武华杰
(太原东山煤电集团 生产(建设)技术处, 山西 太原 030043)
摘 要 某矿缓倾斜煤层开采工作面过空巷可能存在片帮冒顶问题,采用现场监测与数值模拟 相结合的方法对工作面过空巷支护方法进行了研究。 结果表明:随回采工作面推进,煤柱所受应力不 断由煤柱帮侧向深入扩展,应力叠加效应逐渐影响到空巷顶板应力分布,影响趋势随之增加,应力最 高值可达 14. 6 MPa;随着煤柱减小,空巷后方煤体顶板应力表现为平稳—缓慢增加—快速增加发展 特征,对于快速增加阶段,煤柱及空巷存在片帮失稳风险。 据此,针对不同的空巷特征,提出了充填支 柱支护方法。 通过现场实践,随工作面推进,空巷顶底板及两帮位移量较小,巷道稳定性良好。
关键词 缓倾斜煤层;过空巷;片帮失稳;充填支柱支护
采煤工作面过空巷时,工作面顶板应力演化复 杂,对工作面巷道稳定性造成了不利影响,容易导致 片帮冒顶事故的发生。 为确保空巷围岩稳定,田锦 州[ 1] 采用强力墩柱支护技术;张锋[ 2] 采用高水材料 充填空巷;昝宏波[ 3] 采用高水充填、注浆加固方式; 贾正彪[ 4] 选择充填材料灌浆充填空巷。 以上措施都 有效保证了工作面安全、高效地通过空巷。 某矿主采 5 #缓倾斜煤层 416 工作面,由于该工作面在 4165 巷 与 4163 巷之间的地表存在工业场地,目前已计划搬 迁,为此需要对其下部煤量进行开采,以致存在工作 面过空巷问题。 空巷数量多,巷道断面尺寸大,为避 免工作面过空巷时,造成巷道失稳,导致冒顶事故的 发生,亟需开展工作面过空巷支护技术研究。
1 工作面概况
某矿主采 5 #煤层 416 工作面,煤层倾角 0 ~ 5°,煤 层平均厚度为 6. 07 m,工作面走向长 1 230 m,倾向 长 450 m,一次采全高,属于典型的大采高工作面。 煤岩体综合柱状图见图 1. 工作面巷道布置情况见图 2,其中 4162 巷与 4165 巷为进风巷,4163 巷与 4164 巷为回风巷。
图 1 煤岩体综合柱状图
2 工作面过空巷数值模拟分析
2. 1 数值模型构建
工作面回采时,空巷顶板的应力演化特征与常规 工作面不同,受工作面推进的影响,空巷顶板应力发 展处于动态变化过程,为掌握随工作面推进空巷顶板 应力分布 特 征,采 用 数 值 模 拟 手 段 进 行 研 究,采 用FLAC 3D 软件进行分析。 由于与工作面平行的联巷对 工作面影响最为严重,所建立模型以最长的 1 # 联巷 与工作面关系为背景,充分考虑到巷道的尺寸,建立 模型长 155 m×宽 135 m×高 50 m,确定煤体开挖边界 距离空巷 80 m,空巷后方煤体长度为 55 m,空巷尺寸 为长 90 m×宽 5. 5 m×高 5 m,切眼长 90 m,宽 5. 5 m, 空巷内部设置充填支柱尺寸为直径 l m,高 5 m,每排 3 根等距离布置,排距 1. 5 m,岩体力学参数见表 1.
