边角工作面过多空间关系空巷施工技术研究_崔礼韬.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 1研究背景 山西长治经坊煤业公司 3- 边角 05 工作面 （边角 煤开采工作面 ） 现开采 3 煤层， 该面设计可采长度为 670m， 切眼长度为 168m， 平均采高为 2.2m， 工作面采 用走向长壁后退式综合机械化放顶工艺回采， 全部垮 落法管理顶板。 采用 ZF2600/16/24B型液压支架支撑 顶板， 共安装 114 架支架。由于边角工作面回采时没 有工作面了， 而回风巷道和轨道巷留的回采煤柱比较 宽， 具备开采条件， 故回采过程连同回风巷和轨道巷 的部分回采煤柱一同开采， 所以支架要过回风巷与轨 道巷， 工作面布置如图 1 所示， 其中26、 27、 28 号架过 轨道大巷， 56、 57、 58 号架过回风大巷。 采煤机型号为 6MG200- W 型； 工作面采用 SGZ- 630/2110 型可弯 曲刮板运输机；运输顺槽为原五采区皮带运输大巷， 布置一部 SZB- 730/75 型转载机和 DSJ- 800/2*55 皮带输送机运煤。 该工作面推进过程已通过一个正断层和向斜复 合地质构造， 2018 年 5 月 20 日， 正常推进时， 监测数 据显示顶板周期来压持续的时间和持续距离变长， 顶 板开始出现缓慢的下沉， 之后下沉量逐渐增大， 且下 沉速度变快。由地勘报告可知 工作面推进过程中会 通过两条与该工作面分别平交和半立交的废弃空巷， 此时遇到的空巷为与之平交的空巷，通过此空巷后 200m将再通过一条与之半立交的空巷。本文通过数 值模拟分析方法, 将对安全、快速通过该多空间关系 空巷的相关问题进行研究。 图 1工作面布置图 2数值模拟分析 为了保证工作面顺利通过与之平交和半立交的 边角工作面过多空间关系空巷施工技术研究 崔 礼 韬 （山西长治经坊煤业公司 ，山西 长治 047100 ） 摘要 山西长治经坊煤矿 3- 边角 05 工作面正常回采时先后通过与之平交和半立交空巷，采用 FLAC3D 数值模拟软件对工作面推进至空巷前 15m、 12.5m、 10m、 7.5m 以及 5m 和 2.5m 时, 空巷顶板 及围岩的应力变化及塑性变形区域的变化进行研究，研究得出距离空巷 12.5m时空巷顶板开始发生 破断， 且塑性破坏范围开始变大， 到距离空巷 2.5m时应力释放完成， 破坏范围不再增大， 并提出通过 提前联接金属网的预防措施以及通过平交空巷和半立交具体技术措施确保工作面安全通过空巷。 关键词 边角工作面 ； 空巷 ； 数值模拟 ； 技术措施 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0005- 03 Research on Construction Technology of Empty Space in Excessive Space Relationship of Corner Working Face CUI Litao （Shanxi Changzhi JingfangCoal IndustryCompany , Changzhi 047100 , China ） Abstract During the normal mining of the 3- corner 05 working face of the Changzhi Jingfang Coal Mine in Shanxi Province, the FLAC3D numerical simulation software was used topush the working surface tothe front of the empty road 15m, 12.5m, 10m, 7.5. When m and 5m and 2.5m, the stress change ofthe roofand surrounding rock and the change ofplastic deation zone are studied. It is found that the roof of the 12.5m