综采工作面围岩变形控制技术

［摘要］为了解决山西某矿3204大采高综放工作面过空巷时围岩变形大、易发生冒顶、片帮等问题，对工作面过空巷时顶板变形情况进行了分析，提出了部分充填过空巷方案。利用FLAC3D数值模拟软件确定了充填体最佳长度为6m。工业性验证结果表明，采用部分充填后，空巷影响范围内工作面液压支架最大压力为29.33MPa，低于支架安全阀开启压力，工作面能够安全快速地穿过空巷。

［关键词］过空巷；围岩变形；部分充填；支架阻力

引言

早期井下无序开采和偷挖滥采等导致我国各矿区在工作面回采过程中均存在过空巷问题［1］。工作面在过空巷期间，由于空巷附近围岩破碎且受工作面采动影响，空巷极易发生顶板下沉、片帮等事故，严重影响工作面安全回采［2-5］。因此，实现过空巷工作面的安全回采一直是专家学者和矿山科技工作者关注的焦点问题。都海龙［6］基于成庄矿3311综放工作面空巷特点，确定了空巷充填的过空巷方式，并确定了充填体强度和水灰比；尹超宇等［7］基于突变理论对工作面和空巷间的煤柱失稳机理进行探究，分析了工作面过空巷期间围岩变形规律；刘畅等［8-9］对空巷是否充填时围岩变形与破坏特征及支架载荷变化规律等进行了对比分析，研究了工作面过空巷时基本顶超前破断规律；何向宁等［10］从围岩应力、变形和塑性区分布3个方面对比分析了不同支护条件下空巷围岩稳定情况，确定对空巷进行高水材料充填为最优过空巷方式。上述研究为过空巷围岩控制提供了很好的借鉴。本文以山西某矿3204综采工作面过空巷为研究对象，基于空巷基本顶破断规律，对比分析了不同充填体长度时空巷围岩变形与破坏特征，以期为相似工程条件下过空巷方式的确定提供参考。

1工程概况

该矿可采煤层主要有3#、6#和8#煤层，目前主采3#煤层。该煤层厚度在4.2~5.6m，平均厚度为4.9m；煤层倾角在3.6°~5.4°，平均倾角为4.5°；该煤层赋存稳定，结构简单，为全区可采煤层。采用综合机械化一次采全高开采工艺，全部垮落法管理顶板。3204综采工作面地面标高在1024.2~1130.6m，工作面标高在432.5~454.2m，埋深在424.3~430.5m。工作面顶底板岩性如图1所示。3204工作面位于二采区东南部，西部为本采区运输大巷，东部为瓦斯联络巷，南部为3206工作面（正掘进），北部为3202工作面（已回采）。该矿为了提高工作面搬家效率，降低劳动强度，提高煤炭生产效率，将原来的双翼通风改为单翼通风。但是，通风方式的改变导致3204工作面在回采期间将先后穿过下料顺槽、皮带顺槽和轨道顺槽。3204工作面过空巷情况如图2所示。由于空巷附近围岩强度和完整性较低，受3204工作面推进影响，上述3条空巷附近围岩在超前支承压力影响下，极易发生顶板垮落、片帮等事故，给3204工作面安全生产带来严重威胁。本文所研究的轨道顺槽原支护方式为锚索网联合支护，轨道顺槽为矩形断面，尺寸为3.8m×2.6m，净断面面积为9.88m2，3204工作面穿过空巷的长度为240m。

2工作面过空巷顶板变形分析

由于3204工作面采用一次采全高综合机械化采煤工艺，较大的采高导致工作面顶板岩层活动剧烈，易发生较大的弯曲下沉变形。此外，工作面过空巷时围岩强度较低、完整性较差，导致工作面推进至空巷附近时支架阻力较大，顶板下沉量进一步增大，给顶板控制带来极大困难。相较于一般采场而言，综采工作面过空巷具有以下特点：①空巷附近围岩松散破碎，导致工作面在过空巷期间围岩变形较大，破坏严重，煤壁两帮承载能力显著降低。②在工作面推进过程中，空巷对顶板岩层活动影响范围有限，仅局限于工作面前方和后方一定范围内。③老顶对工作面过空巷时的围岩活动具有控制性影响。随着工作面不断向空巷推进，两者间的煤柱宽度逐渐减小，其承载能力逐渐降低，同时在超前支承压力影响下，煤柱极易发生失稳导致工作面上方基本顶悬空长度突然增大，基本顶极易发生突然断裂，而基本顶的断裂位置将严重影响着空巷的稳定性。基本顶断裂位置与空巷相对位置关系如图3所示。由图3分析可知，基本顶断裂位置主要在煤柱上方、空巷上方和实体煤上方。当基本顶在煤柱上方和实体煤上方断裂，即断裂位置在空巷前方或后方时，空巷因受到简支梁的保护而位于应力降低区，此时块体B的重量由煤柱或实体煤和采空区垮落矸石共同承担；当基本顶在空巷上方发生断裂时，块体B的重量将直接作用于空巷上，导致空巷位置应力升高，空巷上方煤岩层发生断裂破坏，进而导致工作面矿压显现剧烈，不仅严重威胁着工作人员和设备的安全，而且工作面也难以顺利穿过空巷。针对工作面过空巷时围岩变形情况，提出了高水材料部分充填过空巷技术，即利用高水材料对空巷进行部分充填，提高空巷附近围岩抗压强度，实现降低空巷维护工作量、增强煤柱承载能力，确保工作面顺利穿过空巷。