图 2 工作面巷道布置图
表 1 岩体力学参数表
2. 2 数值结果分析
不同的工作面推进距离,空巷顶板垂直应力分布 情况见图 3. 当工作面距空巷 80 m 时,应力集中主要 分布在空巷两侧,呈现对称分布特征,工作面顶板所 受应力以及应力影响范围均较小,应力峰值出现在空 巷顶板帮角位置,约为 8. 5 MPa( 图 3a) ) ;当工作面 距空巷 70 m 时,工作面顶板垂直应力分布范围快速 增加,采场顶板应力表现为“凸” 形变化特征,工作面 超前应力范围程度要高于空巷所在位置,所剩煤柱整 体稳 定 性 良 好, 应 力 峰 值 出 现 在 煤 柱 上 方, 约 为 10. 5 MPa(图 3b) ) ;当工作面距空巷 40 m 时,煤柱 顶板所受垂直应力与空巷顶板垂直应力相互叠加,顶 板 应 力 最 高 值 出 现 在 近 采 空 区 煤 柱 内 部, 约 为 12. 4 MPa,受采动应力影响,空巷两帮煤壁应力也处 于增加趋势,说明此时剩余煤柱承受较大的应力( 图 3c) ) ;当工 作 面 距 空 巷 10 m 时, 剩 余 煤 柱 厚 度 为 10 m,煤柱顶板所受应力表现为“峰” 形分布特征,煤 柱与空巷之间的顶板应力峰值相互叠加,应力最高值 可达 14. 6 MPa ( 图 3d) ) . 综合分析,随回采工作面 推进,煤柱所受应力不断由煤柱帮侧向深入扩展,随 着煤柱尺寸的减少,应力叠加效应逐渐影响到空巷顶 板应力分布,影响趋势随之增加。 特别需要注意,当 煤柱尺寸少于 10 m 时,受超前支撑应力影响,空巷及 煤柱顶板可能存在垮冒风险。
为了分析空巷后方煤层顶板应力变化特征,不同 距离下煤层顶板应力变化情况见图 4,选取空巷后方 5 m、10 m、20 m 及 30 m 应力变化情况进行分析。 当 工作面推进 40 m 时(剩余煤柱宽度 40 m) ,空巷后方 煤体处于初始应力状态,并未受到前方工作面采动影 响;当工作面推进 60 m 时( 剩余煤柱宽度 20 m) ,空 巷后方煤体顶板应力缓慢增加,表明当煤柱宽度小于 40 m 时,后方煤体将受到采动应力影响;当工作面推 进 60 ~ 80 m 时,后方煤体应力快速增加,特别是过空 巷以后,煤体顶板应力峰值随着距空巷距离的增加, 分 别 可 达 16. 8 MPa、 14. 6 MPa、 13. 9 MPa 与 11. 2 MPa. 综合分析,对于空巷后方煤体,随着煤柱 减小,应力表现为平稳—缓慢增加—快速增加发展特 征,当剩余煤柱宽度小于 10 m 时,空巷应力剧增,说 明此时煤柱及空巷已发生破坏,为此在工作面过空巷 时,在煤柱剩余 20 m 之前,应对空巷加强支护,防治 片帮及冒顶危害的发生。
3 空巷支护方法
根据数值模拟分析结果,随着工作面推进与煤柱 尺寸的逐渐减小,空巷及煤柱可能发生片帮冒顶风险,为了保证工作面顺利过空巷,需对空巷进行支护 加固。
图 3 不同工作面推进距离下空巷顶板垂直应力分布图
图 4 不同距离下煤层顶板应力变化曲线图
3. 1 空巷支柱充填可靠性要求
根据上述研究成果,为保证充填支柱的可靠性, 其性能方法应满足如下几个方面的要求:
1) 支柱内部采用充填材料进行浆体充填,根据 支柱尺寸 的 不 同,充 填 支 柱 内 径 分 别 为 0. 55 m 与 0. 45 m,支柱内充填材料的水灰比为 1. 2 ∶ 1,对于充 填料浆的使用量应达到 545 kg / m 3 ,以保证充填支柱 的支撑强度。
2) 充填料浆的胶凝时间应控制在 5 min 以内, 固化时间应控制在 18 min 以内,以减少胶凝时间,避 免支柱承载较大压力,发生倾倒失稳情况。
3) 根据数值分析结果,支护强度应满足 7 d 不 小于 14. 5 MPa,21 天不小于 17 MPa.
4) 使用双液泵送方式储备充填料浆,单液存储 周期不小 2. 5 h,以避免充填管堵塞,同时采取就近输 送、充填方式;支柱充填接顶时,在料浆中加入相应的 发泡膨胀材料,使充填体满足让压需求。
3. 2 联巷支护方法
对于联巷的支护,在连接口位置布置 3 排支柱,其 中第 1 排布置 6 个支柱,第 2 排布置 4 个支柱,第 3 排 布置 3 个支柱,支柱间距为 1 m,排距为 0. 8 m,支柱直 径 0. 6 m;第 4 排与第 5 排每排布置 2 个等直径支柱, 支柱间距 1. 4 m,排距 1. 5 m,左侧支柱距巷道边帮 0. 7 m,右侧支柱距巷道边帮 1 m;第 5 排以后每排布置 2 个非等直径支柱,根据巷道顶板变形程度左侧要比 右侧严重,故设置左侧支柱直径 0. 6 m,右侧支柱直径 0. 5 m,支柱间排距 1. 5 m,支柱布置方式见图 5.
