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        充填支柱在大采高工作面過(guò)空巷支護(hù)的應(yīng)用

        2020-12-16 07:42:50馬晉元
        山東煤炭科技 2020年11期
        關(guān)鍵詞:寺河空巷泵送

        馬晉元

        (山西晉煤集團(tuán)寺河礦,山西 晉城 048000)

        由于過(guò)去在煤炭開(kāi)采過(guò)程中工作面設(shè)計(jì)不合理、開(kāi)挖探巷等原因,使得現(xiàn)有工作面在推進(jìn)過(guò)程中遇到大量的空巷[1-2]??障锬昃檬?,圍巖承載能力差,尤其在大采高工作面通過(guò)空巷時(shí),頂板活動(dòng)劇烈,使得空巷頂板下沉、冒落嚴(yán)重,常常會(huì)造成支架倒架和壓架事故,影響工作面安全回采[3]。目前晉煤集團(tuán)寺河礦5301 大采高工作面在推進(jìn)過(guò)程中遇到多條空巷,采用打木垛、煤壁超前注漿加固等支護(hù)方式已不能控制空巷嚴(yán)重變形,威脅工作面安全回采。對(duì)比采用改變工作面布置、加強(qiáng)老巷支護(hù)等傳統(tǒng)方式,充填支柱具備初撐能力大、操作簡(jiǎn)便、泵送能力強(qiáng)以及便于采煤機(jī)回采的特點(diǎn),能夠適用于空巷來(lái)壓快、來(lái)壓劇烈等支護(hù)需求,從而提高工作面過(guò)空巷的效率和安全性[4-5]。本文以寺河礦大采高工作面過(guò)空巷為工程背景,對(duì)大采高工作面充填支柱支護(hù)空巷技術(shù)展開(kāi)研究,為相似工程提供參考依據(jù)。

        1 工程概況

        寺河礦5301 工作面為一次采全高綜采工作面,煤層平均厚度6.0 m,傾角2~8°,工作面傾斜長(zhǎng)度296.3 m,推進(jìn)長(zhǎng)度1 549.5 m。煤層地面標(biāo)高+550~+710 m,煤層底板標(biāo)高+280~+345 m?;卷敒? m 厚的細(xì)粒砂巖,直接頂為3.5 m 厚的粉砂巖,偽頂為0.6 m 厚的炭質(zhì)泥巖。5301 工作面在回采過(guò)程中需要通過(guò)四條空巷,具體空巷位置及工作面布置如圖1 所示。其中,5#和8#橫川空巷平行于工作面傾向,長(zhǎng)度約為40 m;6#橫川空巷與工作面傾向夾角約45°,長(zhǎng)度約49 m;另一條空巷53017巷垂直于工作面傾向,長(zhǎng)度約為194 m。

        圖1 空巷位置及工作面布置

        2 空巷應(yīng)力演化規(guī)律及支柱參數(shù)設(shè)計(jì)

        在大采高工作面推進(jìn)過(guò)程中,由于受超前支承壓力的影響,在空巷與工作面接近區(qū)域應(yīng)力升高,造成空巷圍巖變形、破壞,在工作面過(guò)空巷時(shí)發(fā)生冒頂、煤壁片幫。因此,應(yīng)研究工作面在推進(jìn)過(guò)程中超前支承壓力影響下,空巷的應(yīng)力變化規(guī)律,為空巷充填支柱支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)、支柱時(shí)機(jī)等提供理論依據(jù)。

        2.1 空巷應(yīng)力演化規(guī)律

        采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬工作面在逐漸揭露空巷過(guò)程中超前支承壓力分布影響范圍,得出空巷受工作面推進(jìn)影響下的應(yīng)力分布規(guī)律。數(shù)值模擬得出從距離空巷100 m 處直至到達(dá)空巷位置時(shí)頂板應(yīng)力變化曲線,如圖2 所示。

