綜放工作面過空巷超前支承壓力數(shù)值模擬研究

張中海

（大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西　大同　037024）

引言

近年來，伴隨著煤炭資源不斷整合和日益枯竭，在科學(xué)采礦的大背景下，越來越多的礦井面臨著工作面過空巷回采[1-2]。然而由于相對于普通工作面回采存在的特殊性和研究局限性，工作面過空巷一直是煤礦開采領(lǐng)域的技術(shù)難題[3]，主要表現(xiàn)在：工作面揭露老巷過程中的頂板斷裂特征及穩(wěn)定性同普通工作面相比存在較大的特殊性；由于空巷的存在，工作面推進(jìn)過程中前方煤體的支承壓力環(huán)境不斷發(fā)生變化，巷道圍巖裂隙發(fā)育并發(fā)生較大變形，支護(hù)困難且支護(hù)方式受工作面回采限制；工作面揭露老巷時空頂距迅速增大，且由于原老巷圍巖狀況較差，端面煤巖體控制困難，易發(fā)生大面積冒頂片幫等事故；對工作面支架穩(wěn)定性及正常通風(fēng)等帶來一定程度的影響[4-5]。

1　綜放工作面過空巷數(shù)值模擬分析

1.1　綜放工作面過空巷支承壓力分布規(guī)律研究

綜放工作面推進(jìn)過程中，距離空巷較遠(yuǎn)時，采場前方煤柱仍處于彈性狀態(tài)，只有空巷兩側(cè)較小范圍的煤體受巷道掘進(jìn)影響發(fā)生塑性破壞，此時的支承壓力分布規(guī)律如圖1中曲線1所示。工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)煤柱寬度減小到一定值時，煤柱左側(cè)即圖中Ⅱ區(qū)受空巷影響已進(jìn)入破壞狀態(tài)，煤柱右側(cè)即圖中Ⅰ區(qū)受工作面回采影響也發(fā)生破壞，整個煤柱均發(fā)生塑性破壞而卸載，對頂板的支撐性能迅速降低，并引發(fā)煤柱向空巷方向顯著位移；空巷左側(cè)的煤體由原來承受高壓的彈性區(qū)，衍變?yōu)槠屏褏^(qū)、塑性區(qū)，而且支承壓力向煤體深處轉(zhuǎn)移，煤體也向巷道方向顯著位移，導(dǎo)致空巷變形過大，支護(hù)困難，此時的支承壓力分布如圖1中曲線2所示。

1.2　綜放工作面過空巷支承壓力數(shù)值模擬研究

圖1　采場前方支承壓力變化模型

為得到工作面不斷推進(jìn)時的支承壓力分布規(guī)律及圍巖塑性區(qū)破壞發(fā)展動態(tài)狀況，建立9102綜放工作面過空巷的UDEC數(shù)值計算模型，分別模擬采場距離空巷50m、15m、5m及完全揭露狀態(tài)時工作面前方支承壓力分布和煤巖體塑性區(qū)。模擬初始狀態(tài)選擇未加強(qiáng)支護(hù)前保持良好圍巖狀態(tài)的空巷，部分模擬結(jié)果如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2　工作面距空巷50m時圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布

圖3　工作面距空巷15m時圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布

圖4　工作面距空巷5m時圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布

圖5　工作面距空巷0m時圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布

模擬結(jié)果分析：工作面距空巷50m時，空巷處于采動應(yīng)力場影響范圍以外，圍巖受掘巷及構(gòu)造應(yīng)力擾動，發(fā)生輕度塑性破壞；工作面推進(jìn)至距離空巷15m時，支承壓力峰值出現(xiàn)在煤柱中部區(qū)域，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.9以上，空巷頂板發(fā)生較嚴(yán)重的離層下沉，塑性區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)展；當(dāng)工作面與空巷間煤柱寬度僅5m時，支承壓力峰值跨過煤柱及空巷，實(shí)際表現(xiàn)為老頂?shù)某皵嗔褋韷海藭r空巷頂板失穩(wěn)冒落，對上方煤巖體失去約束，整個煤柱發(fā)生塑性破壞，承載性能迅速下降；煤柱繼續(xù)減小至空巷完全揭露時，采場無支護(hù)梁端距瞬間增大，頂板發(fā)生大范圍垮冒。

2　過空巷期間端面煤巖體控制措施

2.1　保證支架擁有合理的支護(hù)強(qiáng)度

液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度對于保持空巷及采場上方關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性至關(guān)重要，空巷揭露后，支架工應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行微降架帶壓移架方法及時移架，移架完成后迅速將支架升至其額定初撐力，并迅速展平護(hù)幫板；過空巷期間加強(qiáng)工作面支架管理，支架應(yīng)承壓一次擦頂移架并升架到位，減少支架對頂板反復(fù)支撐次數(shù)和影響程度，以防對破碎頂煤形成過度擾動，不利于端面煤體控制。

2.2　有效控制支架擁有合理的幾何位態(tài)指標(biāo)

工作面過空巷期間，合理支架幾何位態(tài)主要是控制梁端距與頂梁俯仰角。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測統(tǒng)計及數(shù)值模擬結(jié)果，梁端距應(yīng)控制在0.2～0.4m，控制措施例如盡可能保持割煤的整齊平直，在采煤機(jī)前方提前1～2架才將護(hù)幫板收起，割煤移架后立即打開護(hù)幫板緊貼煤壁等；控制支架頂梁俯仰角目的之一即為提供足夠的支架水平支護(hù)力，其絕對值應(yīng)不大于5°，以保持支架穩(wěn)定和對頂板的有效控制，若舊巷加固段高度與支架有效高度不符時，支架上方必須打木垛接頂，以保持頂板與支架頂梁間足夠的摩擦力。

2.3　加強(qiáng)支架故障檢測

支架在井下使用過程中，由于工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，加之支架可能存在的不當(dāng)操作，難免出現(xiàn)一些液壓系統(tǒng)故障和支架構(gòu)件損壞。在工作面過空巷長關(guān)鍵塊應(yīng)力環(huán)境下，更加要求支架保持良好的工況條件，因此須在工作面過空巷前對所有支架進(jìn)行構(gòu)件尤其是液壓系統(tǒng)微泄漏故障進(jìn)行全面檢修。

3　實(shí)踐效果分析及結(jié)論

結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場礦壓觀測數(shù)據(jù)，確定9102綜放工作面推進(jìn)至距離空巷50m前就必須完成空巷超前支護(hù)，采場與空巷間煤柱完全進(jìn)入塑性狀態(tài)的寬度約為5m。

[1]錢鳴高.煤炭的科學(xué)開采[J].煤炭學(xué)報，2010，35（4）：529-534.

[2]錢鳴高，曹勝根.煤炭開采的科學(xué)技術(shù)與管理[J].采礦與安全工程學(xué)報，2007，24（1）：1-7.

[3]柏建彪，侯朝炯.空巷頂板穩(wěn)定性原理及支護(hù)技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報，2005，30（1）：8-11.

[4]蘇金元，王曄，楊真.大采高綜采工作面過空巷的控制技術(shù)[J].礦山壓力與頂板管理，2005（4）：104-105.

[5]曹義勇.西曲礦22502綜采工作面過空巷技術(shù)研究[J].煤礦技術(shù)，2009，28（1）：48-50.