图 5 联巷充填支柱布置图
3. 3 进风巷支护方法
工作面进风巷主要包括 4162 巷与 4165 巷,巷道 平均长度为 650 m,对于其距工作面前端 250 m 范 围,由于煤柱较厚,采取锚索梁加固支护方式,对于后 400 m 采取充填支柱支护方式,与联巷接口位置,在 接口 中 心 布 置 4 排 支 柱, 支 柱 排 距 1. 2 m, 间 距 1. 6 m,直径 0. 6 m;中心向外两侧各布置 2 排支柱, 每排布置 3 个支柱,支柱间排距与中心位置一致,直 径 0. 6 m;其余部位每排布置 2 个支柱,排距 2 m,间 距 1. 8 m,支柱直径 0. 5 m,支柱布置方式见图 6.
图 6 进风巷充填支柱布置图
4 现场支护效果分析
现场采用上述充填支柱支护方法后,对联巷顶底 板及两帮位移情况进行监测,监测结果见图 7.
图 7 支柱受力监测结果图
由图 7 可知,随着工作面煤壁与联巷距离的减 小,巷道顶底板及两帮位移整体表现为增加趋势,以 巷道两帮移近量增加最为显著,巷道顶板下沉量与底 鼓量比较接近,当联巷距工作面煤壁约为 10 m 时,顶 板下沉量约为 183 mm,底鼓量约为 164 mm,两帮移 近量最大约为 235 mm,可以发现,通过支柱充填支 护,当煤柱剩余 10 m 时,联巷整体变形较小,均在允 许变形范围内,巷道稳定性良好。
5 结 论
1) 当工作面距空巷 7 m 时,煤柱顶板应力表现 为“凸”形变化特征,应力峰值约为 10. 5 MPa;当工作 面距空巷 10 m 时,煤柱顶板所受应力表现为“峰” 形 分布特征,煤柱与空巷之间的顶板应力峰值相互叠 加,应力最高值可达 14. 6 MPa. 随着煤柱尺寸的减 小,应力叠加效应逐渐影响到空巷顶板应力分布,影 响趋势随之增加。
2) 对于空巷后方煤体,随着煤柱减小,应力表现 为平稳—缓慢增加—快速增加发展特征,当剩余煤柱 宽度小于 10 m 时,空巷应力剧增,说明此时煤柱及空 巷已发生 破 坏,为 此 工 作 面 过 空 巷 时,在 煤 柱 剩 余 20 m 之前,应对空巷加强支护。
3) 通过 现 场 监 测,空 巷 支 护 方 法 在 现 场 应 用 后,空巷顶板最大下沉量约为 183 mm,最大底鼓量 约为 164 mm,两 帮 最 大 移 近 量 约 为 235 mm,联 巷 整体变形较 小,巷 道 稳 定 性 良 好,取 得 了 良 好 的 支 护效果。
参 考 文 献
[ 1] 田锦州. 特厚煤层工作面过空巷强力墩柱支护技术研究及应用[ J] . 煤炭工程,2021,53( 12) :45-48.
[ 2] 张 锋. 注浆充填技术在综采工作面过空巷中应用[ J] . 煤炭与化工,2021,44( S1) :12-14.
[ 3] 昝宏波. 综采工作面过空巷支护技术研究[ J] . 当代化工研究,2021( 10) :59-60.