        圖2 頂板應(yīng)力隨工作面推進(jìn)變化曲線

        圖3 充填支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

        從圖中可以看出,隨著工作面逐漸推進(jìn),空巷圍巖應(yīng)力逐漸升高。在距離空巷10~20 m 處,頂板應(yīng)力快速增長(zhǎng),來(lái)壓明顯;在距離空巷5 m 左右時(shí),空巷頂板應(yīng)力增長(zhǎng)速率有所放緩,達(dá)到峰值并逐漸趨于穩(wěn)定。最大主應(yīng)力為13.38 MPa,Z 方向應(yīng)力為13.72 MPa。由此可以得出,在現(xiàn)有支護(hù)條件下,工作面在過(guò)空巷時(shí)無(wú)法保證回采工作的安全性,應(yīng)采取充填支柱支護(hù)措施控制頂板圍巖變形,保證工作面安全通過(guò)空巷。

        2.2 空巷充填支柱參數(shù)設(shè)計(jì)

        (1)充填支柱高度、直徑確定

        根據(jù)寺河礦地質(zhì)資料,空巷高度在4.5 m 左右。根據(jù)充填支柱應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),將充填支柱的直徑確定為1 m,高度確定為4.5 m,高度可隨空巷頂?shù)装鍡l件做出適當(dāng)調(diào)整。

        (2)充填支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        為保護(hù)充填支柱在不規(guī)則瞬間動(dòng)壓的影響下不破壞,應(yīng)在充填支柱上方設(shè)計(jì)有起接頂、讓壓作用的讓壓接頂層。讓壓接頂層強(qiáng)度應(yīng)低于充填支柱承壓整體強(qiáng)度,在頂板來(lái)壓時(shí),適當(dāng)釋放頂板壓力,給予頂板活動(dòng)空間,防止充填支柱整體破壞。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及充填支柱尺寸,將讓壓接頂層高度設(shè)計(jì)為200~300 mm。支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。

        3 充填支柱材料研發(fā)

        工作面回采至空巷時(shí),采煤機(jī)將空巷支柱與煤體直接回采。因此,為保證回采煤炭質(zhì)量,空巷充填支柱采用無(wú)機(jī)礦粉材料。充填支柱材料主要由硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、石膏以及其他增稠劑、調(diào)凝劑組成。硅酸鹽水泥主要保證充填支柱后期強(qiáng)度形成,硫鋁酸鹽水泥則提供較高的早期強(qiáng)度,在石膏的存在下,為水泥熟料提供快速反應(yīng)條件。材料水灰比可調(diào),能夠在0.8~2.0:1 范圍內(nèi)調(diào)整,簡(jiǎn)化施工工藝,做到一種材料施工即能滿(mǎn)足充填支柱和讓壓接頂層的性能需求。充填支柱材料不同水灰比條件下抗壓性能見(jiàn)表1。

        從表中數(shù)據(jù)可以看出,隨著水灰比的提高,充填材料的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。根據(jù)現(xiàn)有支護(hù)經(jīng)驗(yàn),同時(shí)參考數(shù)值模擬結(jié)果,充填支柱的承載能力應(yīng)不低于17 MPa。因此,為起到節(jié)約施工成本的目的,確定充填支柱的水灰比為1.0:1,其28 d 抗壓強(qiáng)度為18.36 MPa。讓壓接頂層強(qiáng)度應(yīng)低于充填支柱整體強(qiáng)度,但仍要起到支護(hù)頂板的作用,因此讓壓接頂層水灰比確定為1.5:1,其28 d 強(qiáng)度12.53 MPa,在頂板來(lái)壓時(shí)受力變形,提供頂板一定活動(dòng)空間,釋放頂板壓力。

        表1 充填支柱材料不同水灰比條件下抗壓強(qiáng)度參數(shù)

        4 工程應(yīng)用及效果考察

        4.1 充填支柱支護(hù)方案設(shè)計(jì)

