二切巷充填围岩控制技术及应用.pdf

1 工程概况 大斗沟矿三盘区 8201 工作面， 水平标高 886～ 906m， 走向长度 1 368～1 380m， 可采走向长度 1238m，倾斜长度 180m，煤层倾角 1～5，平均倾 角 3。 8201 工作面中部有倾向长度 090m，走向长 度 260m 的煌斑岩地质构造，原开采设计方案为工作 面推进至煌斑岩时，跳过该区域，搬家至已开掘的二 切眼进行回采， 但在该工作面两顺槽掘进揭露后，结 合最新地质条件决定放弃搬家方式，采用正常回采的 方式通过煌斑岩地质构造。 二切眼布置已经完成，尺 寸为 180m7.7m3.1m （ 长宽高），由于断面较 大，为保证工作面通过二切眼期间各项回采工作的顺 利进行，减少矿压带来的影响，二切巷围岩控制技术 亟需解决[1-2]。 2 充填技术关键参数确定 工作面回采过程中，上覆岩层随着工作面推进下 沉、周期性垮落，当工作面推进遇到空巷时，空巷围岩 已处于塑性或破裂状态， 空巷尽管进行了锚网等加 固， 但难以承受工作面推进到此带来的超前支承压 力，顶板和围岩的破坏与原始状态相比破坏势必更加 严重，很可能造成冒顶、片帮等问题。故工作面推进过 程中过空巷问题，需要采取更有利、有效的措施，结合 国内外经验，粉煤低水速凝材料充填空巷的方法是工 作面过空巷的一种安全、高效、经济的方法[3-4]，可以达 到过空巷的减灾效果。 能否成功应用此技术，充填物 的配比和最终强度是关键，需要对充填物力学进一步 实验。 2.1 充填物力学实验 为获得不同配比水泥末煤试样的单轴抗压强度， 为大斗沟矿三盘区山 2层 8201 工作面二切眼充填 材料提供基础数据，开展水泥末煤的配比试验，并利 用岩石三轴试验机进行单轴抗压强度试验。采用普通 硅酸盐 425水泥、末煤、速凝剂和水进行配比试验， 其中末煤通过 0.8mm 筛孔，试验模块按照 混凝土试 二切巷充填围岩控制技术及应用 李 耀 晖 1 . 2 （ 1.大同煤矿集团 大斗沟煤业有限公司 ， 山西 大同 037026 ； 2. 中国矿业大学 能源与矿业学院 ， 北京 100083） 摘要大斗沟矿三盘区 8201 工作面存在煌斑岩，工作面回采设计搬家通过煌斑岩地质构造，由于地 质揭露后，综合研究放弃搬家，正常回采通过二切眼，但二切眼工程已形成，尺寸较大，不采取措施工 作面通过时极可能产生冒顶、片帮等灾害情况，本文通过理论计算、数值模拟等手段，对粉煤低水速凝 材料充填二切眼控制围岩技术进行研究，并应用于工程实践，效果良好，为同类型矿井安全高效通过 二切巷提供了很好的参考经验。 关键词 二切巷充填 ； 围岩控制 ； 数值模拟 中图分类号TD823.7 文献标志码A 文章编号1009-0797 （ 2021）02-0021-04 Control Technology and Application of Surrounding Rock Filling in Second Cut Roadway LI Yaohui 1 . 2 （ 1. Dadougou Coal Company ,Shanxi Datong Coal Industry Group , Datong 037026 , China； 2 . School of Energy and Mining Engineering, China University of Mining and Technology , Beijing 100083 , China） Abstract Lamprophyre exists in 8201 working face of third panel in Dadougou Mine. The original design of mining face is to move through lamprophyre geological structure. Due to the geological exposure, the relocation was abandoned after comprehensive study, and passed through the second cut-off normally. However, the second cut hole project has been ed, and the size is relatively large. If no measures are taken, it is very