[ 4] 贾正彪. 南岭煤矿综采工作面快速过空巷技术研究及应用[ J] . 煤炭科技,2020,41( 3)
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱介绍
【联 系 人】：苏女士
【联系电话】：18075188209
乾坤矿装的便携式螺旋支柱是一款矿井临时支护设备，是矿井适用的金属单体支柱。
便携式螺旋支柱由五部分组成：上承压板、上支柱、螺杆、下支柱、下承压板。
具有轻便、结构简单、价格实惠、可回收反复使用、可远距离拆除等特点。
上承压板：
尺寸：63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
上承压板主要用于增大支柱与顶板的接触面积，从而加大支柱承压重量。四个触角有利于加大支柱在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
下承压板：
下承压板尺寸与上承压板尺寸相同：
63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
下承压板主要用于增大支柱与底板的接触面积，从而加大支柱承压重量。中心的回环有利于加大支柱下承压板与下支柱的契合，加大在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
上支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于下支柱，上支柱稍长。
下支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于上支柱，下支柱稍短。
支柱常用的规格型号有：1.5米，1.8米，2.米，2.5米，3米，3.5米。
便携式螺旋支柱的含义：以1.5米为例，金属钢管直径有48和63两款，最高支撑高度为1.5米。该款支柱可支撑1-1.5米范围内的任意高度，其他以此类推。
钢管直径越大，支柱承重越大，可支撑高度越高；支柱高度越高，支柱承重越小。
螺杆：
支柱的螺杆由螺纹钢特制而成。
特制螺杆，尺寸为80厘米，安装在支柱上以后主要用来保证支护的升缩，一般升缩在50厘米之间。我们确认的型号为拉升后可支撑的高度，比喻63-3.5.就是这根支柱最高可支撑3.5米的高度，最低可支撑3米的高度，之间可以拧动螺杆拉升，可以支撑3-3.5米之间的任意高度。
在螺杆的中间有4个齿状设计，主要是方便员工使用时升缩方便。
乾坤矿装的这款便携式螺旋支柱，参数经过多次试验和客户使用数据验证的，正是因为这个原因，培新矿机的这款支柱不能超高度超承载能力使用，超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故；也正因为这个原因，本着客户至以上，一切从客户的利益出发的原则，培新矿机不提供定制和特殊规格的制作。为此，很多客户不理解，指责我们不满足客户需求。
其实，这款支柱自从研发十年来，我们的客户遍布全国各地，得到了客户的一致好评，虽然我们拒绝过不少的客户，但十年来，我们从没有因为质量和使用问题接到客户投诉，是一款轻便、简单、实用、实惠的好产品。
便携式螺旋支柱适用范围：
1、所有采场风爆工、出渣工、支护工作业时；
2、顶板破碎、倒三角节理发育、岩石不稳固的掘进工程作业时；
3、巷道破碎进行永久支护前。
便携式螺旋支柱使用方法和要求：
1、作业人员经过通风 、洒水、处理完松石后方可进行螺旋支柱支护；对上盘不稳固的采场要用锚杆和螺旋支柱结合支护。
2、支护时首先要根据矿体倾角或岩石破碎情况选择好支柱使用地点，在支柱的上下端均垫加长度适宜的木板，沿进入作业面的方向向前逐根支护，调整支柱顶住顶底板，用套管将丝杠拧紧确认无误后，方可进行作业。对当场用两根撬棍也无法撬下、需动炮处理的松石，对顶板破碎及上下盘围岩滑帮比较明显的采场，对上部有采空区的地点，必须进行加密支护。
3、便携式螺旋支柱支护时必须根据作业面的采幅宽度和顶板压力来确定使用支柱的数量，每个矿房不少于15根螺旋支柱。2米以上采幅采用双排支柱支护，1.5米以下的采幅采用单排支护，但不论是单排还是双排支柱支护，顶部都必须加承压板、木板等护住顶板，以加大接触面积。
4、便携式螺旋支柱不能超高度超承载能力使用（具体要求见附表），超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故。
5、作业过程中，作业人员要经常检查丝杠松紧和顶板变化情况，及时将支柱拧紧，确保作业安全。
6、风爆工装药结束后，要按顺序由前向后依次拆卸支柱并清点数量；拆卸支柱时要及时观察顶板变化情况，发现异常立即停止拆卸，迅速撤离。
7、出渣工和支护工作业完毕后，须对丝杠重新紧固确认无误方可离开作业现场。撤下来的支柱须将螺母调至最低点，将丝杠置于套管内进行防护。
便携式螺旋支柱使用规定
1、无论作业现场的岩石结构是否存在危险，出渣工、风爆工在进行采矿或掘进作业时必须使用、支护工在顺路支护时必须使用、使用时必须按照上述方法规范支护。
2、把螺旋支柱的使用作为作业现场安全确认的重要内容，带班长或跟班领导必须在确认卡上填写支柱使用情况。
3、螺旋支柱要作为工具进行管理，要及时涂油防锈。使用时必须轻拿轻放，不得随意乱扔。
4、支柱外表出现损伤（如开裂、压扁、明显弯曲等）不能继续使用。
【联 系 人】：苏女士
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