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充填空巷围岩特征及工业性试验研究

2024-08-14 34 上传者：管理员

摘要：工作面过空巷时，容易发生大范围来压，造成空巷片帮、冒顶、支架倒塌等安全事故。以同生安平煤矿1213-1工作面为工程背景，采用数值模拟的方法，对木垛支护与超高水材料填充空巷后的围岩变形特性进行全面对比，经现场测试后得出：回采过程接近空巷时，木垛支护基本失效，空巷高度仅为0.3～1 m，巷道变形严重，顶底板移近量达2 500～3 200 mm；而采用超高水材料作为充填空巷的方法后，空巷顶底板移近量由3.5 m减少为1.5 m，可有效地提升空巷围岩的总体强度。

关键词：
三维数值模拟
围岩变形
工作面过空巷
木垛支护
超高水材料充填
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1、地质概况

同生安平煤矿1213-1采面位于2#煤1级1采区，采场下埋深为219～309 m，可回采长度为397 m，工作面长为174 m。1213-1采面伪顶由厚0.05～0.3 m的黑炭质泥岩组成，在开采过程中与煤层同步垮落。2#煤直接顶为灰白色中细粒级的K2砂岩，其中有的直接与煤层接触，直接顶厚从8.2～15 m不等，平均为11.75 m。2#煤直接底为深灰色泥岩，平均厚为2.6 m。该采区以一层夹矸为主，煤层的倾角在14°～27°之间，平均为20°。回采时，要穿过一条空巷，该空巷长度为180 m左右，故必须对1213综放面过空巷时的受力特性进行深入研究，并采用合理的控制方法，以保证采面顺利通过空巷[1]。

2、不同控制方式下充填空巷围岩特征模拟

利用FLAC3D软件对不同控制模式下的采场进行三维数值模拟和分析[2]。

2.1 木垛支护空巷围岩应力和位移特征

随着工作面的向前移动，2#煤层在木垛支护的情况下的竖向应力分布可以看出：

(1）当工作面与空巷距离为12 m时，在没有木垛支护的空巷周围，垂直应力比在没有木垛支护的情况下要小，没有木垛支护的垂直应力约为18 MPa，而有木垛支护的垂直应力约为15 MPa。与此类似，当空巷与采场的间距降至4 m时，在不使用木垛支护的情况下，垂直应力约为18.4 MPa，而有木垛支护的情况下，垂直应力约为16.4 MPa。

(2）当采场回采接近空巷时，一般都存在较大的垂直应力，仅靠木垛支护很难对空巷的稳定性进行有效控制。

对回采面不同距离下5个观测点的垂直应力数据进行分析，具体数据如图1所示。在与没有木垛支护的空巷相比，总体变化趋势及数值差异不大，例如测线3中没有木垛支护的竖向应力峰值是13.4 MPa，而有木垛支护的空巷则达到13.17 MPa。这进一步表明，使用木垛支护对改变空巷垂直应力影响很小，并且在靠近空巷时，强采动应力还会引起空巷围岩大范围破坏[3]。

图1 随工作面开采木垛支护空巷顶板垂直应力变化

随工作面回采过程木垛支护空巷顶板变形量如图2所示，与没有木垛支护的空巷相比，空巷顶板变形区随着工作面距空巷间距的减少而逐渐增大，特别是在二者间距小于30 m时，顶板变形更加明显；在工作面距空巷4 m的位置时，木垛支护空巷相对于没有木垛支护，顶板最大沉降量约为1.3 m，而没有木垛支护的情况下，其最大沉降量为1.5 m，沉降下降幅度并不显著，但围岩破坏依然严重。

图2 随工作面回采过程木垛支护空巷顶板变形量

2.2 超高水材料充填空巷围岩应力和位移特征

超高水材料充填技术是将超高水材料加入水中，配制成两种以水为主要成分的高流动性浆体（水含量95%以上），在即将进入充填区前按比例进行混合，使流入充填巷道的混合浆体能在有效时间内进行胶结、凝聚，从而达到设计强度，控制围岩变形。

