超高水材料長壁工作面充填開采頂板控制技術

許猛堂,張東升,3,馬立強,王旭鋒,張 煒

(1.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業大學深部煤炭資源開采教育部重點實驗室,江蘇徐州 221116;3.新疆大學地質與礦業工程學院,新疆烏魯木齊 830046;4.中國礦業大學物聯網研究中心,江蘇徐州 221116)

超高水材料長壁工作面充填開采頂板控制技術

許猛堂1,2,張東升1,2,3,馬立強1,2,王旭鋒1,2,張 煒4

(1.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業大學深部煤炭資源開采教育部重點實驗室,江蘇徐州 221116;3.新疆大學地質與礦業工程學院,新疆烏魯木齊 830046;4.中國礦業大學物聯網研究中心,江蘇徐州 221116)

為研究充填工作面長度對巖層控制效果的影響,指導長壁工作面充填開采實踐和為圍巖變形控制提供依據,基于超高水材料的基本性能試驗,利用差分法薄板理論建立了超高水材料長壁工作面充填開采頂板活動力學模型,得到關鍵層的預計變形量,分析充填工作面長度對關鍵層變形及破壞的影響,提出了長壁工作面充填開采頂板控制理念。研究結果表明:采空區頂板下沉最大撓度值隨著工作面長度的增加而增加;要維持關鍵層不發生斷裂,必須保證工作面長度和控頂長度在一定范圍內。對比冀中能源陶一煤礦充1～5工作面(工作面長度50～60 m)和充6工作面(工作面長度120 m)充填開采實際情況,提出并應用地面充填系統構建、充填液面提高、隔離帶設置、工作面錨網索支護4種長壁工作面頂板控制技術,有效地抑制了頂板變形,同時保證了良好的充填效果。

超高水材料;長壁工作面;頂板控制;地面充填系統;薄板理論

Key words:superhigh-water material;longwall working face;roof control;surface filling system;thin plate theory

近年來,隨著煤炭資源可持續發展理念的加強,充填開采因為能夠有效解決地表沉陷等問題,已成為解決“三下”壓煤問題的重要途徑之一[1]。國內許多學者結合充填開采工程應用研究取得了大量成果,文獻[2－4]在分析綜放沿空留巷圍巖結構模型的基礎上,提出了巷內充填沿空留巷技術,并利用空間錨栓加固網技術保證了充填體的穩定性。文獻[5－7]提出了綜合機械化固體充填原理和方法,并將自行研發的相關充填采煤系統和裝備,成功應用于工程實踐。文獻[8－9]根據膏體膠結體的特性,研究了固體廢物膏體充填不遷村采煤法。文獻[10－12]對超高水材料性能、充填方法及其充填系統進行了深入的研究。

然而,對長壁工作面充填開采的基礎研究較少,類似報道也較為鮮見。充填工作面長度的加大,使得充填開采的難度逐漸增大,特別是充填能力的配套和工作面圍巖變形控制等方面,涉及地表沉陷控制、充填支架合理選型、充填工藝設計、充填方法改變及充填系統重新構建等眾多問題。本文也正是基于此,以超高水材料充填開采為研究對象,利用差分法薄板理論建立充填工作面頂板力學模型,分析充填工作面長度對頂板垮落及下沉量的影響,提出了長壁工作面充填開采頂板控制的新方法,并成功應用于現場實踐,為長壁工作面充填開采圍巖控制提供理論和技術依據。

1 工程背景

邯礦集團陶一煤礦充1～6工作面位于七采區南翼,停駟頭村保護煤柱范圍內,對應地表有村莊房屋建筑、沖溝、梯田,2號煤平均厚度約為2.4 m,傾角10°～13°,埋深315.1～365.9 m。2號煤層上方直接頂為泥巖與粗粉砂巖互層,平均厚度約為4.8 m,基本頂(關鍵層)為粗粉砂巖,平均厚度約為10.6 m,直接頂與關鍵層具有較好的穩定性。工作面沿2號煤層傾向布置,充1～5工作面走向長50～60 m,傾向長約220 m。充6工作面走向長120 m,傾向長330 m。煤層頂底板柱狀圖如圖1所示。

充6工作面和充1～5工作面相比,充填開采的主要難度為:①工作面充填速度為2 m/d,充6工作面較充1～5工作面單位時間充填量增加了1倍,而陶一礦充1～5工作面均采用井下充填系統,該系統受井下空間限制,充填系統規模不大,充填能力難以滿足充6工作面生產要求。②在推進距離相同時,充6工作面的頂板下沉量較大,減少了充填空間,影響充填效果,同時縮短了關鍵層的斷裂步距,要保持關鍵層不發生斷裂,又必須加大材料充填量,從而進一步要求加大充填系統的充填能力。

圖1 煤層頂底板柱狀圖Fig.1 Geological column of coal seam

2 充填開采關鍵層變形板模型的建立

針對超高水材料不同固化發展過程,將采空區劃分為懸頂區、初凝區、過渡區與固化完成區4個區間,如圖2所示,懸頂區是指頂板沒有被充填到的一段區間;初凝區的充填材料呈漿體狀態,對頂板基本沒有支撐力;過渡區對頂板有一定的支撐作用,其變形量大小與各階段充填體性能有關;固化完成區的充填體能夠和直接頂垮落巖石形成密實膠結體,處于三維壓縮應力狀態,其變形量很小,可忽略不計[11]。2號煤實際開采過程中懸頂距約為14 m,超高水材料達到穩定時間為7 d左右,工作面充填速度為2 m/d,過渡區間距離為14 m、初凝區為2 m。

