超高水材料长壁工作面充填开采顶板控制技术

许猛堂,张东升,3,马立强,王旭锋,张 炜

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室,江苏徐州 221116;3.新疆大学地质与矿业工程学院,新疆乌鲁木齐 830046;4.中国矿业大学物联网研究中心,江苏徐州 221116)

超高水材料长壁工作面充填开采顶板控制技术

许猛堂1,2,张东升1,2,3,马立强1,2,王旭锋1,2,张 炜4

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室,江苏徐州 221116;3.新疆大学地质与矿业工程学院,新疆乌鲁木齐 830046;4.中国矿业大学物联网研究中心,江苏徐州 221116)

为研究充填工作面长度对岩层控制效果的影响,指导长壁工作面充填开采实践和为围岩变形控制提供依据,基于超高水材料的基本性能试验,利用差分法薄板理论建立了超高水材料长壁工作面充填开采顶板活动力学模型,得到关键层的预计变形量,分析充填工作面长度对关键层变形及破坏的影响,提出了长壁工作面充填开采顶板控制理念。研究结果表明:采空区顶板下沉最大挠度值随着工作面长度的增加而增加;要维持关键层不发生断裂,必须保证工作面长度和控顶长度在一定范围内。对比冀中能源陶一煤矿充1～5工作面(工作面长度50～60 m)和充6工作面(工作面长度120 m)充填开采实际情况,提出并应用地面充填系统构建、充填液面提高、隔离带设置、工作面锚网索支护4种长壁工作面顶板控制技术,有效地抑制了顶板变形,同时保证了良好的充填效果。

超高水材料;长壁工作面;顶板控制;地面充填系统;薄板理论

Key words:superhigh-water material;longwall working face;roof control;surface filling system;thin plate theory

近年来,随着煤炭资源可持续发展理念的加强,充填开采因为能够有效解决地表沉陷等问题,已成为解决“三下”压煤问题的重要途径之一[1]。国内许多学者结合充填开采工程应用研究取得了大量成果,文献[2－4]在分析综放沿空留巷围岩结构模型的基础上,提出了巷内充填沿空留巷技术,并利用空间锚栓加固网技术保证了充填体的稳定性。文献[5－7]提出了综合机械化固体充填原理和方法,并将自行研发的相关充填采煤系统和装备,成功应用于工程实践。文献[8－9]根据膏体胶结体的特性,研究了固体废物膏体充填不迁村采煤法。文献[10－12]对超高水材料性能、充填方法及其充填系统进行了深入的研究。

然而,对长壁工作面充填开采的基础研究较少,类似报道也较为鲜见。充填工作面长度的加大,使得充填开采的难度逐渐增大,特别是充填能力的配套和工作面围岩变形控制等方面,涉及地表沉陷控制、充填支架合理选型、充填工艺设计、充填方法改变及充填系统重新构建等众多问题。本文也正是基于此,以超高水材料充填开采为研究对象,利用差分法薄板理论建立充填工作面顶板力学模型,分析充填工作面长度对顶板垮落及下沉量的影响,提出了长壁工作面充填开采顶板控制的新方法,并成功应用于现场实践,为长壁工作面充填开采围岩控制提供理论和技术依据。

1 工程背景

邯矿集团陶一煤矿充1～6工作面位于七采区南翼,停驷头村保护煤柱范围内,对应地表有村庄房屋建筑、冲沟、梯田,2号煤平均厚度约为2.4 m,倾角10°～13°,埋深315.1～365.9 m。2号煤层上方直接顶为泥岩与粗粉砂岩互层,平均厚度约为4.8 m,基本顶(关键层)为粗粉砂岩,平均厚度约为10.6 m,直接顶与关键层具有较好的稳定性。工作面沿2号煤层倾向布置,充1～5工作面走向长50～60 m,倾向长约220 m。充6工作面走向长120 m,倾向长330 m。煤层顶底板柱状图如图1所示。

充6工作面和充1～5工作面相比,充填开采的主要难度为:①工作面充填速度为2 m/d,充6工作面较充1～5工作面单位时间充填量增加了1倍,而陶一矿充1～5工作面均采用井下充填系统,该系统受井下空间限制,充填系统规模不大,充填能力难以满足充6工作面生产要求。②在推进距离相同时,充6工作面的顶板下沉量较大,减少了充填空间,影响充填效果,同时缩短了关键层的断裂步距,要保持关键层不发生断裂,又必须加大材料充填量,从而进一步要求加大充填系统的充填能力。

