綜采工作面圍巖變形控制技術(shù)
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［摘要］為了解決山西某礦3204大采高綜放工作面過空巷時圍巖變形大、易發(fā)生冒頂、片幫等問題，對工作面過空巷時頂板變形情況進(jìn)行了分析，提出了部分充填過空巷方案。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件確定了充填體最佳長度為6m。工業(yè)性驗證結(jié)果表明，采用部分充填后，空巷影響范圍內(nèi)工作面液壓支架最大壓力為29.33MPa，低于支架安全閥開啟壓力，工作面能夠安全快速地穿過空巷。
［關(guān)鍵詞］過空巷；圍巖變形；部分充填；支架阻力
引言
早期井下無序開采和偷挖濫采等導(dǎo)致我國各礦區(qū)在工作面回采過程中均存在過空巷問題［1］。工作面在過空巷期間，由于空巷附近圍巖破碎且受工作面采動影響，空巷極易發(fā)生頂板下沉、片幫等事故，嚴(yán)重影響工作面安全回采［2-5］。因此，實現(xiàn)過空巷工作面的安全回采一直是專家學(xué)者和礦山科技工作者關(guān)注的焦點問題。都海龍［6］基于成莊礦3311綜放工作面空巷特點，確定了空巷充填的過空巷方式，并確定了充填體強(qiáng)度和水灰比；尹超宇等［7］基于突變理論對工作面和空巷間的煤柱失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行探究，分析了工作面過空巷期間圍巖變形規(guī)律；劉暢等［8-9］對空巷是否充填時圍巖變形與破壞特征及支架載荷變化規(guī)律等進(jìn)行了對比分析，研究了工作面過空巷時基本頂超前破斷規(guī)律；何向?qū)幍龋?0］從圍巖應(yīng)力、變形和塑性區(qū)分布3個方面對比分析了不同支護(hù)條件下空巷圍巖穩(wěn)定情況，確定對空巷進(jìn)行高水材料充填為最優(yōu)過空巷方式。上述研究為過空巷圍巖控制提供了很好的借鑒。本文以山西某礦3204綜采工作面過空巷為研究對象，基于空巷基本頂破斷規(guī)律，對比分析了不同充填體長度時空巷圍巖變形與破壞特征，以期為相似工程條件下過空巷方式的確定提供參考。
1工程概況
該礦可采煤層主要有3#、6#和8#煤層，目前主采3#煤層。該煤層厚度在4.2~5.6m，平均厚度為4.9m；煤層傾角在3.6°~5.4°，平均傾角為4.5°；該煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，為全區(qū)可采煤層。采用綜合機(jī)械化一次采全高開采工藝，全部垮落法管理頂板。3204綜采工作面地面標(biāo)高在1024.2~1130.6m，工作面標(biāo)高在432.5~454.2m，埋深在424.3~430.5m。工作面頂?shù)装鍘r性如圖1所示。3204工作面位于二采區(qū)東南部，西部為本采區(qū)運輸大巷，東部為瓦斯聯(lián)絡(luò)巷，南部為3206工作面（正掘進(jìn)），北部為3202工作面（已回采）。該礦為了提高工作面搬家效率，降低勞動強(qiáng)度，提高煤炭生產(chǎn)效率，將原來的雙翼通風(fēng)改為單翼通風(fēng)。但是，通風(fēng)方式的改變導(dǎo)致3204工作面在回采期間將先后穿過下料順槽、皮帶順槽和軌道順槽。3204工作面過空巷情況如圖2所示。由于空巷附近圍巖強(qiáng)度和完整性較低，受3204工作面推進(jìn)影響，上述3條空巷附近圍巖在超前支承壓力影響下，極易發(fā)生頂板垮落、片幫等事故，給3204工作面安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。本文所研究的軌道順槽原支護(hù)方式為錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，軌道順槽為矩形斷面，尺寸為3.8m×2.6m，凈斷面面積為9.88m2，3204工作面穿過空巷的長度為240m。
2工作面過空巷頂板變形分析
由于3204工作面采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤工藝，較大的采高導(dǎo)致工作面頂板巖層活動劇烈，易發(fā)生較大的彎曲下沉變形。此外，工作面過空巷時圍巖強(qiáng)度較低、完整性較差，導(dǎo)致工作面推進(jìn)至空巷附近時支架阻力較大，頂板下沉量進(jìn)一步增大，給頂板控制帶來極大困難。相較于一般采場而言，綜采工作面過空巷具有以下特點：①空巷附近圍巖松散破碎，導(dǎo)致工作面在過空巷期間圍巖變形較大，破壞嚴(yán)重，煤壁兩幫承載能力顯著降低。②在工作面推進(jìn)過程中，空巷對頂板巖層活動影響范圍有限，僅局限于工作面前方和后方一定范圍內(nèi)。③老頂對工作面過空巷時的圍巖活動具有控制性影響。隨著工作面不斷向空巷推進(jìn)，兩者間的煤柱寬度逐漸減小，其承載能力逐漸降低，同時在超前支承壓力影響下，煤柱極易發(fā)生失穩(wěn)導(dǎo)致工作面上方基本頂懸空長度突然增大，基本頂極易發(fā)生突然斷裂，而基本頂?shù)臄嗔盐恢脤?yán)重影響著空巷的穩(wěn)定性?；卷敂嗔盐恢门c空巷相對位置關(guān)系如圖3所示。由圖3分析可知，基本頂斷裂位置主要在煤柱上方、空巷上方和實體煤上方。