采用超高水材料充填体的水灰比为6:1，胶结体24 h以后的单轴抗压强度在1.2 MPa以上，每立方米约消耗的超高水材料为175 kg。超高水材料充填系统主要由三部分组成，分别是高供压定量水箱、高速搅拌机和输浆管路，同时具备定量加水、高速搅拌和泵送等功能要求。充填设备由300 L定量水箱2台，高速制浆机2台，输浆管路组成。输浆管路采用φ65消防水管，耐压0.8 MPa。将两个定量水箱通过钢丝绳悬挂在巷道顶板或两帮或水平放置在平台上，两台高速搅拌机布置在两侧，将出浆口朝向待充填巷道，水箱出水口位置要高于高速制浆机进水口。从高速搅拌机接单液输浆管路（φ65消防水管），然后两趟单液管路一同接入混合三通，三通出口与混合管路连接，混合管长度大于20 m，确保充填材料混合效果，消防水管末端接预设好的PE管。

当使用超高水材料在空巷中充填后，随着工作面的向前推进，2#煤的底板在不同距离的垂直应力分布可以看出：

(1）当工作面到空巷的间距减少到12 m时，没有木垛时的垂直应力约为17.1 MPa，而在使用超高水材料充填后垂直应力则约为15.6 MPa；当空巷与工作面的间距减少到4 m时，在不使用木垛支护的情况下，垂直应力约为18.2 MPa，而有木垛支护时，垂直应力约为16.4 MPa；而使用超高水材料填充的情况下，垂直应力约为15.2 MPa，垂直应力有了明显的下降。

(2）超高水材料充填后，空巷顶板更加紧密，所以比木垛更能保证空巷围岩的稳定性[4]。

在工作面回采期间，对5个监测线上不同距离的垂直应力进行分析，结果如图3所示。图中数据表明，测线3中没有木垛支护下的垂直应力峰值是13.1 MPa，采用木垛支护后的垂直应力峰值是13.17 MPa，而超高水材料充填后的垂直应力峰值是13.34 MPa。从垂直应力变化来看，差异很小，超高水材料填充空巷后，空巷围岩稳定性得到加强，空巷围岩的垂直应力也随之增大。

图3 随工作面开采超高水材料充填空巷顶板垂直应力变化

随着工作面的开采，超高水材料填充的空巷周围岩层的变形规律如图4所示，其变化规律与木垛支护时相似，即空巷顶板的变形随着工作面距空巷间距的减少而逐渐增大；不同之处在于，工作面与空巷间距小于50 m时，顶板沉降速度迅速增大，在工作面距空巷12 m时，最大沉降可达到0.64 m；在工作面距空巷4 m的位置，顶板的最大沉降值为0.98 m，其最大变形值比木垛和没有支护加固的两种方法要小。这表明，超高水充填材料可以密实地充填空巷，从而提高空巷围岩强度，稳定其总体结构，更有利于工作面安全通过空巷。

图4 随工作面回采过程超高水材料充填空巷顶板变形量

2.3 木垛支护空巷和超高水材料充填空巷围岩塑性区比较

从以上分析的结果可以看出，在综放工作面开采期间，从木垛支护空巷及超高水材料填充空巷的垂直应力及顶板变形特点来看，超高水材料填充对空巷的控制作用要优于前者。为了对采动过程中的两种剪切破坏范围进行深入分析和对比，重点对模拟过程中受剪切破坏的单元体积数据进行对比分析。从图5中可以看出，超高水材料填充空巷后，围岩的总体强度提高，各单位的剪切破坏面积总体上比较一致，如图5(a）所示。但是，在没有加固和采用木垛支护的情况下，空巷的剪切和塑性波动的幅度比较大。此外，超高水材料填充空巷后围岩的整体强度更高，在工作面开采过程中，单元的剪切性损伤面积要比没有加固和采用木垛支撑的大，如图5(b）所示。以上模拟结果证明了超高水材料填充可以提升空巷的整体强度，从而保证工作面安全通过空巷。

