静压状态ꎮ 造 成了支护作用的阻力也不能阻止围岩的变化和充填 体的变形状态ꎮ 再加上回采巷道的服务年限没有达 到最高设计要求ꎬ在允许的情况下ꎬ可以产生部分微 小情况下变形状态ꎬ31101 工作面的留巷支护在具 97 2020 年 8 月 王虎伟浅析常村煤矿 31101 综采工作面沿空留巷柔模局部变形因素和治理方案 第 29 卷第 8 期 有高压阻力的条件下ꎬ还要具有巷道比较大的变形 性能ꎬ从而防止在高支撑压力情况下的破坏和其他 不稳定因素的破坏ꎬ应用高阻让压支护在控制综放 沿空掘巷掘进巷道围岩变形得到更好的控制ꎮ 3. 3 在使用高强度锚杆支护强化巷道围岩的强度 的实验研究 巷道的围岩是个承载体ꎬ支护和围岩是不可分 离的共同承载者ꎮ 锚杆支护实现了主动支护、及时 支护合理的密度放射状布置ꎬ保留了主动挤压控制 围岩的整体性ꎮ 高强度锚杆支护的屈服强度、抗拉 强度和延伸率有效改变了巷道环境ꎬ使用高强度锚 杆支护产生的预应力场满足了巷道应力分布需求ꎮ 在高强度锚杆支护作用下ꎬ有效控制应力的分布状 态ꎬ改善了巷道的稳定情况ꎮ 4 31101 综放工作面的沿空留、掘巷实际情 况和处理方法 目前 31101 工作面沿空留巷已留巷 785 mꎬ目 前巷道部分区段受应力变形严重ꎬ现将巷道内受应 力变形区域分类简述如下ꎮ 4. 1 顶板下沉明显ꎬ需挑顶处理区段 1 40 120 号柔模包位置全长 155 m及措 施巷口距工作面切眼 639 mꎬ该区段主要表现为 顶板下沉明显ꎬ下沉量为 810 1 000 mmꎬ且局部出 现坠包ꎬ巷道最低点位于 110 号包ꎬ巷道最低点高度 为 2. 36 mꎬ部分顶板已经挤压综合管网ꎬ该区段已 打设木垛 7 个ꎬ近期该区段巷道稳定ꎬ变形量未扩 大ꎮ 2 149 156 号柔模包位置距工作面切眼 400 mꎬ全长 28 mꎬ该区段主要表现为顶板下沉明 显ꎬ下沉量为 700 1 000 mmꎬ且局部出现坠包ꎬ巷 高范围为 2. 4 3. 2 mꎬ部分顶板已经挤压综合管 网ꎮ 3 183 185 号柔模包位置距工作面切眼 305 mꎬ 巷 道 顶 板 整 体 下 沉ꎬ 下 沉 量 为 600 1 000 mmꎬ巷高范围 2. 4 2. 9 mꎮ 4. 2 底鼓明显ꎬ需拉底处理区段 1 23 27 号柔模包位置距工作面切眼 840 mꎬ该区段底鼓最大高度达 800 mmꎬ巷高范围 为 2. 6 3. 0 mꎮ 2 130 144 号柔模包位置距工作面切眼 485 mꎬ该区段底鼓最大高度达 1 000 mmꎬ巷高范 围为 1. 7 2. 6 mꎬ部分顶板已经挤压综合管网ꎬ该 位置巷道中部已经拉底ꎬ拉底宽度 0. 8 mꎬ深度 0. 6 mꎮ 3 189 201 号柔模包位置距工作面切眼 255 mꎬ该区段主要表现为巷道底鼓及顶板坠包ꎬ 底鼓最大高度达 800 mmꎬ目前外围队组正在该区域 拉底ꎮ 4. 3 顶板坠包ꎬ需挑顶处理的区域 顶板坠包主要分布在 80 号、85 号、93 号、 94 号、96 号、188 号、191 号、192 193 号、196 号、 207 号、208 号、209 号和 240 243 号这些区段受巷 道顶板坠包影响ꎬ巷高范围为 2. 2 2. 8 mꎬ部分坠 包与上部巷道顶板离层ꎬ巷道顶板 π 型梁被坠包包 裹或变形ꎬ这些区域需挑顶处理坠包ꎮ 4. 4 锚杆、锚索失效ꎬ需补打锚杆、锚索区段 目前沿空留巷中柔模侧顶板锚索失效情况较为 严重ꎬ22 202 号柔模位置靠柔模侧锚索普遍失效ꎻ 锚杆失效严重区域在 171 178 号柔模区域ꎬ该区域 现补架单体柱棚 15 架ꎬ但为保证巷道断面还需及时 补打锚杆、锚索ꎮ 4. 5 外帮煤墙变形ꎬ需扩帮区段 沿空留巷从 216 号柔模包距工作面 210 m位 置帮部鼓出加剧ꎬ其中最严重区域位于 207 208 号 柔模包距工作面 230 m、202 204 号柔模包距 工作面 242 mꎬ最大鼓出量 550 mmꎬ这两个区段外 侧煤墙已挤压支护单体柱ꎬ需及时回柱并重新打设ꎮ 4.6 沿空留巷中单体柱死柱集中ꎬ需及时回柱补打 单体柱区域 43 49 号、132 号、180 号、183 185 号和200 201 号柔模包位置单体柱死柱数量较多ꎬ需及时处 理ꎮ 4. 7 沿空留巷中柔模包剪切破坏情况 31101 工作面沿空留巷共计有 12 个柔模包出 现明显的剪切破坏ꎬ分别是 77 号、87 号、92 号、 93 号、94 号、95 号、98 号、102 号、107 号、110 号、 114 号和 117 号ꎮ 4. 