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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

神东矿区综采工作面过同层位空巷强矿压显现机理及控制方法

2024-11-08

创新点

(1)结合神东矿区部分工作面过平行、垂直和斜交空巷时矿压显现案例,分析了空巷与工作面空间位置对工作面过空巷期间矿压显现强度的影响规律;

(2)构建工作面过空巷顶板超前破断力学模型,结合神东矿区工作面周期来压、空巷跨度等数据,分析了煤柱失稳前后顶板的稳定性;

(3)综合考虑煤层与泵送支柱应变软化特性、以及支架增阻和恒阻阶段,构建了工作面过空巷数值模型,分析了不同煤柱宽度、周期来压、空巷跨度和支护强度下煤岩应力及顶板下沉的分布规律;

(4)根据神东矿区哈拉沟煤矿综采工作面过空巷期间煤壁片帮、空巷变形、顶板下沉与泵送支柱应力的实测数据,分析了泵送支柱支护空巷和过空巷前等压开采对工作面过空巷期间的矿压控制效果。


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神东矿区综采工作面过同层位空巷强矿压显现机理及控制方法

作者:罗文1,  余伊河2,  王文2
单位:1. 国能神东煤炭集团有限责任公司;2. 河南理工大学 能源科学与工程学院
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 

神东矿区各矿井在开采过程中,由于工作面布置方式调整或回收煤柱,工作面前方常会出现空巷。当工作面逐渐接近空巷过程中,在超前支承压力与空巷围岩压力共同作用下,基本顶可能在空巷上方发生超前断裂,引起空巷大面积冒顶、切顶、煤壁片帮和压架事故,给矿井安全高效生产带来隐患。在长期的生产实践与研究过程中,许多针对工作面过空巷的技术措施被提出来,主要包括空巷加强支护、空巷内部充填、重新布置工作面、开采参数优化以及小煤柱等压等方法。空巷加强支护主要通过密集支柱、木垛、垛式支架等被动支护以及锚杆、锚索及钢带加固等主动支护方式实现;空巷内部充填是采用煤块、膏体材料通过泵送支柱部分充填巷道,或全部密实充填巷道,采煤机切割充填体过空巷;重新布置工作面是在空巷前停采并留下足够宽度的煤柱,然后以空巷为切眼或在空巷后面重新开切眼布置工作面;开采参数优化主要包括降低采高、加快推进速度以及工作面调斜从而斜交过空巷;小煤柱等压是指综采工作面回采至距前方空巷一段距离时,主动停止割煤一段时间等待顶板压力稳定和空巷围岩中弹性能提前变形释放,减缓工作面过空巷期间围岩变形和应力集中程度。

上述方法能够一定程度上减缓工作面过空巷过程中的矿压显现程度,为了确定具体生产地质条件下各类方法的适用性以及最优布置参数,许多学者对工作面过空巷围岩力学结构进行分析。如柏建彪等分析了工作面前方空巷围岩活动规律,指出了工作面安全过空巷的关键块体,建立了空巷顶板稳定性力学模型,据此确定了空巷高水速凝材料充填参数;谢生荣等分析了综放工作面过空巷时支架—围岩稳定性控制的技术难点,建立了工作面过空巷时基本顶破断结构模型,确定过空巷期间基本顶长关键块条件下的支架临界工作阻力;何向宁等模拟分析了工作面回采过程中,在木垛支护、锚杆支护和高水充填材料充填3种支护方式下的空巷围岩稳定性,验证了高水充填材料充填支护效果并进行了工业性试验;徐青云等确定了综放工作面能否顺利通过空巷的关键块体,基于关键块体稳定性建立了基本顶破断力学分析模型,并模拟分析了不同充填体强度下空巷围岩应力、塑性区宽度和巷道变形;李鑫等建立了煤柱回收工作面空巷基本顶力学模型,分析了空巷宽度、基本顶厚度、支架支护阻力和空巷所需的支护阻力之间的关系;张自政等建立了基于工作面超前采动影响的空巷顶板力学模型,分析了空巷顶板稳定性与空巷充填体相互作用关系,得到了空巷顶板稳定的充填体支护阻力计算式;刘炳权等模拟分析了工作面过空巷期间采场和巷道围岩稳定性,认为工作面顺利过空巷必须保证基本顶关键岩块不失稳,据此构建了空巷上方基本顶破断力学模型;唐佐胜等建立了工作面正常推进及工作面渐近空巷时的支架力学模型,研究了支架在正常推进过程和渐近空巷时的受力状态;李杨等分析了工作面与空巷间煤柱稳定性,构建了工作面过空巷期间基本顶破断形成的长跨度多支撑失稳岩块结构模型,据此计算了块体不失稳条件下支架最大工作阻力,在此基础上模拟分析了工作面平行和斜交过空巷的支承压力分布规律;尹超宇等利用突变理论从势能积聚的角度分析了工作面与前方空巷之间煤柱的失稳机理,并运用弹性薄板理论对煤柱失稳后基本顶的受力状态及破断位置进行了研究,提出煤柱失稳的临近危险距离与临界交角。