3、不同控制方式下空巷围岩控制效果分析

对工作面中间的空巷采用两种不同的加固方法，并分析空巷围岩控制效果。其中：靠近顺槽的50 m采用木朵支护，剩余全部采用超高水材料充填。

图5 空巷不同加强支护时围岩剪切塑性破坏体积比较

3.1 木垛支护的围岩控制效果

对采用木朵支护的空巷进行变形监测。在空巷中设置了顶板离层测量仪及巷道围岩变形监测点，在回采之前，空巷中顶板离层测量仪显示值没有显著改变，通过对巷道围岩变形的观察，得到了最大变形量为100 mm。为防止1213-1综放采区在通过平行段空巷时出现顶板破断，对1213-1综放采区进行了前后角度的调整，使其机头超前机尾距离20 m。在综放机头回采接近空巷，尤其是从离空巷2 m时，空巷顶板在顶板压力作用下发生了剧烈的压缩变形，甚至没有发挥出应有的支护作用，空巷变形较大，巷道高度仅为0.3～1 m，出现移近量2.5～3.2 m的大范围变形，部分地区出现了顶板失稳漏顶，基顶岩石脱落，造成工作面支架倒伏难以向前推进，严重影响了采场的正常安全开采。现场监测表明，木垛支护在控制空巷围岩方面的作用极其有限[5]。

3.2 超高水材料充填空巷的围岩控制效果

超高水材料充填在工作面46#支架上进行了暴露，暴露区段的顶板高度最高可达2.1 m，最低可达1.2 m；在回采过程中，回采工作面破回采区段底板300～500 mm。通过对回采过空巷进行综合整治，实现了残余煤柱稳定，充填体对顶板的有效支护，取得了较好的效果。在1213-1采面距离回风顺槽的空巷入口40 m处，开始记录空巷压力的监控数据。

(1）采动应力特征

从工作面离空巷41 m开始，到离开空巷14 m，顶孔三个矿压监测压力值没有任何变化，始终是0；通过分析可以看出，在回采过程中过空巷时，空巷内的顶板没有出现超前压力。

根据数据观察到，7号压力表的显示值从65下降到26,9号压力表的显示值从25下降到4,8号压力表的显示值从50下降到40。

在开采过程中，暴露空巷充填区初始顶板破碎，受压较大，充填物被压实，并出现渗水现象，充填区中间部分比较完整。在远离回风顺槽空巷出口的地方，帮部压力逐渐降低，顶板压力不发生变化；在回风顺槽空巷口，顶板存在着明显的下陷现象，4号矿压监测仪上的压力值也随之增大。

(2）变形特征

在超前回风顺槽联巷的两边5 m范围内，各设置1个巷道表面移动观测点，通过交叉布点法测定巷道表面移动值，对超高水充填体材料的充填效果进行研究。结果表明，进风顺槽测点位于未充填区域侧，回风顺槽位于充填区域侧，数据如图6所示。

图6 巷道变形监测结果

从图6可以看出，没有充填区一侧的巷道变形监测值比充填区一侧的要大，这表明空巷充填的效果良好，可以发挥出很好的支护作用。

4、结论

1）通过对1213-1工作面回采时不同控制模式下过空巷进行三维数值模拟，结果表明：当工作面距离空巷4 m时，不使用木垛支护的情况下，垂直应力约为18.2 MPa，有木垛支护时，垂直应力约为16.4 MPa；而在超高水材料填充后，垂直应力值约为15.2 MPa，垂直应力值有比较明显的下降，顶板最大沉降约为0.97 m，且最大变形比没有加强支护和木垛支护的两种模式都要小。

2）通过现场工业实验发现，在开采面距离空巷2 m时，巷道的变形可达2 500～3 200 mm，木垛对空巷的支护作用几乎失效，受采动压力后巷道高度仅为0.3～1 m；而采用超高水材料填充空巷后，巷高变形从3.5 m降低到1.5 m，从而有效地保证了工作面过空巷的安全性和稳定性。

参考文献:

[1]王敏.工作面运用密闭墙与充填支护过横川技术实践[J].江西煤炭科技,2023(2):24-26.

[2]张宇. 8418综采工作面过空巷充填工艺研究[J].山东煤炭科技,2023,41(1):70-72.

[3]杨文忠.高水材料充填在综采工作面过空巷中的应用研究[J].煤,2022,31(10):69-70,78.

[4]李朝珑.高水充填材料在回采工作面过空巷中的应用[J].江西煤炭科技,2022(2):54-56.

[5]张煜.无机材料充填空巷技术和应用效果分析[J].江西煤炭科技,2023(1):16-18.

文章来源:窦圆平.充填空巷围岩特征及工业性试验研究[J].江西煤炭科技,2024,(03):61-64.