基于数值计算的深部综放工作面空巷充填体支护阻力研究.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.020基于数值计算的深部综放工作面空巷充填体支护阻力研究（山西朔州山阴兰花口前煤业有限公司，山西 朔州 036000）摘要 深部综放工作面在过空巷过程中，由于受采动支承应力作用，空巷围岩容易失稳。采用空巷充填材料充填空巷，可以保证深部综放工作面顺利通过空巷。以某矿 1322 工作面为例，采用 FLAC3D数值模拟软件，研究不同充填体支护阻力条件下，深部工作面过空巷时围岩变形与破坏特征，确定满足围岩变形条件下合适的充填体支护阻力。关键词 深部；综放工作面；空巷充填；充填体支护阻力；数值计算中图分类号TD353文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0064蛳 030引言小煤窑无序开采或者工作面布置方式发生改变时，工作面前方常会出现空巷，尤其是在一些老矿井及整合矿井中较为常见。工作面在过空巷过程中，由于受采动支承应力作用，空巷围岩容易失稳。当工作面与空巷贯通时，容易发生大面积的冒顶，压垮支架，严重影响煤矿安全生产。采用空巷充填材料对空巷进行充填，是一种既经济又安全、可以保证深部综放工作面顺利通过空巷的方法，解决了深部矿井工作面过空巷的安全技术难题咱1暂。本文采用数值计算方法研究不同充填体支护阻力条件下，深部工作面过空巷时采动影响下围岩变形与破坏特征，确定满足围岩变形条件下合适的充填体支护阻力。1综放工作面生产地质条件某煤矿 1322 综采放顶煤工作面位于小湖系-850 m 水平西一采区，回采期间将穿过废弃的 1122运输巷。1122 运输巷为矩形断面，高宽=2.4 m4.5 m，架棚支护，沿煤层顶板掘进，巷道长度约260 m，如图 1 所示。1322 工作面煤层平均厚度 4.5 m，平均埋深788 m，平均倾角 5毅。工作面顶底板情况如表 1 所示。表 11322 工作面顶底板情况2深部综放工作面空巷充填体支护阻力研究2.1数值计算模型建立根据 1322 工作面顶底板岩层状况，采用FLAC3D数值模拟软件，选取摩尔-库伦模型作为材料本构模型，建立相应的数值计算模型，模拟分析工作面回采期间空巷围岩变形规律，如图 2 所示。图 2数值计算模型模型划分为 7 层，长度为 200 m、宽度为 150 m。1322 工作面平均埋深 788 m，在模型上边界附加载荷 19.7 MPa，模拟上覆岩层自重。模型边界条件设定为四周及下边界固定。根据 1322 工作面顶底板图 11322 综放面采掘平面布置类别岩石名称厚度/m岩层特征老顶砂泥岩互层14.3深灰色砂泥互层，上部以泥岩为主，下部以砂岩为主，含菱铁矿，并含少量棕色条带及砂岩条带直接顶砂质泥岩6.7深灰色砂质泥岩，结构致密，断裂时断裂面平坦煤层煤4.5半光亮直接底泥岩1.8深灰色泥岩，断裂面平坦，岩性整体性较好1122 运输巷（废弃巷道）260 m空巷煤层采空区上覆岩层下覆岩层基本底基本顶煤层直接底直接顶空巷采空区能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4642023 年 8 月Aug.,2023李晋红基于数值计算的深部综放工作面空巷充填体支护阻力研究条件，本次数值计算模型岩体力学参数取值如表 2所示。表 2数值计算模型岩体力学参数数值计算模型建立后，在工作面距离空巷 30、25、20、15、10、8、6、4、2、0 m 处设置 10 个测点，充填体支护阻力分别取 0（不充填）、0.5、1.0、3.0 MPa，并分别监测和分析工作面前端下沉量、空巷顶板下沉量及空巷底鼓量 3 个参数，以确定最优的充填体支护阻力。