8 目前沿空留巷支护情况说明 掘三队六组顶板及煤帮联网开始位置位于 218 号柔模包ꎬ工作面回棚已经回至 216 号柔模包ꎬ 靠近工作面切眼最近的沿空巷变形位置位于 243 号 架距切眼 110 mꎬ该区域单体柱出现弯柱ꎬ顶梁断 裂ꎮ 常村煤矿所采煤层为 3 号煤层ꎬ赋存于二叠系 山西组地层中ꎬ为泻湖泊相沉积ꎮ 31101 综放工作 面处于背斜西翼ꎬ煤层厚度稳定ꎬ工作面煤层厚度 6. 7 7. 1 mꎬ平均煤厚 6. 9 mꎮ 全煤中间夹有一层 夹矸ꎬ厚度为 0. 1 0. 35 mꎬ平均厚度为 0. 2 mꎮ 煤 层倾角为 0 10ꎬ平均 2ꎮ 煤层埋藏深度为404 425 mꎬ距 9 号煤层平均距离为 59. 9 mꎮ 煤层老顶 为细砂岩、粉砂岩组成ꎬ厚度在 12 25 mꎻ直接顶为 08 2020 年 8 月 王虎伟浅析常村煤矿 31101 综采工作面沿空留巷柔模局部变形因素和治理方案 第 29 卷第 8 期 泥岩、砂质泥岩厚度在 5 13 mꎻ伪底为砂质泥岩ꎬ 厚度在 0. 2 0. 4 mꎻ直接底为粉砂岩、细砂岩组成ꎬ 厚度在 1. 2 4. 5 mꎻ老底为砂质泥岩组成ꎬ厚度在 5 15 mꎮ 采用综合放顶煤采煤法ꎬ沿空留巷采用高 强度锚杆支护ꎬ沿着煤层底板掘进ꎮ 因此 31101 综合放顶煤工作面的沿空留巷巷道 的支护具有较高阻力的同时ꎬ还应具有较大的变形 发生的可能ꎬ从而使围岩的变形能量得到释放而让 压作用ꎬ导致围岩变形失去控制而失去稳定性ꎮ 高 阻让压支护控制工作面的严控掘、留进巷道围岩变 形ꎮ 5 结 语 1 高强度锚杆支护的屈服强度、抗拉强度和 延伸率有效的改变了巷道环境ꎬ使用高强度锚杆支 护产生的预应力场满足了巷道应力分布需求ꎮ 在高 强度锚杆支护作用下ꎬ有效控制应力的分布状态ꎬ使 应力想多向应力分布状态ꎬ改善了巷道的稳定情况ꎮ 2 提高窄煤柱的承载能力、维护其稳定性ꎬ 从而加大巷道的服务年限和维修成本ꎮ 3 及时对沿空留、掘巷的小变形阶段在开始 阶段进行维护ꎮ 4 合理有效布置巷道ꎬ使原岩应力的重新分 部存在的问题减少ꎬ减少破坏原岩应力的平衡状态ꎬ 引起应力转移的状态ꎮ [责任编辑路 方] 􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣 􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂 􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣􀤣 上接第 38 页 图 7 凝固结束后的效果 图 8 使用铬矿砂后的柱窝窝底及剖切截面 6 结 语 1 利用计算机数值模拟软件对柱窝铸造工艺 进行数值模拟可快速、有效地判断铸件内部缺陷位 置ꎬ并为下一步工艺方案优化提供理论参考ꎮ 2 在不增加冒口尺寸的情况下ꎬ通过安放外 冷铁调整凝固顺序ꎬ从而得到完整的内部组织ꎬ经过 生产验证ꎬ柱窝质量达到设计要求ꎮ 3 针对柱窝在砂型铸造中普遍存在的窝底结 疤问题ꎬ使用铬矿砂可有效避免ꎬ同时可以对上部 “十”字筋处热节起到激冷作用ꎬ使组织具有较高的 致密性ꎮ 参考文献 [1] 唐 玫. 液压支架顶梁柱窝有限元分析[J]. 上海电机 学院学报ꎬ2007ꎬ10120 -24. [2] 李新亚. 铸造手册第五卷. 铸造工艺[M]. 北京机械 工业出版社ꎬ2011. [3] 刘文川. 铸钢件的有效浇注时间计算公式[J]. 铸造ꎬ 2002ꎬ512115 -118. [4] 李士杰ꎬ杨瑞琨ꎬ刘冬冬ꎬ等. 柱窝柱等铸钢件十字肋处 裂纹缺陷分析及改进[J]. 煤矿机械ꎬ2017ꎬ385100 -101. [5] 张小卫ꎬ马军涛ꎬ黄 鑫ꎬ等. 矿用柱窝裂纹的原因分析 及改进措施[J]. 煤矿机械ꎬ2015ꎬ367235 -236. [6] 沈阳铸造研究所. GB/ T 7233. 1 - 2009 铸钢件超声检 测 第 1 部分一般用途铸钢件[S]. 北京中国标准出 版社ꎬ2010. [责任编辑路 方] 18 2020 年 8 月 王虎伟浅析常村煤矿 31101 综采工作面沿空留巷柔模局部变形因素和治理方案 第 29 卷第 8 期
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