likely to cause disasters such as roof fall and chipping when the working face passes through. In this paper, the technology of pulverized coal low-water quick-setting material filling secondary open-cut control surrounding rock technology is studied by means of theoretical calcu- lations, numerical simulations, etc., And it is applied to engineering practice. The effect is good, and it provides a good reference experience for the same type of mines to safely and efficiently. Key words two-cut roadway filling ; surrounding rock control ; numerical simulation 2021 年第 2 期煤矿现代化第 30 卷 21 万方数据 模JG237 的规定制作为 70.7mm70.7mm70.7mm 的立方体，24h 后脱模，在室内环境下养护 5d。模块的 具体配比方案如表 1 所示 表 1 模块配比方案 养护 5d 后的试样形态详见图 1。 图 1 脱模后试样形态 利用 TAW-1000kN 微机控制电液伺服岩石三轴 试验机，按照 建筑砂浆基本性能试验方法标准中立 方体抗压强度试验的规定进行。 采用位移控制模式， 加载速率控制在 0.02mm/s。 试样抗压强度结果如下 方案一～方案九试样抗压强度分别为 1.958、3.620、 4.742、3.995、4.510、5.717、3.672、3.530、3.189MPa， 为 工作面二切眼充填材料的选择提供了基础数据。 2.2 充填体稳定性研究 结合 充填材料及其强度研究 等相关文献可 知[5]当采用局部充填法开采时，采空区内除直接顶冒 落外，基本顶一般不冒落，但随着充填体两侧顶板垮 落，垮落高度范围内的覆岩重量基本上由充填体来承 担。由于冒落矸石不接顶，所以采空区矸石并不承载。 假定充填体上受到的载荷相同， 充填体强度也相同， 则可以利用有效面积理论来计算充填体载荷，其计算 过程如式 （ 1） P （ bc）γ H/bγ H （1K） （ 1） 式中b为充填体宽度，m；c为充填间距，m；K为 充填间距与充填体宽度的比值,Kc/b； 为覆岩的体积 力，MN/m3；H为关键层以下岩层厚度，m。 对局部充填开采时充填体的稳定性研究与条带 开采法时煤柱稳定性计算相似。 煤柱强度的计算公 式，最常用的有Obert-Dwvall/Wang欧伯特 - 德沃 / 王公式适用于宽高比为 1～8 的煤柱、Holland浩兰 德公式适用于宽高比为 2～8 的煤柱和 Bieniawski 比涅乌斯基公式。煤柱的强度与尺寸有很大关系，尺 寸越小强度越高，随着尺寸的增加，强度逐渐变小，直 至一个渐进值，称之为强度下限，强度下限一般认为 可代表煤柱的强度，因此，一般可将实验室所测出来 的偏大的强度通过公式 （ 2）来确定强度下限的值 σmσc D 0.9姨 （ 2） 式中σm为立方体煤柱的原位强度，MPa；σc为实 验室试样的平均单轴抗压强度，MPa；D为实验室圆 柱体试样的直径或立方体试样的边长，m。 由上一小节可知，本次实验的立方体试样的边长 为 0.077m，平均单轴抗压强度为 0.99MPa，代入此公 式得到原位强度为 0.290MPa。 结合本二切巷充填体的宽度 b 为 6.5m， 高度 h 为 3.1m，宽高比为 2.0975，所以 n1，则现场实际充 填体的整体强度可按以下公式 （ 3）得出 σp1.2σc 0.640.36 b h 姨姨 1 （ 3） 式中，σc为试验室充填体单轴抗压强度，MPa；b 为充填体宽度， m；h为充填体高度，m；σp为充填体强 度，MPa。 