APP下载

霍尔辛赫煤业工作面过空巷加固技术研究与应用

2020-06-10王云霄

山东煤炭科技 2020年5期
关键词:空巷砌块阻力

王云霄

(山西霍尔辛赫煤业有限责任公司,山西 长治 046600)

1 工程概况

山西霍尔辛赫煤业有限责任公司主采3#煤层,煤层厚度4.89~6.32m,均厚5.65m,煤层平均埋深549m,采用综采一次采全高回采工艺。即将回采的3601 工作面倾斜长度191m,推进长度1546m,在推进至770m 处需过3603 综采工作面回风措施巷空巷,推进至800m 处需过3603 综采工作面运输顺槽措施巷空巷。3603 回风措施巷与3603 运输顺槽措施巷两条空巷巷道属全煤巷,沿巷道顶板掘进,巷道断面为矩形,巷道长191m,宽4.6m,高3.1m。3601 工作面空巷原有支护方式为锚网索梁联合支护,3601 工作面回采期间面临过平行空巷的问题,过空巷期间如果处理不当将存在压架、工作面煤壁片帮、回采巷道变形严重等问题。

2 工作面过空巷顶板稳定性分析

工作面正常回采期间,其基本顶需重复经历破断、回转下沉、稳定等阶段,假设工作面过空巷期间,其基本顶破断过程如图1(a)所示。随着采煤工作面和空巷间煤柱宽度的减小,当煤柱内的压力达到其承载的极限时,煤柱在较短的时间内失去其支承能力,基本顶悬露长度增大,达到或超出其极限断裂步距,在煤柱上方或空巷上方断裂,形成岩块A、B、C。岩块C 基本已经压实稳定,岩块A 未破断,工作面的回采、推进伴随着岩块B 的破断、回转下沉,若岩块B 发生滑落和转动失稳,将引起空巷及工作面顶板急剧下沉,矿山压力显现剧烈。因此,为实现工作面安全过空巷,基本条件是空巷内支护结构和工作面给予岩块B 足够的支撑力,防止岩块B 发生滑落或转动失稳。

根据工作面过空巷期间其基本顶的破坏、运移特征,岩块B 对于工作面是否能够安全过空巷异常关键,对岩块B 的受力状态进行简化:岩块B 与岩块A、C 之间为铰接接触,岩块B 长度为工作面基本顶周期断裂步距,工作面液压支架和空巷内支护体系直接给予岩块B 支撑力。因此空巷基本顶的受力特征可以简化为如图1(b)所示。为防止岩块B 滑落或转动失稳,岩块B 的受力需满足TAtanφ ≥QA,其中tanφ 为岩块间的摩擦因数,取0.2;TA、QA、TB、QB分别表示岩块B 与岩块A、C 之间的水平力和剪切力。

图 1 工作面过空巷顶板垮落模型

为防止岩块B 失稳须满足公式[1]:

式中:

TA/a-接触面上的平均挤压应力,MPa;

η-因岩块在转角处的特殊受力条件而取的系数,取 0.3;

a-岩块B 与岩块A、C 的接触高度,为0.2m;

σc-岩块的抗压强度,取60MPa。

将以上参数带入式(1) 计算可得TA≤3.6MPa,根据受力极限平衡原理可得岩块B受力需满足以下计算公式[2]:

式中:

l-岩块B 长度,即周期来压步距,m;

q-岩块B 及其上部软弱岩层单位长度的自重,MN/m;

q0-直接顶单位长度自重,MN/m;

P1,P2-空巷和工作面支护阻力,MN/m,P1作用于0.5b,P2的合力作用于d/3。

b、d-空巷和工作面支护控顶宽度,m。

根据现场实际情况,将3601 工作面详细的参数带入式(2),计算可得空巷支护阻力P1与空巷宽度b、工作面液架支护阻力P2之间的关系分别如图2 所示。根据图2(a)所示结果可知,空巷所需支护强度基本上与空巷宽度呈线性关系,随着空巷宽度的增大,所需的支护阻力也不断增大。工作面正常回采条件下,液压支架工作阻力应为4200kN,当空巷宽度为4.6m 时,液压支架工作阻力需不小于8500kN,而3601 工作面现有液压支架额定工作阻力为5200kN,显然支护强度无法满足过空巷的要求。图2(b)所示结果为空巷支护阻力P1与工作面液架支护阻力P2之间的关系。工作面液压支架工作阻力为5200kN 时,空巷内需提供3300kN 的支护阻力,因此,为了保证工作面安全顺利通过空巷区域,应做好空巷加固工作,支护阻力应达到3300kN 以上。

