腾晖煤业综放工作面临空巷道钻孔卸压技术研究.pdf

针对综放工作面临空巷道变形量较大,难以维护的问题,以腾晖煤业 2-202 工作面 2-2021 巷临空巷道为工程背景,通过 FLAC3D数值模拟软件分析了巷道内不同钻孔参数下的卸压效果,确定出合理的卸压钻孔长度为 10 m,间距为 1.2 m,直径为 120 mm,并设计了巷道卸压钻孔布置方案,现场应用结果表明:工作面回采期间,巷道顶板最大下沉量为 150.4 mm,最大底鼓量为 42.7 mm,两帮最大移近量为170.7 mm,总体变形量较小,卸压效果较好。关键词:临空巷道;钻孔卸压;参数优化中图分类号:TD324 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2023)09 0104 03 临空巷道指工作面回采巷道布置在采空区一侧,受侧向支承压力的影响,巷道的矿压显现往往较为剧烈,围岩难以维护,单纯依靠提升支护强度无法有效地控制围岩变形破坏1-2。针对此问题,众多学者进行了大量的研究,发现通过在巷道内布置卸压钻孔可以有效释放临空巷道内的集中应力,大幅减弱煤体内存储的弹性势能,从而保证临空巷道的稳定性3。本文以腾晖煤业 2-202 工作面 2-2021 临空巷为研究对象,采用数值模拟的方法对巷道卸压钻孔的长度及间距等参数进行分析,确定出合理的参数,保证矿井的安全高效生产。1 工程概况腾晖煤业 2-202 工作面主采 2 号煤层,2 号煤层位于二叠系山西组下部,煤层赋存稳定,倾角平缓,结构简单,局部含 02 层夹矸,夹矸以泥岩、炭质泥岩为主,煤层层理中等发育,节理较为发育,煤质较硬,具深褐色条痕。煤层厚度为3.26.0 m,平均 5.6 m,煤层倾角 02.煤层顶底板情况如表 1所示。2-202 工作面位于二采区巷道前进方向左翼,北部为 F1 断层,南部为已回采的 2-201 工作面,西部为井田边界,与大同煤矿集团电力能源大运煤电寺塔煤矿相邻,东部为二采区巷道。不存在上覆采空区。工作面采用走向长壁综合机械化放顶煤开采,采空区处理采用顶板全部垮落法。2-2021 巷为 2-202 工作面的运输巷,设计断面为矩形,巷道宽 5.4 m,高 3.4 m,采用锚网梁、锚索联合支护。由于 2-2021 巷临近 2-201 工作面采空区,在采空区侧向支承压力及本工作面超前支承应力的双重影响下,使巷道超前区域处于高应力环境中,并在短时间内出现较大的变形失稳,加强支护也不能控制其变形。因此,考虑通过在巷道内布置卸压钻孔的方式来保证巷道的稳定性。表 1 煤层顶底板结构顶底板岩性厚度/m岩性特征基本顶粉砂岩2.204.503.35灰黑色,泥质结构,致密,细腻,含植物化石碎片。直接顶泥岩、砂质泥岩1.089.75.39灰黑色,砂质泥状结构,水平层理,含植物化石碎片。伪顶泥岩0.71.31.0呈灰黑色块状结构,平坦状断口。直接底砂质泥岩9.614.1611.88深灰色,块状,平坦状断口,具裂隙,含植物化石。基本底泥岩4.112.548.32灰黑色,泥质结构,致密,细腻,含植物化石碎片。2 卸压钻孔参数模拟分析2.1 巷道钻孔卸压机理在巷道内布置一定数量的卸压钻孔,钻孔在高应力环境下被压碎并坍塌,释放能量的同时形成应力降低区,从而改变了巷道两帮的承载特性,降低了煤巷浅部应力集中的可能性,改善了浅部围岩的应力环境4。钻孔施工后,钻孔周边煤体受单向压缩,当应力达到煤体极限抗压强度后,煤体破坏并在钻孔周围形成一定范围的塑性区。随着钻孔深度的增加,煤体由单向受力逐渐转变为三向受力状态,其抗压强问问题题探探讨讨 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月度得到了提高,承载性较强,因此,施工卸压钻孔后,应力会向巷道围岩深部转移5。