根据极限强度理论， 要保持充填体的稳定性，一 般应有 1.5～2.0 倍的安全系数， 对煤矿局部充填取 2.0， 可得到保持充填体长期稳定性对试验室充填试 块的强度要求 σc≥ 51K 30.640.36 b h ≥≥ 1 γ H 式中充填体宽度b6.5m，充填体高度h3.1m， K为 充 填 间 距 与 充 填 体 宽 度 的 比 值 ,Kc/b 1.2/6.50.18，覆岩体积力γ为 0.026MN/m3，覆岩厚度 H112.20m。 代入数据可以求得σc≥4.128MPa。 故若要保持充填体的稳定性，则理论计算充填试 块的强度不得低于 4.128MPa。 2.3 充填强度数值模拟计算 利用 FLAC3d 数值模拟软件， 建立 8201 工作面 二切眼地质数值模型，模拟开挖二切眼后，围岩应力 场、塑性区和位移场的变化情况，进而为充填强度及 其他提供有力参考依据。 方案名称材料名称材料比值 方案一水泥∶末煤∶速凝剂∶水1∶4.2∶0.04∶0.5 方案二水泥∶末煤∶速凝剂∶水1∶4.0∶0.04∶0.5 方案三水泥∶末煤∶速凝剂∶水1∶3.8∶0.04∶0.6 方案四水泥∶末煤∶速凝剂∶水1∶3.6∶0.04∶0.6 方案五水泥∶末煤∶速凝剂∶水1∶3.4∶0.04∶0.6 方案六水泥∶末煤∶速凝剂∶水1∶3.2∶0.04∶0.6 方案七水泥∶末煤∶速凝剂∶水1∶4.0∶0.035∶0.6 方案八水泥∶末煤∶速凝剂∶水1∶4.0∶0.03∶0.6 方案九水泥∶末煤∶速凝剂∶水1∶4.0∶0.04∶0.6 2021 年第 2 期煤矿现代化第 30 卷 22 万方数据 1）应力场分布规律。 图 2 FLAC3d 地层最大剪应力云图 图 3 FLAC3d 垂直应力云图 从应力场模拟结果来看，二切眼开挖后，围岩出 现了一定的破碎区、塑性区和弹性区，二切巷顶板剪 应力 2.0～3.0MPa，底板剪应力 1.0～2.0MPa，顶板剪 应力普遍大于底板。二切巷围岩剪应力最大位置在二 切眼与工作面巷道交叉处，最大值为 6.3MPa，在该处 极其容易剪切变形破坏，应在此加强支护。 2）塑性区变化规律。 图 4 FLAC3d 地层塑性区云图 模拟结果表明，二切巷的开挖对关键层未造成影 响，关键层未出现塑性破坏，关键层很好的支撑上覆 岩层， 但二切巷周围的煤层和顶板出现了塑性破坏， 破碎区和塑性区在 3～5m， 故围岩应进行加强支护， 防止围岩脱落或者冒顶。 3）位移场分布规律。 图 5 FLAC3d 开挖后地层位移梯度云图 从模拟结果可以看出，二切巷开挖后顶板出现一 定程度的下沉， 直接顶最大下沉量为 100～128mm， 多数下沉量在 40～60mm 之间。故二切眼要加强直接 顶的位移监测，同时要加强支护防止冒顶。 另外可以 看出开挖后直接顶下纵深可直达老顶范围，5 倍巷道 跨距外下沉量基本为 0，所以数值模拟计算要求开挖 后及充填都要达到煤体强度不得低于 5MPa 的强度。 3 方案选择及效果检验 3.1 充填物方案选择 结合上一小节内容，理论计算和数值模拟计算得 出二切巷充填物的强度不小于 4.128MPa 和 5MPa，最 后综合判断充填强度应大于 5MPa， 又结合上一小节 充填物试验结果可知， 强度大于 5MPa 的为方案六， 即水泥 末煤 速凝剂 水的材料比值为 1∶3.2∶ 0.04∶0.6，充填抗压强度为 5.717MPa，满足要求。 3.2 现场应用及效果检验 利用 “ 十字交叉法”测量二切巷围岩变化情况，从 2019 年 10 月 25 日 -12 月 25 日煤体填充施工全部 结束，矿压观测主要在煤体填充前 1 个月、填充期及 填充后 1 个月进行，针对性的统计分析二切眼内巷道 下沉情况。 观测数据显示最大下沉量为 50mm。 在开 采距离二切眼 5m 内，二切巷内未发现明显片帮。 二 切巷内日常观察实拍如图 6 所示。 图 6 二切巷内日常观察实拍图 图 7 二切巷内充填体实割图 开采通过填充区域时，工作面受动压、上覆岩石 运移对顶板破碎、煤壁片帮的影响较小，并未发现明 显的压力变化，工作面于 2020 年 1 月 13 日 -1 月 17 日顺利通过二切巷。 实践证明，通过有效充填使得充 填体能有效的支撑顶板不下沉，释放了部分超前支承 压力，下部顶板在工作面来压前即形成了一定的承载 2021 年第 2 期煤矿现代化第 30 卷 23 万方数据 结构，使得工作面推进过后，来压并不强烈。采煤机能 够顺利地进行采煤，安全地回采了整个工作面。 4 结论 三盘区 8201 工作面二切巷由于尺寸较大， 不采 取措施工作面通过时极可能产生冒顶、片帮等灾害情 况，通过国内外经验、实验室试验、理论计算、数值模 拟和工程应用， 对 8201 工作面二切巷进行粉煤低水 速凝材料充填，从效果上看，二切巷围岩控制效果良 好，工作面通过时无片帮等灾害发生，对煤矿经济、安 全效益、可持续发展做出实质的贡献，也为矿井煤体 再造技术提供了参考依据。 