邊角工作面過多空間關(guān)系空巷施工技術(shù)研究

崔禮韜

（山西長治經(jīng)坊煤業(yè)公司，山西 長治 047100）

1 研究背景

山西長治經(jīng)坊煤業(yè)公司3-邊角05工作面（邊角煤開采工作面）現(xiàn)開采3#煤層，該面設(shè)計可采長度為670m，切眼長度為168m，平均采高為2.2m，工作面采用走向長壁后退式綜合機械化放頂工藝回采，全部垮落法管理頂板。采用ZF2600/16/24B型液壓支架支撐頂板，共安裝114架支架。由于邊角工作面回采時沒有工作面了，而回風巷道和軌道巷留的回采煤柱比較寬，具備開采條件，故回采過程連同回風巷和軌道巷的部分回采煤柱一同開采，所以支架要過回風巷與軌道巷，工作面布置如圖1所示，其中26、27、28號架過軌道大巷，56、57、58號架過回風大巷。采煤機型號為6MG200-W型；工作面采用SGZ-630/2×110型可彎曲刮板運輸機；運輸順槽為原五采區(qū)皮帶運輸大巷，布置一部SZB-730/75型轉(zhuǎn)載機和DSJ-800/2×*55皮帶輸送機運煤。

該工作面推進過程已通過一個正斷層和向斜復合地質(zhì)構(gòu)造，2018年5月20日，正常推進時，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示頂板周期來壓持續(xù)的時間和持續(xù)距離變長，頂板開始出現(xiàn)緩慢的下沉，之后下沉量逐漸增大，且下沉速度變快。由地勘報告可知：工作面推進過程中會通過兩條與該工作面分別平交和半立交的廢棄空巷，此時遇到的空巷為與之平交的空巷，通過此空巷后200m將再通過一條與之半立交的空巷。本文通過數(shù)值模擬分析方法,將對安全、快速通過該多空間關(guān)系空巷的相關(guān)問題進行研究。

圖1 工作面布置圖

2 數(shù)值模擬分析

為了保證工作面順利通過與之平交和半立交的空巷，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件的方式對該工作面過空巷的巖層力學性質(zhì)進行研究，對工作面推進至空巷前15m、12.5m、10m、7.5m以及5m和2.5m時,空巷頂板及圍巖的應(yīng)力變化及塑性變形區(qū)域的變化進行研究。

2.1 模型建立

根據(jù)工作面的煤巖層力學特性（見表1），設(shè)置模型的長度為318m，寬度為200m，高度為80m，模型劃分299200個單元，累計412620節(jié)點，由下至上依次為底板、煤層、直接頂、上覆巖層，上覆巖層的力為均布荷載，側(cè)壓系數(shù)設(shè)定為1，根據(jù)煤巖層力學特性設(shè)置為4.02MPa。建立庫倫摩爾本構(gòu)模型，將x軸方向定為工作面推進方向，根據(jù)經(jīng)驗，切眼處向前推進30m時頂板力學狀態(tài)會達到一個相對穩(wěn)定狀態(tài)，所以選擇采空區(qū)長度為30m，實體煤取60m，原因是經(jīng)驗分析得出開采對采空區(qū)的影響范圍不會超過60m。數(shù)值模擬的模型圖如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

表1 煤巖層力學特性表

2.2 數(shù)值模擬過程及分析

數(shù)值模擬的方案設(shè)計研究的內(nèi)容為工作面推進至空巷前15m、12.5m、10m、7.5m以及5m和2.5m時,煤柱應(yīng)力的變化規(guī)律，煤柱支撐應(yīng)力分布變化如圖2所示。隨著邊角工作面推進離空巷距離逐漸減小，煤柱寬度隨之減小，煤柱對頂板的承載力降低，由采空區(qū)頂板、煤柱形成的砌體梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性遭到破壞，采空區(qū)頂板礦壓現(xiàn)象及破斷失穩(wěn)的風險加劇。

由圖3可看出，煤柱寬度比較大（15m和12.5m）時，距離空巷比較近處的垂直應(yīng)力較大，采煤工作面應(yīng)力值較小，且應(yīng)力分布呈不規(guī)則的“馬鞍形”，隨著工作面推進，距離空巷距離變小，煤柱支撐力應(yīng)力集中現(xiàn)象開始顯現(xiàn)，且應(yīng)力集中逐漸于靠近空巷側(cè)，應(yīng)力峰值變化為先增加后減小。這表明在此過程中，煤柱支撐應(yīng)力的變化引起了工作面與空巷間巖層力學性能的變化，應(yīng)力逐漸集聚，巖層由彈性變形逐漸向塑性破壞變化，發(fā)生塑性破壞前，應(yīng)力集中的峰值有所降低，發(fā)生塑性破壞后，應(yīng)力不再釋放，逐漸降低。