上述研究揭示了各类方法对于工作面过空巷采场矿压控制的作用机理,为具体工程地质条件下工作面过空巷采场矿压控制方法的选取以及布置参数的确定提供了依据。然而,大部分研究主要针对矿井单一工作面进行实施,缺乏对不同地质条件下工作面过空巷技术的分类探讨。笔者以神东矿区各矿井典型地质条件工作面过空巷案例为背景,对不同地质条件下工作面过空巷技术方案与实施效果进行归类分析,重点探讨工作面过空巷期间采场和巷道矿压显现关键影响因素与最优实施方案,为神东矿区乃至其他矿井工作面过空巷采场和巷道矿压控制提供技术借鉴。

摘要
ABSTRACT

神东矿区各矿井在回采过程中由于工作面布置方式调整,工作面前方常会出现以往工作面空巷。为避免工作面过空巷期间发生顶板事故,总结了神东矿区多个工作面和空巷赋存条件、过空巷处理方法与矿压控制效果,分析了工作面过空巷期间顶板超前断裂失稳机理。综合考虑空巷、泵送支柱、煤柱与支架对顶板的不同支撑作用,采用数值模拟研究了不同煤柱尺寸、周期来压破断位置、空巷跨度与泵送支柱强度条件下,工作面过空巷期间顶板下沉和弯曲拉应力分布情况,结果表明:随着空巷与工作面斜角度从90°垂直减小至0°平行,空巷对工作面影响的推进长度减小,但过空巷期间工作面矿压显现范围增大,强度更加剧烈。工作面过空巷期间矿压显现强度主要受煤柱尺寸、过空巷前上一次顶板断裂位置、空巷跨度和空巷支护情况等因素的控制。随着工作面靠近空巷,煤柱必然逐渐失稳,且大多数空巷在工作面开采前已经存在,其跨度难以改变。神东矿区通过加强巷道顶板支护和通过等压调整顶板周期破断位置以实现工作面过空巷期间的矿压控制。随着泵送支柱峰值强度和弹性模量的增大,对空巷顶板的控制效果明显,但在顶板悬露过长时可能发生失稳破坏并失去承载能力。当顶板周期断裂位置分别位于过空巷前后,过空巷期间顶板能够承担主要上覆载荷,采场矿压得到有效控制;反之,顶板将在过空巷期间发生超前断裂,导致发生冒顶和压架事故。最后以神东矿区哈拉沟煤矿综采工作面过空巷为例,分析了泵送支柱和等压开采在工作面过空巷期间的矿压控制效果,为神东矿区乃至其他矿区工作面过空巷期间矿压控制提供借鉴。