图1 煤层顶底板柱状图Fig.1 Geological column of coal seam

2 充填开采关键层变形板模型的建立

针对超高水材料不同固化发展过程,将采空区划分为悬顶区、初凝区、过渡区与固化完成区4个区间,如图2所示,悬顶区是指顶板没有被充填到的一段区间;初凝区的充填材料呈浆体状态,对顶板基本没有支撑力;过渡区对顶板有一定的支撑作用,其变形量大小与各阶段充填体性能有关;固化完成区的充填体能够和直接顶垮落岩石形成密实胶结体,处于三维压缩应力状态,其变形量很小,可忽略不计[11]。2号煤实际开采过程中悬顶距约为14 m,超高水材料达到稳定时间为7 d左右,工作面充填速度为2 m/d,过渡区间距离为14 m、初凝区为2 m。

图2 充填示意Fig.2 Schematic diagram of filling mining

直接顶在开采过程中随着工作面的推进逐渐垮落,充填体对关键层起直接支撑作用。为了对比分析充6工作面和充1～5工作面充填开采难易程度,利用薄板差分法理论[13]建立关键层弯曲变形模型。如图3所示,按边长为h的正方形网格划分,ABCD即为研究的岩板(关键层)。区域CDFE受上覆岩层均布载荷q作用,长度为悬顶区和初凝区长度总和;而区域ABFE受充填支撑力p(x)和均布载荷q共同作用,长度即为过渡区长度。由于关键层ABCD有一定的角度θ,则q,p(x)可分解为沿岩板法向载荷q1,p1(x)和倾向载荷q2,p2(x),法向荷载q1,p1(x)对岩板的下沉挠度有加大作用,但倾向荷载所产生的下沉挠度很小[14]。

图3 倾斜关键层差分法板模型Fig.3 Plate model of tilt key strata based on difference method

设模型有i×j个结点,固支边wi,j=0,由边界条件:

ABFE为充填支撑区,运用Winkler弹性地基梁模型推导出该区结点的弹性曲面差分方程为

式中,kn为不同时间充填体的弹性系数;M为采高。

kn可通过超高水材料固结体力学力学性能试验获得,模型共有i×j个结点,共有(i－2)×(j－2)个未知数,代入式(1)～(3)可得到每个点的差分方程,建立(i－2)×(j－2)元一次代数方程组,用Matlab软件编制的计算程序可解此组方程,得充填板模型每个结点的下沉挠度。

3 超高水材料弹性系数kn的确定

为了获得充填体各阶段的弹性系数,对材料进行单轴压缩条件下应力－应变关系试验。超高水材料取自徐州万方矿山科技有限责任公司,材料的型号为DFPM与DFPK。超高水材料配比为水体积95%,水取自实验室处理过的自来水,养护温度为19℃,水温为18℃。制备1～7 d共7组试样,每组准备4个试样。试件制作与加载过程如图4所示,不同时间超高水材料断裂前应力－应变曲线如图5所示,kn在1～7 d对应的值分别为9.3,48.6,124.8,197.2,243.6, 286.7,324.6 MPa。

图4 试件制作与加载过程Fig.4 Specimen preparation and loading

4 结果分析

由图1及现场资料可知,关键层厚为10.6 m,弹性模量为55 GPa,泊松比为0.25,根据组合梁理论[15]可计算q为0.81 MPa,关键层倾角β=12°,超高水材料各阶段弹性系数kn值在上文3中列出。充6工作面和充1～5工作面悬顶距为14 m,过渡区距离为14 m、初凝区距离为2 m,则b=30 m,工作面长度a为60,120 m时,取h=1,代入式(1)～(3),根据Matlab计算可得薄板的下沉挠度,如图6所示。

沿走向中线方向充6工作面和充1～5工作面关键层下沉挠度的变化规律如图7所示。

图5 不同时间超高水材料应力－应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of superhigh-water material in different time

图6 关键层弯曲挠度曲线Fig.6 Bending deflection curves of critical layer

图7 走向中线方向关键层弯曲挠度曲线Fig.7 Bending deflection curves of critical layer along strike midline direction

由图6和图7可以看出:充填体对关键层的变形有较大的抑制作用,充填部分关键层下沉较为缓慢,而悬顶区关键层下沉量较大。且下沉最大值随着工作面长度的增加而增加(60,120 m挠度最大值分别为48.4,69.6 mm),表明充6工作面较之充1～5工作面充填空间减少明显。

