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工程管理前沿【2020年第01期】

  • ID:271612
  • 浏览:2387
  • 学科:工程地质学
  • 更新时间:2020-06-05 04:59:44
  • 期刊: 工程管理前沿
内容简介
《工程管理前沿》杂志是由中国工程院主管,中国工程院、清华大学、高等教育出版社主办的建筑期刊。国际标准刊号:2095-7513,国内统一刊号:CN10-1205/N。《工程管理前沿》的办刊宗旨:依托建设领域高层权威信息背景,旨在做好政府领导决策的重要参谋;成为政策理论探讨的前沿阵地,积极探索和引导建设事业发展方向和改革实践;提供重大事件权威报道,深度阐释焦点话题,纵深调查热点事件,努力追求权威性、建设性、实用性和可读性风格;努力做大媒介传播平台,真诚为建设企事业单位服务,为中国建设事业和城市化发展服务,为广大读者开启一个探求知识的窗口。

厚煤层沿空留巷掘进变形规律分析

2019/8/9 15:17:00 工程地质学 许程远
资料简介

摘要:伴随着煤炭资源的高强度、大规模开采,煤炭资源可采储量逐渐降低,传统的留设大煤柱护巷方式不仅会造成宝贵煤炭资源的浪费,而且随着采掘深度增加,煤柱应力集中、变形量过大等问题也日益突出,给矿井生产工作带来不利影响。沿空留巷技术是现阶段国内常用的无煤柱护巷技术,基本原理是通过一定的技术手段将上一采面回采巷道保留下来为下一采面开采服务。采用沿空留巷技术,不仅可以提升煤炭采收率,而且还可以减少矿井巷道掘进工程量,具有显著的应用价值。鉴于此,文章结合笔者多年工作经验,对厚煤层沿空留巷掘进变形规律分析提出了一些建议,仅供参考。

厚煤层沿空留巷掘进变形规律分析

许程远

鄂尔多斯市华兴能源有限公司 内蒙古自治区鄂尔多斯市 017100

摘要:伴随着煤炭资源的高强度、大规模开采,煤炭资源可采储量逐渐降低,传统的留设大煤柱护巷方式不仅会造成宝贵煤炭资源的浪费,而且随着采掘深度增加,煤柱应力集中、变形量过大等问题也日益突出,给矿井生产工作带来不利影响。沿空留巷技术是现阶段国内常用的无煤柱护巷技术,基本原理是通过一定的技术手段将上一采面回采巷道保留下来为下一采面开采服务。采用沿空留巷技术,不仅可以提升煤炭采收率,而且还可以减少矿井巷道掘进工程量,具有显著的应用价值。鉴于此,文章结合笔者多年工作经验,对厚煤层沿空留巷掘进变形规律分析提出了一些建议,仅供参考。

关键词:厚煤层沿空留巷;技术工艺;规律分析

引言

虽然沿空留巷能够大幅提高煤炭回采率,提升矿井综合效益,但是由于沿空留巷是沿着采空区边缘布置的,使用中会反复受到采动影响,对回采面整体安全造成显著的影响。鉴于此,对厚煤层沿空留巷掘进时的围岩变形规律进行分析和总结,对于更好地指导生产实际意义重大。

1、沿空留巷掘进变形规律

沿空留巷巷道掘进前期,底线和中线处的最大深度分别为7.6、3.1m,塑性区深度和巷道的半径比分别为3.2、1.3;沿空留巷巷道掘进后,巷道底线和中线处的最大深度分别增加到8.9,3.3m。沿空巷道掘进期间,巷道底板产生较大的塑性区,其底角的塑性区高于底板中线的塑性,当在巷道受到二次回采影响时,巷道底角塑性区大范围扩展,而巷道中线塑性区有较小的变化。

2、沿空留巷技术工艺

采面岩空留巷关键是保证顶板围岩稳定,减少围岩变形量,以便确保留巷可以成功。根据前人研究成果以及临近矿井采用的沿空留巷技术工艺,决定在采面采用的沿空留巷技术工艺为“切顶卸压+强力锚索+巷道围岩临时支护”。通过在顶板施工切顶卸压钻孔,在局部范围内切断顶板应力传播途径,减少沿空留巷顶板压力,同时通过强力锚索,将巷道围岩悬挂于上部坚硬基本顶之上对顶板进行补强加固,控制顶板下沉量,然后通过巷道围岩临时支护措施,确保巷道使用高度。架后支护。在液压支架后方0~150m范围之内,采空区顶板垮落下沉会给沿空留巷巷道顶板造成一定压力,同时也存在切落的巷道顶板垮落岩层松散、压实度低等问题,受采用动压影响显著,给沿空巷道顶板较大压力。因此,在架后对沿空留巷巷道进行支护,具体单体支柱以及工字钢采用一梁三柱的布置方式,支柱间的排距设计为1.2m。在巷道切顶卸压缝帮布置一排单体液压支柱,并配合采用U型钢形成挡杆支架。