3充填体长度对空巷围岩变形影响分析

对3204工作面实际地质条件分析可知，当采用部分充填过空巷技术时，充填体最大间距为10m，从经济和安全角度考虑，取安全系数为1.5，从而确定3204工作面部分充填合理间距为6m。因为充填体长度和强度相互约束，且该空巷所需支护阻力为6.4MN/m，充填体强度为2.6MPa，故采用FLAC3D数值模拟软件，分别模拟研究充填体长度为6、8m时对空巷围岩变形的影响，模拟结果如图4所示。由图4分析可知，充填体长度为6、8m时，空巷顶板下沉量和工作面侧巷帮变形量随工作面距空巷距离的增加总体上呈减小趋势，且在工作面距空巷距离大于50m后逐渐趋于稳定。当充填体长度为6、8m时，顶板下沉量分别在工作面距空巷20、10m时达到最大，最大值分别为87.47、103.28mm；而工作面侧巷帮变形量均在距空巷0m时达到最大，最大值分别为63.40、151.57mm。底鼓量和实体煤侧巷帮变形量随工作面距空巷距离的增加总体上呈先增大后减小的变化趋势。当充填体长度为6、8m时，底鼓量均在工作面距空巷50m时达到最大，最大值分别为42.14、46.83mm，实体煤侧巷帮变形量均在工作面距空巷30m时达到最大，最大值分别为29.674、49.4mm。综合对比充填体长度为6、8m时空巷围岩变形量可知，充填体长度8m时的空巷围岩变形量显著大于充填体长度6m时的空巷围岩变形量。因此，综合考虑充填成本和充填效果，确定对空巷进行部分充填时充填体的最佳长度为6m。

4工业性试验

现场资料表明，采用水灰质量比为2.25∶1的高水材料进行充填时，24h后充填体强度可达3MPa，满足部分充填对充填材料强度的要求。根据该矿实际生产技术条件，对3204工作面轨道顺槽受空巷影响的200m范围采用6m充填体长度进行部分充填。为了检验部分充填过空巷效果，在3204工作面充填区段液压支架设置测站，对液压支架压力变化情况进行监测，监测结果如图5所示。图5工作面距空巷不同距离液压支架压力变化情况由图5分析可知，工作面液压支架压力随工作面距空巷距离的增大呈先快速减小后趋于稳定的变化趋势。在工作面距空巷100m时，工作面液压支架压力约为21.5MPa；而在工作面推进至空巷位置时，支架压力达到最大值29.33MPa，相对于工作面距空巷100m时增大了约36.41%，这说明受部分充填的影响，随工作面向空巷不断推进，工作面液压支架压力略有增大，但在经过空巷后，工作面液压支架压力逐渐恢复至正常水平。另外，在空巷影响范围内工作面支架最大压力低于支架安全阀开启压力，这表明充填体长度为6m的部分充填效果良好，工作面能够安全快速地穿过空巷。

5结论

（1）对大采高综放工作面过空巷时顶板变形情况进行分析，指出随工作面向空巷推进，基本顶可能在空巷上方发生断裂，导致空巷位置应力升高，空巷上方煤岩层发生断裂破坏，工作面矿压显现剧烈。（2）提出部分充填过空巷方案，确定了部分充填时充填体的最佳长度为6m。（3）工业性验证结果表明，采用部分充填后，空巷影响范围内工作面液压支架最大压力为29.33MPa，低于支架安全阀开启压力，工作面能够安全快速地穿过空巷。

［参考文献］

［1］刘锐.小头窑煤矿综采面过空巷技术及其应用［J］.山西能源学院学报，2018，31（4）：12-14.

［2］冯明明.高水充填技术在过空巷中的应用［J］.山西能源学院学报，2019，32（3）：29-31.

［3］常晚战.充填体支护技术在综采工作面过空巷时的应用［J］.山东煤炭科技，2020（6）：12-14.

［4］王炜.高水材料充填支柱在大采高工作面过空巷中的应用［J］.煤炭工程，2020,，52（5）：67-70.

［5］周海丰，黄庆享.大采高工作面过空巷群顶板破断及矿压规律研究［J］.煤炭科学技术，2020，48（2）：70-79.

［6］都海龙.成庄矿综放工作面过空巷技术［J］.煤矿安全，2020，51（6）：72-76.

［7］尹超宇，冯光明，高鹏，等.工作面过空巷围岩失稳机理研究［J］.采矿与安全工程学报，2018，35（3）：457-464.

［8］刘畅，张俊文，杨增强，等.工作面过空巷基本顶超前破断机制及控制技术［J］.岩土力学，2018，39（4）：1411-1421.

［9］刘畅，弓培林，王开，等.复采工作面过空巷顶板稳定性［J］.煤炭学报，2015，40（2）：314-322.

［10］何向宁，陈勇，秦征远.综放工作面过空巷技术研究及应用［J］.煤炭科学技术，2017，45（6）：124-130.

作者：郭喜斌 单位：大同煤矿集团马道头煤业有限责任公司