参考文献 ［ 1］蔡嗣经.矿山充填力学基础 ［ M］ .北京冶金工业出版 社,2009. ［ 2］ 刘建庄,赵春景,浑宝炬.胶结充填体自立的受力分析与 研究 ［ J］.有色矿冶, 2008, 24 （ 4） 12- 14. ［ 3］ 王玉峰． 薄煤层石灰岩顶板巷旁充填沿空留巷关键参 数研究与应用［ J］． 煤炭工程，2018，50 7） 5－9． ［ 4］ 谢生荣，张广超，何尚森，等． 深部大采高充填开采沿 空留巷围岩控制机理及应用［ J］． 煤炭学报，2014，39 （ 12）2362－2368． ［ 5］ 李晓彤 . 高固水充填材料承载特性及损伤机理研究 ［ D］. 中国矿业大学，2019. 作者简介 李耀晖 （ 1984-），男，河南南阳人，2013 年 6 月毕业于河 南理工大学，硕士研究生，助理工程师，大斗沟煤业公司综采 一队队长，从事煤炭生产工作。 （ 收稿日期2020-8-7） 屯兰矿 22301 工作面巷旁充填沿空留巷技术研究 刘 亚 军 （ 山西焦煤西山煤电集团有限责任公司屯兰矿 ， 山西 古交 030206） 摘要针对屯兰矿 22301 工作面煤层、顶底板力学性质等生产地质条件，开展巷旁充填沿空留巷无 煤柱开采技术研究，对于解决工作面通风、降低开采成本、减员增效等具有重要的意义。 关键词巷旁充填 ； 沿空留巷 ； 无煤柱开采 ； 巷道支护 中图分类号TD823文献标志码A文章编号1009-0797 （ 2021）02-0024-03 Study on the technology of gob side filling and retaining in 22301 working face LIU Yajun （ Tunlan Mine of Shanxi Coking Coal Xishan Coal Power Group Co., Ltd. , Gujiao 030206 ， China） Abstract according to the production geological conditions of 22301 working face in Tunlan coal mine, such as the mechanical properties of coal seam, roof and floor, it is of great significance to carry out the research on the technology of no coal pillar mining by filling the side of the roadway and retaining the roadway along the goaf, so as to solve the ventilation of the working face, reduce the mining cost, reduce the number of workers and increase the efficiency. Key words filling beside the roadway ; retaining the roadway along the goaf ; mining without coal pillar ; roadway support 0引言 沿空留巷在开采工作中具有十分关键的作用。 当吸附性以及瓦斯参数较大的时候，不但要应用先抽 后采的方法来进行管理，并且由于回采期间现实的瓦 斯所涉及的范围较大，借助 U 型通风来予以处理，通 常情况下能够知识瓦斯产生超标等情况，这会对在运 行期间的安全系数带来较为严重的消极影响，同时还 会大大降低稳定性。 就目前的形式来讲，瓦斯方面的 问题依然没有被彻底解决[1-4]。 在最近几年中，现实开 采尺寸以及频率持续上升，在此影响下，由于瓦斯而 带来的危险也大幅度上升。 屯兰矿目前采用 U 型通风 大直径钻孔抽采采 空区瓦斯的治理模式，瓦斯抽采巷需要经历 2 次采动 影响， 巷道变形量大， 每个工作面需要损失 20m 煤 柱， 煤炭资源损失大，2煤层皮带巷回风， 安全风险 大。 沿空留巷后可实现 Y 型通风，两顺槽进风且完全 无煤柱开采。 2021 年第 2 期煤矿现代化第 30 卷 24 万方数据