关键层岩板所受最大弯矩产生于长边中部位置,根据式(4)可得关键层所受最大弯矩值为

根据式(4)中弯矩值可计算不同工作面走向长度a及空顶长度b对关键层板模型最大拉应力的影响情况,如图8所示。由图可知,关键层所受最大拉应力随着工作面走向长度a和控顶长度b的增大而增加,陶一矿充1～6工作面关键层为粗粉砂岩,其抗拉强度RT约为5 MPa,对应图中红线则表示关键层破断分界线,分界线上部分表示关键层稳定区,而分界线下部分小块范围域表示关键层破断区,要保持关键层不发生断裂,必须维持工作面走向长度a和控顶长度b在一定范围内。以充1～6工作面为例,在控顶长度b为30 m时,充1～5工作面关键层能形成稳定结构而充6工作面关键层则发生破断,要使充6工作面关键层不断裂,需减小悬顶长度,则须进一步加大充填系统的充填能力。

图8 不同工作面长度及控顶长度对关键层所受最大拉应力的影响Fig.8 Maximum tensile stress of key layer in different mining face length and roof hanging distance

5 长壁工作面充填开采顶板控制

针对充6工作面充填开采实际情况,原有的1～5工作面的充填工艺、充填方法及充填系统已经难以解决充6工作面充填开采顶板控制及地表沉陷问题。为了保证充6工作面的充填效果,分别从提高材料充填能力和降低顶板围岩变形两个方面着手,提出构建地面充填系统、提高充填液面、设置隔离带、工作面锚网索支护等4种长壁工作面充填开采顶板控制技术。

5.1 构建地面充填系统

充填系统建于井下时,受井下空间和环境因素制约,整个系统体积不能太大,则无法满足长壁工作面充填的需要,且材料储存和运输也不便利,而充填系统建在地面时,系统布置不受场地条件影响,构建容易,充填材料的储存、运输都很方便。

图9为地面充填系统示意,主要借鉴于井下充填系统构建的成功经验,在材料充填能力、制浆自动化系统等方面进行了改进,图中主要包括浆料输送系统、混合系统及制备系统等。

图9 地面充填系统示意Fig.9 Filling technique system

矿井设计输送浆体能力设计可达320 m3/h,按充6工作面平均充填率90%、采高2.4 m、工作面走向长度120 m、日推进距离2 m计算,日充填量为518.4 m3。矿井有效充填时间按6 h/d计算,充填系统输送浆体能力须大于86.4 m3/h,地面充填系统充填能力完全满足需求,而井下充填系统难以满足充填要求。

5.2 提高充填液面

充6工作面倾斜角度为12°,其充填效果对于煤层倾角大小的依赖性较高,传统的充填浆体液面平行充填支架尾端,如图10所示(充填液面1),因此充填效果不稳定。针对这种仰斜充填开采的特点,通过利用支架的尾梁和掩护梁,部分或全面提高采空区内的充填液面高度进行了试验(图10中充填液面2)。

图10 抬高液面充填开采示意Fig.10 Elevation level filling mining

试验结果表明抬高液面充填开采时,采空区垮落空间减小,明显降低了悬顶长度,向后灌注的距离较短,在实际操作过程中,容易提高充填率。

5.3 布置隔离带,变长壁为“短”壁

为了控制顶板下沉量及增大充填率,在工作面支架后方布置2～3个混凝土隔离带,将工作面充填区分割为3～4个充填区域,如图11所示。充填时将各个充填区域由上到下依次充填,将长壁工作面变为“短壁”工作面,可以有效的减小顶板变形且大大增加的浆体充填率,其缺点是工程造价较高,由此可以看出架设隔离带可以有效的提高充填率,保证充填效果。

图11 工作面隔离带充填示意Fig.11 Working face partition filling

5.4 工作面锚网索支护,提升充填空间

采用架前煤壁铺网的方法,对采空区顶板进行支护,控制直接顶的下沉变形量,使采空区有更大的充填空间,以期向采空区充填尽可能多的浆体,从而达到限制采空区顶板及覆岩层的下沉作用。自工作面初采期间,工作面自煤壁铺网,第一排网与开切眼支护的顶网连接,铺网使用机器压制的“井状”网片,同时工作面打设顶锚杆,顶锚杆长2.4 m,间排距为750 mm×750 mm,顶锚杆以木柱帽来增加与顶板的接触面,使其能够更好的固定铺网,锚索采用ϕ15.56 mm×7 000 mm,间排距为1 000×1 000 mm,确保了铺网的有效性,如图12所示。

图12 工作面顶板支护Fig.12 Working face roof support

充填工作面锚网索支护增强采空区顶板的稳定性,提高围岩的自身承载能力,抑制顶板变形及破断,极大地增加了采空区充填空间,同时为液压支架承担了部分载荷,保证了架后施工的安全性。