圖3 推進過程中不同寬度煤柱支承應(yīng)力分布

工作面向空巷推進過程發(fā)生塑性破壞的情況,如圖4所示。

由圖4可知：當邊角工作面距離空巷15m時，邊角工作面推進方向前方煤巖層及空巷圍巖塑性破壞范圍比較小，為5～6.5m，此時空巷頂板未發(fā)生破斷，說明此時空巷受工作面推進的影響較?。煌七M至12.5m時，塑性破壞的范圍開始增大，空巷頂板開始發(fā)生破斷，工作面受空巷影響開始明顯；推進至距空巷2.5m的過程中，空巷頂板破斷高度由2m增加到5m，且為逐漸遞增的過程，推進至2.5m時塑性破壞范圍不再增加，應(yīng)力不再釋放。

由此可見，隨著工作面距離空巷的距離逐漸減小，空巷受工作面推進的影響逐漸增大，直到工作面推進至距離空巷2.5m時，空巷頂板的塑性破壞達到最大。為保證工作面過空巷的安全性，必須提前采取相關(guān)措施進行防范。

3 過空巷技術(shù)措施分析

過空巷常見的措施有：提前聯(lián)接金屬網(wǎng)、提前對空巷區(qū)支護。

3.1 提前聯(lián)接金屬網(wǎng)

圖4 工作面靠近空巷過程煤柱及空巷圍巖塑性變形情況

無論空巷與工作面切眼位置呈任何關(guān)系，必須至少提前5米將空巷與切眼對應(yīng)區(qū)域進行聯(lián)網(wǎng)，保證在通過空巷時，金屬網(wǎng)在支架頂部后柱位置。金屬網(wǎng)對過空巷起到至關(guān)重要關(guān)系，各班需嚴把質(zhì)量關(guān)，搭接要合理，必要時鋪設(shè)雙層金屬網(wǎng)，尤其在割煤過程中，嚴加管理，防止出現(xiàn)采煤機絞網(wǎng)，移架時將網(wǎng)頂破等情況，出現(xiàn)破口時要及時補聯(lián)。待金屬網(wǎng)移至支架尾梁落地后，可根據(jù)現(xiàn)場頂板完好情況，及時利用尾梁插板將金屬網(wǎng)扎破進行放煤，如頂板破碎時，則不可將金屬網(wǎng)扎破放煤。

3.2 平交關(guān)系時推進技術(shù)措施

提前15m對空巷區(qū)域進行支護，支護材料選用φ18mm，長短合適圓木和單體液壓支柱，垂直于工作面推進方向支設(shè)，排距以1m為宜，柱距以0.8m為宜，支護高度不得低于2.3m，接頂不實時及時絞頂，保證支護強度。距空巷12.5m前，調(diào)整工作面機頭和機尾推進進度，將工作面調(diào)斜，使機頭和機尾推進進度相差7～8m，調(diào)斜完后，加快空巷區(qū)域推進進度，直至推進空巷區(qū)域，支架鉆入木料下方來控制頂板，控制采煤機割煤速度在1m/min，割一架移一架，緊跟采煤機前滾筒移架，并逐架回收單體液壓支柱。調(diào)斜的目的在于減少空巷內(nèi)頂板壓力，避免空巷整體與工作面切眼對接，造成頂板壓力過大，將支架壓死或推進困難等情況。

3.3 半立交關(guān)系時推進技術(shù)措施

提前15m對空巷區(qū)域進行支護，根據(jù)現(xiàn)場實際情況支護方法有兩種：①在空巷區(qū)域底板上鋪設(shè)假頂，利用厚度不低于5cm，長度不小于3m的木板提前沿工作面推進方向鋪設(shè)，木板不留間隙，木板上方鋪設(shè)金屬網(wǎng)。②利用φ18mm，長短合適圓木和單體液壓支柱進行超前支護，排距以1m為宜，柱距以0.8m為宜，隨工作面推進逐步增設(shè)。在割煤過程，在支架前梁上方鋪設(shè)厚度不低于50mm，長度不小于3m的木板，超前移架來控制頂板，預防前方冒頂。

4 結(jié) 語

邊角工作面過多空間位置關(guān)系空巷時，施工風險更大。隨著工作面推進，距離空巷的距離越近，空巷頂板會由于受到采動影響而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而發(fā)生塑性破壞。對于此類問題應(yīng)引起足夠重視，應(yīng)提前分析問題，采取必要的防治措施，確保煤礦安全、高效生產(chǎn)。