2.2充填体支护阻力对空巷围岩变形的影响2.2.1充填体支护阻力对工作面前端下沉量的影响在充填体支护阻力为 0（不充填）、0.5、1.0、3.0 MPa 条件下，于上述 10 个测点处分别对不同位置综放工作面前端下沉量进行统计，如图 3 所示。图 3工作面前端下沉量随工作面与空巷之间距离变化关系由图 3 分析可知，在充填体支护阻力为 0、即不支护条件下，工作面与空巷间距小于 10 m 时，巷道变形量太大，导致无法模拟计算，不能够观察到此距离小于 10 m 以后的变化规律。在充填体支护阻力为 0.5 MPa 条件下，当工作面与空巷间距小于4 m 时，巷道围岩同样发生破坏无法计算。在工作面距空巷 10 m 时，不支护条件下工作面前端顶板下沉量是支护阻力为 0.5 MPa 时的 1.1 倍，是支护阻力为 1.0 MPa 时的 1.7 倍。将充填体支护阻力调至 3.0 MPa，变形量将继续减小，更加有利于巷道的维护。工作面前端下沉量随支护阻力增加而减小，可见采取空巷充填可以有效减小工作面下沉。当工作面与空巷间距大于 10 m 时，充填体支护阻力对于工作面前端下沉量的影响较小。当此间距小于 10 m 时，不同支护阻力条件下的下沉量都有所增加。充填体支护阻力为 0.5 MPa 时，虽然一定程度上减小了工作面前端下沉量，但在工作面与空巷间距 4 m 时，支护阻力不足导致巷道围岩发生破坏；充填体支护阻力为 1.0 MPa 时，工作面前端下沉量较支护阻力为 3.0 MPa 增加有所加快，但是可以满足生产要求。在工作面采至距空巷小于 4 m处，充填体支护阻力为 1.0 MPa 和 3.0 MPa 的下沉量差值仅为 120 mm。因此，通过增加充填体支护阻力来控制变形量不够经济。2.2.2充填体支护阻力对空巷顶板下沉量的影响不同充填体支护阻力的条件下，空巷顶板下沉量随工作面与空巷距离变化关系如图 4 所示。图 4空巷顶板下沉量随工作面与空巷之间距离变化关系从图 4 可知，不支护条件下的空巷顶板下沉量是支护阻力为 0.5 MPa 时的 1.23 倍，是支护阻力为 1.0 MPa 和 3.0 MPa 时的 1.55 倍。随着充填体支护阻力的增大，顶板下沉量随之减小。随着工作面的推进，工作面与空巷间距在1030 m 时，空巷顶板下沉量增大比较缓慢，且在较多范围内存在重叠的现象，相差甚小。这说明此时充填体支护阻力对于空巷顶板下沉量的影响较小。当工作面与空巷间距小于 10 m 后，空巷顶板下沉速度加大，且下沉量也较大。分析认为，这是由于煤柱受力增大，导致顶板持续下沉，下沉增幅达到50%。当工作面与空巷间距小于 4 m 时，空巷的顶板下沉量又突然减小，减小幅度达到 30%。这是由于上部岩层的重新分布，导致煤柱处于减压区，受力减小。通过充填体支护阻力分别为 1.0 MPa 和 3.0 MPa时空巷顶板下沉量的比较，可知空巷充填体支护阻力的改变，对于空巷顶板维护状况改变不太明显。为降低充填成本，选择充填体支护阻力为 1.0 MPa名称厚度/m密度/（kg/m3）弹性模量/GPa泊松比粘结力/MPa上覆岩层20.02 6503.10.262.7基本顶14.32 5603.00.252.2直接顶6.72 4502.20.272.3煤层4.51 4201.20.351.5直接底1.82 5502.70.263.2基本底8.52 4505.50.254.1下覆岩层20.02 5503.10.242.7充填体2.41 7002.50.182.4工作面距空巷距离/m30201000 MPa1.0 MPa0.5 MPa3.0 MPa750650550450350250工作面距空巷距离/m30201000 MPa1.0 MPa0.5 MPa3.0 MPa500450400350300250200150100500652023 年 8 月Aug.,2023（上接第 11 页）基本不起任何作用。