部分图表

图1   工作面过空巷顶板超前断裂示意

图2   基本顶稳定性分析

图3   空巷不同支护强度下支架载荷增幅

图4   煤柱随顶板下沉过程中的支撑力

图5   泵送支柱随顶板下沉过程中的支撑力

图6   液压支架随顶板下沉过程中的支撑力

图7   数值模型及边界条件

图8   不同煤柱宽度下煤层的垂向应力

图9   不同煤柱宽度下顶板上表面水平应力

图10   不同悬顶长度下顶板上表面水平应力

图11   工作面过空巷期间煤层垂向应力

图12   工作面过空巷期间顶板水平应力

图13   不同空巷跨度下煤层的垂向应力

图14   不同空巷跨度下顶板的水平应力

图15   不同支柱强度下煤层的垂向应力

图16   不同支柱强度下顶板的水平应力

图17   22311工作面空巷群布置

图18   22311工作面泵送支柱布置

图19   联巷测点布置

图20   各测点巷道顶板下沉量曲线

图21   空巷顶板下沉量与推进度的关系

图22   工作面过2条空巷期间支架压力云图

表1   神东矿区部分工作面过空巷案例


第一作者

罗文,男,1968年生,内蒙古凉城人,教授级高级工程师,硕士,国能神东煤炭集团有限责任公司党委委员、副总经理,兼任全国煤炭支护专家、应急管理部信息研究院“煤炭工程技术共享平台专家”、鄂尔多斯市人民政府“首席专家”。发表论文30多篇,授权发明专利20项、实用新型专利7项;获得中国煤炭工业协会科学技术奖6项,全国煤矿支护技术创新成果奖12项,全国煤矿优秀“五小”成果奖13项,国家能源集团科技进步及论文奖10余项。先后荣获煤炭工业科技进步矿井“先进工作者”、全国煤炭工业“优秀矿长”、全国煤矿支护“优秀管理者”、全国煤矿“支护先进个人”、国家能源集团“科技创新先进个人”“集团煤炭班组建设先进工作者”等荣誉称号。

研究方向

煤矿开采技术创新及安全生产

主要成果

主持了补连塔矿、大柳塔矿改扩建,分别打造出年产2000万t一流矿井与年产3300万t世界第一大井工矿井;提出了浅埋坚硬特厚煤层上层综采下层综放的放顶煤工艺;创新“挡矸支架、端头铺网支架、高强度柔模混凝土墙、滞后临时支护”等快速沿空留巷技术与装备,创造了3.8m厚煤层工作面最大留巷速度18m/d的纪录,完善了无煤柱回采技术体系;研发了矿压自动监测、预警系统,有效解决了神东矿区浅埋煤层综采工作面上覆采空区诱发动载矿压的难题;首创“千米定向钻机+高压水预裂”技术,形成了井下定向长钻孔分段水力压裂工艺,有效解决了神东矿区坚硬顶板大面积悬顶和应力集中区动载矿压产生的安全问题;主持了高效全断面快速掘进系统、世界首个8.8m超大采高智能综采工作面和神东智能综采工作面等创建工作;参与完成了国家十二五科技支撑计划“盾构施工煤矿长距离斜井关键技术研究与示范”项目的应用示范工程,创造了单日进尺42m、单月进尺639m及井筒一次成巷2745m的纪录。

通讯作者

余伊河,男,1991年11月5日生,河南洛阳人,讲师,博士,硕士生导师。发表论文20多篇,其中SCI/EI检索10余篇;获得省部级科技奖励3项。

研究方向

矿山压力与岩层控制、保水采煤

主要成果

基于陕北榆神矿区典型水资源保护性采煤条件,确定出浅埋煤层采动覆岩导水裂隙带发育高度与保护层有效厚度,提出保水采煤最大理论允许采高计算方法,系统分析限高开采、(局部)充填开采、窄条带开采等保水采煤条件下的岩层控制理论,提出其适用性分区;针对相邻采空区积水侧向渗漏引起的工作面突水问题,提出了采动上覆岩层同步和非同步下沉过程中挠度、转角、弯矩和剪力曲线计算公式,将采动覆岩层理裂隙分为张拉离层裂隙和剪切错动裂隙,给出了张拉离层裂隙和剪切错动裂隙发育判断依据及其发育参数计算方法;分析了岩土体材料应变硬化过程中的体积屈服特征,建立了双屈服模型cap压力、塑性应变与外部载荷的关系,为采空区破碎矸石等典型应变硬化材料本构模型的参数取值提供了一种更加效率和精确的方法。


来源:

罗文,余伊河,王文. 神东矿区综采工作面过同层位空巷强矿压显现机理及控制方法[J]. 煤炭学报,2024,49(8):3335−3352.
LUO Wen,YU Yihe,WANG Wen. Mechanism and control of strong mine pressure in fully mechanized mining face of shendong mining area when crossing abandoned roadways in the same coal seam[J]. Journal of China Coal Society,2024,49(8):3335−3352.


  责任编辑:宫在芹
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