當(dāng)基本頂在煤柱上方和實體煤上方斷裂，即斷裂位置在空巷前方或后方時，空巷因受到簡支梁的保護(hù)而位于應(yīng)力降低區(qū)，此時塊體B的重量由煤柱或?qū)嶓w煤和采空區(qū)垮落矸石共同承擔(dān)；當(dāng)基本頂在空巷上方發(fā)生斷裂時，塊體B的重量將直接作用于空巷上，導(dǎo)致空巷位置應(yīng)力升高，空巷上方煤巖層發(fā)生斷裂破壞，進(jìn)而導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，不僅嚴(yán)重威脅著工作人員和設(shè)備的安全，而且工作面也難以順利穿過空巷。針對工作面過空巷時圍巖變形情況，提出了高水材料部分充填過空巷技術(shù)，即利用高水材料對空巷進(jìn)行部分充填，提高空巷附近圍巖抗壓強(qiáng)度，實現(xiàn)降低空巷維護(hù)工作量、增強(qiáng)煤柱承載能力，確保工作面順利穿過空巷。
3充填體長度對空巷圍巖變形影響分析
對3204工作面實際地質(zhì)條件分析可知，當(dāng)采用部分充填過空巷技術(shù)時，充填體最大間距為10m，從經(jīng)濟(jì)和安全角度考慮，取安全系數(shù)為1.5，從而確定3204工作面部分充填合理間距為6m。因為充填體長度和強(qiáng)度相互約束，且該空巷所需支護(hù)阻力為6.4MN/m，充填體強(qiáng)度為2.6MPa，故采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分別模擬研究充填體長度為6、8m時對空巷圍巖變形的影響，模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4分析可知，充填體長度為6、8m時，空巷頂板下沉量和工作面?zhèn)认飵妥冃瘟侩S工作面距空巷距離的增加總體上呈減小趨勢，且在工作面距空巷距離大于50m后逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)充填體長度為6、8m時，頂板下沉量分別在工作面距空巷20、10m時達(dá)到最大，最大值分別為87.47、103.28mm；而工作面?zhèn)认飵妥冃瘟烤诰嗫障?m時達(dá)到最大，最大值分別為63.40、151.57mm。底鼓量和實體煤側(cè)巷幫變形量隨工作面距空巷距離的增加總體上呈先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)充填體長度為6、8m時，底鼓量均在工作面距空巷50m時達(dá)到最大，最大值分別為42.14、46.83mm，實體煤側(cè)巷幫變形量均在工作面距空巷30m時達(dá)到最大，最大值分別為29.674、49.4mm。綜合對比充填體長度為6、8m時空巷圍巖變形量可知，充填體長度8m時的空巷圍巖變形量顯著大于充填體長度6m時的空巷圍巖變形量。因此，綜合考慮充填成本和充填效果，確定對空巷進(jìn)行部分充填時充填體的最佳長度為6m。
4工業(yè)性試驗
現(xiàn)場資料表明，采用水灰質(zhì)量比為2.25∶1的高水材料進(jìn)行充填時，24h后充填體強(qiáng)度可達(dá)3MPa，滿足部分充填對充填材料強(qiáng)度的要求。根據(jù)該礦實際生產(chǎn)技術(shù)條件，對3204工作面軌道順槽受空巷影響的200m范圍采用6m充填體長度進(jìn)行部分充填。為了檢驗部分充填過空巷效果，在3204工作面充填區(qū)段液壓支架設(shè)置測站，對液壓支架壓力變化情況進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。圖5工作面距空巷不同距離液壓支架壓力變化情況由圖5分析可知，工作面液壓支架壓力隨工作面距空巷距離的增大呈先快速減小后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。在工作面距空巷100m時，工作面液壓支架壓力約為21.5MPa；而在工作面推進(jìn)至空巷位置時，支架壓力達(dá)到最大值29.33MPa，相對于工作面距空巷100m時增大了約36.41%，這說明受部分充填的影響，隨工作面向空巷不斷推進(jìn)，工作面液壓支架壓力略有增大，但在經(jīng)過空巷后，工作面液壓支架壓力逐漸恢復(fù)至正常水平。另外，在空巷影響范圍內(nèi)工作面支架最大壓力低于支架安全閥開啟壓力，這表明充填體長度為6m的部分充填效果良好，工作面能夠安全快速地穿過空巷。
5結(jié)論
（1）對大采高綜放工作面過空巷時頂板變形情況進(jìn)行分析，指出隨工作面向空巷推進(jìn)，基本頂可能在空巷上方發(fā)生斷裂，導(dǎo)致空巷位置應(yīng)力升高，空巷上方煤巖層發(fā)生斷裂破壞，工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈。（2）提出部分充填過空巷方案，確定了部分充填時充填體的最佳長度為6m。（3）工業(yè)性驗證結(jié)果表明，采用部分充填后，空巷影響范圍內(nèi)工作面液壓支架最大壓力為29.33MPa，低于支架安全閥開啟壓力，工作面能夠安全快速地穿過空巷。
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作者：郭喜斌 單位：大同煤礦集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司