图 2 理论计算结果示意图

3 工作面过空巷期间加固

3.1 空巷支护

根据上文分析结果可知,3601 工作面过空巷期间仅依靠液压支架的支撑,无法确保工作面的安全,需要采取适当的加固措施,提高空巷对于顶板的支护阻力。参考类似开采技术条件下成功应用的实例[3-4],设计采取在空巷内补打木垛和构建十字砌块墙的加固措施,如图3 所示。在3601 工作面两个空巷内每间隔10m 布置两个木垛和一个十字砌块墙,木垛和十字砌块墙间距为3 ~5m。十字砌块墙主墙沿空巷长度方向,尺寸(长×宽×高)为=2.5×1.5×3.1m,十字砌块墙辅助墙沿工作面推进方向,尺寸(长×宽×高)为=1.2×0.9×3.1m。每个砌块墙由一个主墙和两个辅助墙组成,混凝土砌块抗压强度为25MPa。工作面过空巷期间,采煤机直接将十字砌块墙截割、运出,能够减少回收工作及其不安全因素,加快工作面过空巷推进。空巷和回采巷道交叉点在全锚网支护的基础上,加大锚索密度,并根据现场具体情况打设连锁木垛。

图 3 空巷加固支护示意图

3.2 超前支护

为保证3601 工作面过空巷期间回采巷道的稳定性,运输巷超前45m架设单体柱π型梁棚支护(单体柱高度3.15m,π 型梁高度4.0m 或4.3m),棚距0.6m,转载机里侧一梁三柱,转载机外侧一梁二柱。回风巷内超前45m 架设一梁三柱工字钢棚支护(单体柱高度3.15m、工字钢长3.5m),棚距0.8m。

4 应用效果监测

4.1 液压支架工作阻力

工作面回采期间,定期记录液压支架的工作阻力。根据工作面过空巷期间支架工作阻力的监测结果,分析总结支架阻力具有以下特点:(1)中部支架的工作阻力比下部和上部要大,周期来压期间中部支架的平均工作阻力为4894kN,而下部、上部的支架平均工作阻力为4235kN、4145kN;(2)周期来压动载系数波动正常,下部、中部、上部的平均动载系数分别为1.24、1.29、1.25,平均为1.26;(3)工作面过空巷期间,未出现支架工作阻力超限的现象,支架能够满足工作面周期来压期间支撑顶板的要求,工作面成功安全地通过空巷区域。

4.2 巷道表面变形量

图 4 巷道表面位移变化规律

根据图4 所示结果可以看出,在距工作面煤壁90~100m 处巷道开始变形,变形速度缓慢,与工作面距离在70m 范围内时,巷道变形速度明显增大,直至工作面回采至测点处,运输巷顶底板、两帮移近量维持在450mm 以下,回风巷顶底板、两帮相对移近量均在500mm 以下,能够满足工作面正常安全生产的要求。

4.3 工作面片帮

现场监测工作面正常回采期间和过空巷期间煤壁的片帮程度,监测结果详见表1。过空巷期间煤壁片帮范围在25%~30%左右,片帮深度0.5m 左右,片帮长度2m 左右。正常回采期间片帮现象较来压期间要缓和许多,煤壁片帮范围小于10%,片帮深度小于0.3m,片帮长度小于1.5m。整体而言,空巷影响下煤壁的片帮量略有增大,观测期间,工作面片帮现象时有发生,但不会影响工作面正常回采。

表 1 工作面片帮统计表

5 结论

为确保3601 工作面能够安全顺利地通过空巷,设计采用“打木垛和构建十字砌块墙”的方式加固空巷,对局部冒顶严重的空巷采取砌墙注高水材料充填的加固措施。实际过空巷期间,对液压支架的工作阻力、回采巷道的变形量及煤壁片帮进行监测。结果表明,所设计的加固措施很好地确保了工作面安全顺利的推过空巷。

猜你喜欢

空巷砌块阻力
砌块路面设计要素及机理介绍
鼻阻力测定在儿童OSA诊疗中的临床作用
综放工作面过不同层位空巷围岩变形破坏与控制技术研究
零阻力
猪猴跳伞
空巷影响下的煤柱综放面围岩活动规律模拟分析
倦雨空巷
一种便于搭砌的挡土墙砌块
综放工作面过特殊地质构造经验技术浅析
一种乘用车传动系阻力的求解方法