space- time lane starts to break, and the plastic damage range begins to increase. When the distance is 2.5m, the stress release is completed, the damage range is no longer increased, and the preventive measures for connecting the metal mesh in advance and the concrete technical measures toensure the safe passage ofthe workingface through the emptylane are proposed. Key words corner workingface ; emptylane ; numerical simulation ; technical measures 5 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 空巷， 采用 FLAC3D数值模拟软件的方式对该工作面 过空巷的岩层力学性质进行研究， 对工作面推进至空 巷前 15m、 12.5m、 10m、 7.5m 以及 5m 和 2.5m 时,空巷 顶板及围岩的应力变化及塑性变形区域的变化进行 研究。 2.1模型建立 根据工作面的煤岩层力学特性 （见表 1 ） ， 设置模 型的长度为 318m， 宽度为 200m， 高度为 80m， 模型划 分 299200 个单元， 累计 412620 节点， 由下至上依次 为底板、 煤层、 直接顶、 上覆岩层， 上覆岩层的力为均 布荷载， 侧压系数设定为 1， 根据煤岩层力学特性设 置为 4.02MPa。建立库伦摩尔本构模型， 将 x 轴方向 定为工作面推进方向，根据经验，切眼处向前推进 30m时顶板力学状态会达到一个相对稳定状态， 所以 选择采空区长度为 30m， 实体煤取 60m， 原因是经验 分析得出开采对采空区的影响范围不会超过 60m。 数 值模拟的模型图如图 2 所示。 图 2数值模拟模型图 表 1煤岩层力学特性表 2.2数值模拟过程及分析 数值模拟的方案设计研究的内容为工作面推进 至空巷前 15m、 12.5m、 10m、 7.5m 以及 5m 和 2.5m 时, 煤柱应力的变化规律， 煤柱支撑应力分布变化如图 2 所示。随着边角工作面推进离空巷距离逐渐减小， 煤 柱宽度随之减小， 煤柱对顶板的承载力降低， 由采空 区顶板、煤柱形成的砌体梁结构稳定性遭到破坏， 采 空区顶板矿压现象及破断失稳的风险加剧。 由图 3 可看出， 煤柱宽度比较大 （15m 和 12.5m ） 时， 距离空巷比较近处的垂直应力较大， 采煤工作面 应力值较小， 且应力分布呈不规则的 “马鞍形” ， 随着 工作面推进， 距离空巷距离变小， 煤柱支撑力应力集 中现象开始显现，且应力集中逐渐于靠近空巷侧， 应 力峰值变化为先增加后减小。这表明在此过程中， 煤 柱支撑应力的变化引起了工作面与空巷间岩层力学 性能的变化， 应力逐渐集聚， 岩层由弹性变形逐渐向 塑性破坏变化， 发生塑性破坏前， 应力集中的峰值有 所降低， 发生塑性破坏后， 应力不再释放， 逐渐降低。 图 3推进过程中不同宽度煤柱支承应力分布 工作面向空巷推进过程发生塑性破坏的情况,如 图 4 所示。 由图 4 可知 当边角工作面距离空巷 15m 时， 边 角工作面推进方向前方煤岩层及空巷围岩塑性破坏 范围比较小， 为 5～6.5m， 此时空巷顶板未发生破断， 说明此时空巷受工作面推进的影响较小；推进至 12.5m 时， 塑性破坏的范围开始增大， 空巷顶板开始 发生破断， 工作面受空巷影响开始明显； 推进至距空 巷 2.5m 的过程中，空巷顶板破断高度由 2m 增加到 5m， 且为逐渐递增的过程， 推进至 2.5m 时塑性破坏 范围不再增加， 应力不再释放。 由此可见，随着工作面距离空巷的距离逐渐减 小， 空巷受工作面推进的影响逐渐增大， 直到工作面 推进至距离空巷 2.5m时，空巷顶板的塑性破坏达到 最大。