2.2 建立模型依据腾晖煤业 2-202 工作面及其 2-2021 巷为的实际赋存条件,采用 FLAC3D数值模拟软件建立模型,模型尺寸为:长宽高=50 m50 m30 m.根据工作面埋深,在模型顶部施加 9.2 MPa 的垂直应力以模拟覆岩压力,侧压系数为 1.1.通过边界条件约束模型四周的水平位移及底部的垂直位移,煤岩体的破坏均服从 Mohr-Colomb 屈服准则。计算时,煤岩体的物理力学参数按表 2 进行赋参。模拟分析不同卸压钻孔间距、排距等参数下的巷道围岩应力及变形特征,确定出合理的卸压钻孔参数。表 2 煤岩体物理力学参数岩性密度/(kgm-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa内摩擦角/()黏聚力/MPa抗拉强度/MPa粉砂岩2 5006.427.3537.58.086.32砂质泥岩2 2002.533.2031.52.452.68煤层1 3001.070.8224.60.890.51泥岩1 4001.562.2032.72.041.762.3 钻孔长度模拟时,设置巷道卸压钻孔间距为 1.2 m,分别对比无卸压钻孔及卸压钻孔长度为 4 m、6 m、8 m、10 m 及 12 m 下的巷道围岩应力及变形特征。巷道未施工卸压钻孔时,垂直应力在巷道浅部围岩集中,应力峰值达到了 20 MPa,不利于巷道的稳定;在巷道两帮施工卸压钻孔后,应力集中逐渐向围岩深部转移,浅部围岩均处于低应力环境下;随着卸压钻孔长度的增大,垂直应力峰值的位置越远离巷道,但钻孔长度达到 10 m 后,巷道浅部围岩应力的变化幅度逐渐减小,最大应力为 5 MPa.图 1 为不同卸压钻孔长度下的巷道围岩变形特征。图 1 不同卸压钻孔长度下的巷道围岩变形特征 由图 1 可知,随着钻孔长度的增加,巷道顶板下沉量及底鼓量呈先增后减再增的趋势,其中,钻孔长度为 6 m 时,顶板下沉量达到最大值 510 mm,钻孔长度为 10 m 时,顶板下沉量最小值 390 mm;钻孔长度为 5 m 时,底鼓量达到最大值 360 mm,钻孔长度为 10 m 时,底鼓量最小值 240 mm;而巷帮变形量则随着钻孔长度的增加,呈先减小后增大的趋势,并在钻孔长度为 8 m 时达到最小值 328 mm.综上分析可知,卸压钻孔长度为 10 m 时,巷道围岩的卸压效果较好,且围岩变形量较小。2.4 钻孔间距模拟时,设置钻孔长度为 10 m,分别对比无卸压钻孔、单排卸压钻孔、双排卸压钻孔(间距为1.2 m)及双排卸压钻孔(间距为 0.6 m)下的巷道围岩应力及变形特征。随着卸压钻孔数量的增多、钻孔间距减小,巷道围岩的应力集中程度明显减小,且应力降低区域的范围也逐渐扩大,有利于巷道的稳定,说明钻孔间距越小,卸压效果越明显。图 2 为不同卸压钻孔间距下的围岩位移特征。由图 2 可知,巷道底板变形量随着钻孔间距的减小,呈先减小后增大的趋势,并在钻孔间距为 1.2 m 时达到最小值 253 mm;而巷道顶板下沉量及巷帮变形量基本随着钻孔间距的减小,呈先增大后减小的趋势,并在钻孔间距为 1.2 m 时达到最小值,均为385 mm.因此,综上所述,确定合理的钻孔间距为1.2 m,此时,巷道围岩的卸压效果较好,且围岩变形量较小。图 2 不同卸压钻孔间距下的围岩位移特征2.5 钻孔直径不同钻孔直径下的巷帮围岩内垂直应力分布特征如图 3 所示。图 3 不同钻孔直径下的巷帮围岩内垂直应力分布特征501第 9 期 王 鹏:腾晖煤业综放工作面临空巷道钻孔卸压技术研究 由图 3 可知,随着钻孔直径的增大,巷帮内垂直应力峰值及峰值点与巷帮表面的距离均呈先增大、后减小、再增大、再减小的趋势,当卸压钻孔直径为120 mm 时,巷帮内垂直应力峰值为 44 MPa,峰值点与巷帮的距离为 9.6 m,应力峰值较小,并且峰值位置距巷帮较远,卸压效果最明显。