6 应用效果

陶一矿充6工作面实际开采过程中,利用构建地面充填系统、提高充填液面、工作面锚网索支护等长壁工作面顶板控制技术,取得了良好的充填效果。

6.1 地表变形观测

充6工作面倾向长度330 m,走向宽度120 m,观测站于2011年8月建立,由于该工作面位于村庄下方,受地形条件限制,站点主要以农村道路、电线杆为主,充6工作面地表下沉盆地及下沉等值线如图13所示。

图13 充填面地表下沉盆地及下沉等值线Fig.13 Subsidence basin and isolines of No.6 filling face

实测数据表明地表下沉量最大值为126 mm,下沉系数为0.05,水平变形值最大达到0.28 mm/m,倾斜变形值最大达到0.93 mm/m,地表下沉盆地波及范围明显减小,下沉盆地沿工作面倾向产生偏态而非对称,能够有效地控制地表沉陷。

6.2 巷道围岩变形观测

图14是工作面推进时,中间观测巷围岩变形情况。

图14 巷道围岩变形Fig.14 Roadway deformation

通过观测可知,中间巷围岩变形量总体较小,巷道围岩变形主要集中在巷道两帮变形。两帮基本保持完整,局部产生片塌,片塌深度为0.1～0.3 m,两帮最大移近量为222 mm;观测巷顶板完好,顶底板相对移近量最大为20 mm,工作面推进至测站4～6 m时围岩变形相对较明显。可见,运用长壁工作面充填开采顶板控制技术后,充填采空区顶板的活动得到了很好的抑制,上覆岩层的移动变形和离层程度有明显降低。

7 结 论

(1)利用薄板小挠度理论建立超高水材料长壁工作面充填开采顶板活动力学模型。充填采空区顶板下沉量最大值随着工作面长度的增加而增加;要保持关键层不发生断裂,必须维持工作面长度和悬顶长度在一定范围内,工作面长度增加时顶板的垮落步距降低明显且材料充填率有所下降。

(2)比较充6工作面(工作面走向长度120 m)和充1～5工作面(工作面走向长度50～60 m)充填开采难易情况。针对充6工作面充填困难程度的大幅增加,提出构建地面充填系统、提高充填液面、设置隔离带及工作面锚网索支护等长壁工作面充填开采顶板控制技术。

(3)通过运用该顶板控制技术,保证了工作面良好的充填效果。充6工作面地表变形实测数据表明,地表下沉系数0.05,水平变形值最大达到0.28 mm/m,倾斜变形值最大达到0.93 mm/m,能够有效地控制地表沉陷;两巷变形观测表明,顶板完好,两帮基本保持完整,局部片塌,片塌深度为0.1～0.3 m。

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Roof control technology for longwall filling mining of superhigh-water material

XU Meng-tang1,2,ZHANG Dong-sheng1,2,3,MA Li-qiang1,2,WANG Xu-feng1,2,ZHANG Wei4

(1.School of Mines,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining,Ministry of Eduation,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;3.College of Geology and Mining Engineering,Xinjiang University,Ürümqi
830046,China;4.IoT Perception Mine Research Center,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China)

To analyze the impact of filling face length on strata controlling,direct the practice of longwall filling mining,and provide basis for deformation control of surrounding rocks,based on the basic properties of the material,the authors built the mechanical model of overburden strata movement in the filling minning of superhigh-water material to obtain the predicting bending deformation of key strata and analyze influence of filling mining face length on the deformation and fracture of key strata,and proposed roof control philosophy of longwall filling minning by thin plate theory of difference method.The studies show that the roof subsidence of mining goaf increases with increasing length of mining face distance,and the key strate may keep stable structure without breaking at a certain range of the length of mining face and roof distance.Through comparing the mining geological condition of No.1－5 and No.6 filling coalface in Taoyi Coal Mine of Jizhong Energy Group,four longwall roof control techniques of surface filling system construction,filling level elevation,isolation strip setting and bolt-mesh-anchor support of mining face were proposed and applied,which can not only effectively inhibit roof deformation,but also guarantee the good filling effect.

TD322

A

0253－9993(2014)03－0410－07

许猛堂,张东升,马立强,等.超高水材料长壁工作面充填开采顶板控制技术[J].煤炭学报,2014,39(3):410－416.

10.13225/ j.cnki.jccs.2013.0688

Xu Mengtang,Zhang Dongsheng,Ma Liqiang,et al.Roof control technology for longwall filling mining of superhigh-water material[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):410－416.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0688

2013－05－22 责任编辑:王婉洁

国家自然科学基金资助项目(51264035,51004101);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2013QNB24)

许猛堂(1986—),男,江苏连云港人,博士研究生。E－mail:xmtcumt@126.com