为保证工作面过空巷的安全性， 必须提前采取 相关措施进行防范。 3过空巷技术措施分析 过空巷常见的措施有 提前联接金属网、 提前对 空巷区支护。 3.1提前联接金属网 （a ） 工作面距空巷 15.0m（b） 工作面距空巷 12.5m 岩性 容重/ （kg/m-3） 粘结力 /MPa 内摩擦 角/ 抗压强 度/ MPa 泊松 比 剪切模 量/ MPa 体积模 量/ MPa 砂质泥岩24401.434100.3532002800 含砾粗砂岩26004.528400.2949006200 中粗砂岩24004.130600.319224150 粉细砂岩21002.331260.2611703500 煤14000.4358.10.44761400 粉砂岩20002.333180.2921603400 中砂岩25003.729320.2740003700 6 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 （c ） 工作面距空巷 10.0m（d） 工作面距空巷 7.5m （e） 工作面距空巷 5.0m（f ） 工作面距空巷 2.5m 图 4工作面靠近空巷过程煤柱及空巷围岩塑性变形情况 无论空巷与工作面切眼位置呈任何关系， 必须至 少提前 5 米将空巷与切眼对应区域进行联网， 保证在 通过空巷时， 金属网在支架顶部后柱位置。金属网对 过空巷起到至关重要关系， 各班需严把质量关， 搭接 要合理， 必要时铺设双层金属网， 尤其在割煤过程中， 严加管理， 防止出现采煤机绞网， 移架时将网顶破等 情况， 出现破口时要及时补联。待金属网移至支架尾 梁落地后， 可根据现场顶板完好情况， 及时利用尾梁 插板将金属网扎破进行放煤， 如顶板破碎时， 则不可 将金属网扎破放煤。 3.2平交关系时推进技术措施 提前 15m 对空巷区域进行支护，支护材料选用 φ18mm， 长短合适圆木和单体液压支柱， 垂直于工作 面推进方向支设，排距以 1m 为宜，柱距以 0.8m 为 宜， 支护高度不得低于 2.3m， 接顶不实时及时绞顶， 保证支护强度。距空巷 12.5m前， 调整工作面机头和 机尾推进进度， 将工作面调斜， 使机头和机尾推进进 度相差 7～8m， 调斜完后， 加快空巷区域推进进度， 直 至推进空巷区域，支架钻入木料下方来控制顶板， 控 制采煤机割煤速度在 1m/min， 割一架移一架， 紧跟采 煤机前滚筒移架， 并逐架回收单体液压支柱。调斜的 目的在于减少空巷内顶板压力， 避免空巷整体与工作 面切眼对接， 造成顶板压力过大， 将支架压死或推进 困难等情况。 3.3半立交关系时推进技术措施 提前 15m 对空巷区域进行支护，根据现场实际 情况支护方法有两种①在空巷区域底板上铺设假 顶， 利用厚度不低于 5cm， 长度不小于 3m 的木板提 前沿工作面推进方向铺设， 木板不留间隙， 木板上方 铺设金属网。②利用 φ18mm， 长短合适圆木和单体 液压支柱进行超前支护，排距以 1m 为宜，柱距以 0.8m为宜， 随工作面推进逐步增设。在割煤过程， 在 支架前梁上方铺设厚度不低于 50mm，长度不小于 3m的木板， 超前移架来控制顶板， 预防前方冒顶。 4结语 边角工作面过多空间位置关系空巷时， 施工风险 更大。 随着工作面推进， 距离空巷的距离越近， 空巷顶 板会由于受到采动影响而产生应力集中现象， 从而发 生塑性破坏。对于此类问题应引起足够重视， 应提前 分析问题， 采取必要的防治措施， 确保煤矿安全、 高效 生产。 参考文献 [1] 张自政， 柏建彪， 韩志婷， 等.空巷顶板稳定性力学分析及 充填技术研究 [J]． 采矿与安全工程学报， 2013， 30 （2） 194－198。 [2] 谢生荣， 张广超， 张守宝， 等.大倾角孤岛综采面支架－围 岩稳定性控制研究[J].采矿与安全工程学报， 2013， 303 343－347。 [3] 武越超， 韦志远， 谭英明， 等.空巷影响下回采巷道围岩稳 定性及支护设计研究 [J]. 煤炭科学技术， 2016， 44 （5） 128－132， 19. 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