        根據(jù)寺河礦地質(zhì)資料,在三條橫川共計(jì)四條空巷布置充填支柱。

        參考寺河礦空巷地質(zhì)條件和充填支柱應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),根據(jù)設(shè)計(jì)的支柱高度、直徑,將充填支柱在三條橫川空巷中的布置參數(shù)確定為:沿空巷走向布置兩排支柱,呈“三花”交錯(cuò)布置,每排支柱間距1500 mm,排距1700 mm,距回采側(cè)煤壁500 mm,距另一側(cè)煤壁700 mm;53017 空巷充填支柱按照雙-單-雙布置,在巷道正中間布置一排支柱,在兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置兩排支柱,兩側(cè)支柱距煤幫750 mm,支柱走向間距均為2500 mm,對(duì)稱(chēng)兩排支柱間距為1500 mm。上述距離均為支柱邊緣間距離,具體布置如圖4 所示。

        圖4 充填支柱布置示意圖

        4.2 充填工藝

        充填支柱材料為無(wú)機(jī)單液材料,泵送能力強(qiáng),在施工過(guò)程中采用泵送的方式進(jìn)行充填。按照充填支柱布置方案,在巷道頂板金屬網(wǎng)上懸掛支柱充填袋,同時(shí)利用木條均勻捆扎于充填袋四周,保證充填袋與頂?shù)装宕怪?。之后進(jìn)行充填支柱材料預(yù)制漿,漿液通過(guò)注漿泵泵送到充填位置附近,經(jīng)過(guò)三通分別泵送至兩個(gè)支柱充填袋內(nèi),在一定程度上提高了施工的安全性和可控制性。

        4.3 支護(hù)效果考察

        在工作面推進(jìn)到空巷附近時(shí),為了考察充填支柱支護(hù)空巷效果,對(duì)工作面在揭露直至通過(guò)6#橫川空巷期間液壓支架支護(hù)阻力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5 所示。

        圖5 過(guò)空巷期間支架工作阻力變化

        從圖中可以看出,工作面在接近直至通過(guò)空巷期間,工作面支架工作阻力比較平穩(wěn),過(guò)空巷期間呈略微下降趨勢(shì),未出現(xiàn)異常增大現(xiàn)象。這表明空巷頂板得到有效控制,無(wú)頂板斷裂、冒落和壓架現(xiàn)象。工作面過(guò)空巷后,可能改變了工作面來(lái)壓步距,支架工作阻力有所上升,但均低于8000 kN,無(wú)異?,F(xiàn)象。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采煤機(jī)回采至空巷充填支柱時(shí)并未出現(xiàn)來(lái)壓過(guò)大、壓垮支柱的現(xiàn)象,表明支柱參數(shù)設(shè)計(jì)合理,能夠很好地控制空巷頂板變形,保證了工作面安全通過(guò)空巷。

        5 結(jié)論

        (1)利用數(shù)值模擬軟件研究了工作面接近空巷過(guò)程中空巷頂板應(yīng)力變化規(guī)律,提出利用充填支柱支護(hù)控制空巷頂板支護(hù)技術(shù)措施,并依據(jù)地質(zhì)條件及模擬結(jié)果設(shè)計(jì)了充填支柱參數(shù)及結(jié)構(gòu)。

        (2)根據(jù)充填支柱的性能需求,研發(fā)了水灰比可調(diào)范圍大的充填支柱材料,實(shí)現(xiàn)一種材料即可達(dá)到充填支柱和讓壓接頂層的性能需求。材料可泵送能力強(qiáng),施工工藝操作簡(jiǎn)便。

        (3)空巷經(jīng)過(guò)充填支柱支護(hù)后,在工作面通過(guò)空巷期間,支架工作阻力比較平穩(wěn),現(xiàn)場(chǎng)無(wú)充填支柱破壞現(xiàn)象。表明充填支柱參數(shù)設(shè)計(jì)合理,能夠控制頂板變形,保證工作面安全通過(guò)空巷。

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