（2）当工作面回采到 60590 m 时，底抽巷瓦斯抽采浓度基本为 1%左右，抽采量均在 0.2 m3/min以内，对工作面瓦斯涌出量基本没有影响。（3）当工作面回采至 594 m 时，距离停采线还有 220 m 时，底抽巷打开阀门开始抽采。工作面回采至 674 m，工作面正好在底抽巷工作面的位置。（4）5 月 15 日至 6 月 10 日工作面回采到底抽巷位置时，底抽巷瓦斯抽采浓度大幅升高并逐渐提高至 25%以上，抽采量也大幅增加；同时工作面瓦斯浓度降低。这说明当工作面位于底抽巷上方时，底抽巷的抽采浓度和抽采量大幅度增大，而工作面的瓦斯浓度大幅降低。5结语基于香源煤业地质条件，在工作面下方 3#煤层位置施工底抽巷并采用埋管抽采的方法，对瓦斯治理效果非常明显。底抽巷埋管抽采是香源煤业瓦斯综合治理的一种可靠手段，应当大力推广。参考文献1张卫东.高瓦斯矿井底抽巷瓦斯抽采设计研究 J.煤炭与化工，2015（6）：55-57.2李川田，郭永义，张福勤，等.近距离煤层群底抽巷瓦斯抽采实验研究 J.中国煤炭，2012（4）：111-114.3程卫民.矿井通风与安全 M.北京：煤炭工业出版社，2009.4孙祥庆，王福生，郭立稳.钱家营矿瓦斯抽放方法优化研究 J.煤炭与化工，2015（7）：112-114.5段培磊.底抽巷瓦斯抽采技术应用及效果分析 J.山西治金，2020，43（6）：161-162.作者简介马攀选（1981-），男，工程师，毕业于东北大学通风与安全专业，长期从事煤矿安全及“一通三防”技术工作。收稿日期：2022-12-26较为经济。2.2.3充填体支护阻力对空巷底鼓量的影响不同充填体支护阻力的条件下，空巷底鼓量随工作面与空巷距离变化关系如图 5 所示。图 5空巷底鼓量随工作面与空巷之间距离变化关系由图 5 分析可知，不支护条件下的空巷底鼓量是充填体支护阻力为 0.5 MPa 时的 1.53 倍，是充填体支护阻力为 1.0 MPa 和 3.0 MPa 时的 24.5倍。这说明随着充填体支护阻力的增大，空巷底鼓量下沉量随之减小。当工作面与空巷间距为 1530 m 时，底鼓量越来越大；当工作面与空巷间距小于 15 m 时，空巷底鼓量越来越小，而且在此范围的减小速率比之前的增大速率要大。此现象的出现，是由于随着开采的进行，巷道底板受到的挤压力是先增后减，起初的挤压起到了卸压的作用。随着煤柱宽度的减小，底板逐渐处于拉伸状态，造成底鼓量又进一步减小。分析比较图 4 和图 5 可知，空巷底鼓量仅是顶板下沉量的 5%20%，对生产的影响较小。在实际的生产中，通过增大充填体支护阻力来减小细微的底鼓量，显然是不够经济的。3结论（1）通过数值计算可知，空巷不充填时巷道围岩变形量随着工作面与空巷间距的减小而增大；当工作面接近空巷时，无论是顶板下沉量还是底鼓量，都会超过围岩可以承受的范围。且工作面前端顶板持续下降，有可能造成支架的损坏。因此，为了保证工作面安全通过空巷，必须对空巷进行充填。（2）在工作面与空巷间距相等时，空巷底鼓量仅是顶板下沉量的 5%20%，对生产影响较小。（3）通过数值计算，并分析工作面顶板的前端下沉量、空巷顶板下沉量和空巷底鼓量，选择充填体支护阻力为 1.0 MPa 既能满足生产要求，又较为经济。参考文献1刘家云，胡耀青.旧采区复采过空巷群支承压力研究 J.煤炭技术，2014，33（11）：155-157.作者简介李晋红（1974-），男，工程师，毕业于黑龙江省教育学院采矿工程专业，长期从事煤矿安全生产管理工作。收稿日期：2022-11-03工作面距空巷距离/m30201000 MPa1.0 MPa0.5 MPa3.0 MPa160140120100806040200能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.466