3、厚煤层沿空留巷掘进变形规律分析

3.1围岩位移分布分析

完成巷道挖设后,巷道围岩位移分布整体情况。巷道围岩位移极值出现在顶板中心位置,数值为39.1mm,从巷道中心位置至四周,位移量不断减少,但向顶板深处减少速率显著低于向两边减少的速率,这表明所设计方案可以有效控制巷道变形,确保巷道回采时的稳定性和有效性。为巷道不同掘进距离下的表面位移变化情况。巷道中心位置处的竖向位移最大并向两边逐渐递减,但靠近煤柱侧的位移要明显于实体侧;巷道两侧位移在空间上呈现典型的抛物线分布趋势,不过因受采空区干扰,实体侧巷帮向巷道的位移量要大于煤柱侧。此外,巷道位移极值还会伴随巷道掘进长度的增加呈现一定的变化特性,即围岩位移极值与巷道掘进距离为指数式衰减关系,在巷道掘进的前10m,变化幅度不断减小,10m之后基本无变化。

3.2塑性区分布分析

虽然巷道两帮与顶板均通过锚杆支护,不过因为巷道处于软弱厚煤层影响范围内,加之回采作业时受采空区煤层开采的影响较为显著,巷道刚开挖通过时,煤柱侧塑性区范围明显大于实体侧,特别是巷道顶板靠近煤柱区域的塑性区明显大于另一侧,但巷道底板未出现破坏现象。整体分析来看,整个巷道表面1.5~2m的浅部围岩普遍发生了塑性屈服。同时,伴随巷道的不断向前掘进,围岩塑性区不断向巷道实体帮侧深部和顶板深部延伸拓展,但变化相对较小。这充分说明巷道围岩在回采开挖的早期阶段因极易出现塑性屈服而发生破坏。

3.3巷道沿轴向的应力分布

在回采面回采期间掘进巷道的影响范围,巷道沿轴向的应力分布,范围为巷道掘进面到工作面的距离-200~80m。巷道沿轴向的应力峰值分布。①当回风巷掘进位置和工作面回采位置在一个水平面时,此时巷道沿轴向的应力集中系数为2.95,应力峰值为30MPa;②当回风巷掘进面距离回采面-150~+48m位置时,此时为强烈影响区,并且位于工作面后方20m时,此时应力峰值最大,应力峰值最大值为30MPa。根据分析可知,当回风巷掘进面距离回采面-150~+48m位置时,此时为强烈影响区,此时区间内有3个不对称的峰值分布,应力集中系数分别为3.32、2.80、2.40。为了避免回风巷掘进扰动应力和工作采回采应力的叠加,致使巷道应力环境的恶化,减少巷道支护的困难,在实际巷道掘进中,回风巷分为2区段进行掘进:①在J1-J2段,当回风巷掘进到工作面70m时(由于回风巷掘进到工作面48m,时,巷道受到采动影响剧烈,此时安全系数为1.5),停止掘进,在该阶段需要采取合理的加强支护措施;②在J2—J3段,当回风巷掘进到工作面150m时(由于回风巷掘进期间受到上覆岩层剧烈活动影响滞后距离为105m,此时安全系数为1.5),再进行复掘,避免了工作面剧烈采动应力的影响。沿空掘巷掘进时机确定工作面采掘时空平面。

3.4沿空掘巷掘进时机确定

当沿空掘进巷道掘进75m时,巷道煤层底板塑性耗散能比率分布规律,中部为沿空巷道和区段煤柱,左侧为工作面实体煤,右侧为已采的采空区。在沿空掘进期间,滞后迎头25m到超前迎头5m是巷道底板岩层积聚应变能的主要阶段。煤柱的破坏变形致使巷道底板应变越来越大,造成巷道底板的破坏范围逐渐增加。靠近实体煤柱侧的巷道底角变形破坏范围和变形破坏程度低于靠近采空区侧的巷道底角变形破坏范围和变形破坏程度。(1)沿空巷道掘进期间,巷道底板产生较大的塑性区,其底角的塑性区高于底板中线的塑性,当巷道受到二次回采影响时,巷道底角塑性区大范围扩展,而巷道中线塑性区有较小的变化。(2)岩石样本稳定性程度的判断指标主要采用耗散能比率。(3)煤柱的破坏变形致使巷道底板应变越来越大,造成巷道底板的破坏范围逐渐增加。靠近实体煤柱侧的巷道底角变形破坏范围和变形破坏程度低于靠近采空区侧的巷道底角变形破坏范围和变形破坏程度。

结束语

综上所述,得出以下结论:(1)巷道开挖后,围岩主应力极值出现在煤柱帮表面及深部2m范围内,剪切应力极值出现在巷道两帮位置;(2)巷道顶板与两帮位移变化呈现抛物线分布趋势,其极值随着巷道掘进的向前推移表现出指数式衰减特征;(3)巷道掘进过程中,煤柱侧塑性区范围要明显大于巷道实体侧,但底板未出现变形破坏,整个巷道围岩破坏范围介于1.5~2.0m之间。

参考文献

[1]郑僖.厚煤层沿空留巷掘进变形破坏规律研究[J].煤炭与化工,2018,41(11):5-8.

[2]杨超.中厚煤层沿空留巷底鼓规律研究[J].煤矿现代化,2018(06):138-140+143.

[3]周仁战.极松散厚煤层完全沿空掘巷的支护机理与技术研究[D].安徽理工大学,2018.

[4]马耀荣.特厚煤层开采中沿空掘巷煤柱宽度及稳定性研究[D].太原理工大学,2018.

[5]郜志强.3.2m采高无巷旁支护体沿空留巷技术研究[D].中国矿业大学,2018.