综合数值模拟结果,确定出合理的卸压钻孔长度为 10 m,钻孔间距为 1.2 m,钻孔直径为 120 mm.3 现场实践3.1 钻孔布置根据数值模拟结果结合现场实际,在 2-2021巷道两帮施工卸压钻孔,钻孔深度不低于 10 m,钻孔间距为 1.2 m,钻孔孔径为 120 mm,每排施工4 个钻孔,排距为 3 m.采用 ZY-150 型钻机进行钻孔。3.2 应用效果分析为分析卸压钻孔的卸压效果,在巷道内布置测点对围岩表面的位移情况进行监测。监测结果显示,随着工作面的回采,巷道变形量逐渐增大,监测期间巷道顶板最大下沉量为 150.4 mm,最大底鼓量为 42.7 mm,两帮最大移近量为 170.7 mm,围岩整体变形量均在允许变形范围内,说明设计的卸压钻孔有效改善了巷道围岩的应力环境,应用效果良好。4 结 语1)通过 FLAC3D数值模拟软件分析了巷道内不同钻孔参数下的卸压效果,确定出合理的卸压钻孔长度为 10 m,钻孔间距为 1.2 m,钻孔直径为120 mm.2)根据数值模拟结果设计了巷道卸压钻孔布置方案,现场应用结果表明:在巷道内实施钻孔卸压后,回采期间,巷道顶板最大下沉量为 150.4 mm,最大 底 鼓 量 为 42.7 mm,两 帮 最 大 移 近 量 为170.7 mm,总体变形量较小,卸压效果较好。参考文献:1 鲁 健,弓培林,李 鹏.深井软岩巷道底鼓机理与钻孔卸压技术研究J.矿业安全与环保,2019,46(6):35-41.2 冯龙飞,窦林名,王皓,等.综放大煤柱临空侧巷道密集区冲击地压机制研究J.采矿与安全工程学报,2021,38(6):1 100-1 110,1 121.3 宋金旺.特厚煤层综放工作面临空开采巷道围岩控制技术J.煤炭工程,2010(11):46-48.4 郑 贺,王 猛,徐少辉.深部巷道围岩钻孔卸压与围岩控制技术研究J.矿业安全与环保,2014,41(5):51-55.5 刘华博,赵毅鑫,姜耀东,等.综放工作面煤层大直径钻孔卸压防灾技术J.煤矿安全,2018,49(5):79-82.本期编辑:王伟瑾(上接第 103 页)模型,面对复杂条件时,仍需要人工操作。针对类似情况,机器学习及人工智能技术将是解决该类型问题的重要途径。PLC 厂商,如 AB、西门子陆续推出了 AI 模块以适应这种技术需求。该技术现有条件下还处在辅助参考的阶段,复杂条件下直接控制的稳定性和可靠性还需要实践验证。4 结 语国内外的铁路装车技术对以煤炭为主题的散料的大规模快速运输发挥了不可替代的作用。尤其对于我国,其在能源保供、矿石储备等关系到国家战略的实施过程中,扮演了承上启下的角色。但是按照现有装车模式和技术,铁路装车的规模和市场都受到了一定限制。随着装车站朝着小型化、集约化、装备化以及智能化的不断发展,快速定量装车将会向着更多领域渗透,促进散料运输行业的整体进步。装车技术也会以更新的模式,更快的速度,更高的效率,更精准的称量,更智能的控制呈现在行业需求面前。参考文献:1 李凤兰.火车定量快速装车系统的技术特点及其市场需求预测J.煤矿机械,2012,33(8):207-208.2 谢英仪.碳达峰目标下“三西”地区煤炭铁路外运量分析及对策J.铁道运输与经济,2022(5):46-51.3 张超德,李 冬,周 炯,等.欧美多式联运技术及其相关标准分析J.铁道机车车辆,2022,42(1):10-18.4 张签名.多式联运步入“黄金三年”J.物流时代周刊,2022(5):73-75.5 肖雅静,郭欣,闫艳.铁路煤炭装车系统全自动化关键问题研究J.煤矿机械,2019,40(12):61-63.6 李艳飞.煤炭快速装车超偏载智能监测J.洁净煤技术,2021(S1):106-111.7 袁瑞磊,李琪,姜云鹏.青岛港董家口港区矿石装车输运系统多点卸料工艺的改进J.中国水运,2021(2):106-107.本期编辑:王伟瑾601 第 32 卷