圖2 充填示意Fig.2 Schematic diagram of filling mining

直接頂在開采過程中隨著工作面的推進逐漸垮落,充填體對關鍵層起直接支撐作用。為了對比分析充6工作面和充1～5工作面充填開采難易程度,利用薄板差分法理論[13]建立關鍵層彎曲變形模型。如圖3所示,按邊長為h的正方形網格劃分,ABCD即為研究的巖板(關鍵層)。區域CDFE受上覆巖層均布載荷q作用,長度為懸頂區和初凝區長度總和;而區域ABFE受充填支撐力p(x)和均布載荷q共同作用,長度即為過渡區長度。由于關鍵層ABCD有一定的角度θ,則q,p(x)可分解為沿巖板法向載荷q1,p1(x)和傾向載荷q2,p2(x),法向荷載q1,p1(x)對巖板的下沉撓度有加大作用,但傾向荷載所產生的下沉撓度很小[14]。

圖3 傾斜關鍵層差分法板模型Fig.3 Plate model of tilt key strata based on difference method

設模型有i×j個結點,固支邊wi,j=0,由邊界條件:

ABFE為充填支撐區,運用Winkler彈性地基梁模型推導出該區結點的彈性曲面差分方程為

式中,kn為不同時間充填體的彈性系數;M為采高。

kn可通過超高水材料固結體力學力學性能試驗獲得,模型共有i×j個結點,共有(i－2)×(j－2)個未知數,代入式(1)～(3)可得到每個點的差分方程,建立(i－2)×(j－2)元一次代數方程組,用Matlab軟件編制的計算程序可解此組方程,得充填板模型每個結點的下沉撓度。

3 超高水材料彈性系數kn的確定

為了獲得充填體各階段的彈性系數,對材料進行單軸壓縮條件下應力－應變關系試驗。超高水材料取自徐州萬方礦山科技有限責任公司,材料的型號為DFPM與DFPK。超高水材料配比為水體積95%,水取自實驗室處理過的自來水,養護溫度為19℃,水溫為18℃。制備1～7 d共7組試樣,每組準備4個試樣。試件制作與加載過程如圖4所示,不同時間超高水材料斷裂前應力－應變曲線如圖5所示,kn在1～7 d對應的值分別為9.3,48.6,124.8,197.2,243.6, 286.7,324.6 MPa。

圖4 試件制作與加載過程Fig.4 Specimen preparation and loading

4 結果分析

由圖1及現場資料可知,關鍵層厚為10.6 m,彈性模量為55 GPa,泊松比為0.25,根據組合梁理論[15]可計算q為0.81 MPa,關鍵層傾角β=12°,超高水材料各階段彈性系數kn值在上文3中列出。充6工作面和充1～5工作面懸頂距為14 m,過渡區距離為14 m、初凝區距離為2 m,則b=30 m,工作面長度a為60,120 m時,取h=1,代入式(1)～(3),根據Matlab計算可得薄板的下沉撓度,如圖6所示。

沿走向中線方向充6工作面和充1～5工作面關鍵層下沉撓度的變化規律如圖7所示。

圖5 不同時間超高水材料應力－應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of superhigh-water material in different time

圖6 關鍵層彎曲撓度曲線Fig.6 Bending deflection curves of critical layer

圖7 走向中線方向關鍵層彎曲撓度曲線Fig.7 Bending deflection curves of critical layer along strike midline direction

由圖6和圖7可以看出:充填體對關鍵層的變形有較大的抑制作用,充填部分關鍵層下沉較為緩慢,而懸頂區關鍵層下沉量較大。且下沉最大值隨著工作面長度的增加而增加(60,120 m撓度最大值分別為48.4,69.6 mm),表明充6工作面較之充1～5工作面充填空間減少明顯。

關鍵層巖板所受最大彎矩產生于長邊中部位置,根據式(4)可得關鍵層所受最大彎矩值為

根據式(4)中彎矩值可計算不同工作面走向長度a及空頂長度b對關鍵層板模型最大拉應力的影響情況,如圖8所示。由圖可知,關鍵層所受最大拉應力隨著工作面走向長度a和控頂長度b的增大而增加,陶一礦充1～6工作面關鍵層為粗粉砂巖,其抗拉強度RT約為5 MPa,對應圖中紅線則表示關鍵層破斷分界線,分界線上部分表示關鍵層穩定區,而分界線下部分小塊范圍域表示關鍵層破斷區,要保持關鍵層不發生斷裂,必須維持工作面走向長度a和控頂長度b在一定范圍內。以充1～6工作面為例,在控頂長度b為30 m時,充1～5工作面關鍵層能形成穩定結構而充6工作面關鍵層則發生破斷,要使充6工作面關鍵層不斷裂,需減小懸頂長度,則須進一步加大充填系統的充填能力。

圖8 不同工作面長度及控頂長度對關鍵層所受最大拉應力的影響Fig.8 Maximum tensile stress of key layer in different mining face length and roof hanging distance

5 長壁工作面充填開采頂板控制

針對充6工作面充填開采實際情況,原有的1～5工作面的充填工藝、充填方法及充填系統已經難以解決充6工作面充填開采頂板控制及地表沉陷問題。為了保證充6工作面的充填效果,分別從提高材料充填能力和降低頂板圍巖變形兩個方面著手,提出構建地面充填系統、提高充填液面、設置隔離帶、工作面錨網索支護等4種長壁工作面充填開采頂板控制技術。

5.1 構建地面充填系統

充填系統建于井下時,受井下空間和環境因素制約,整個系統體積不能太大,則無法滿足長壁工作面充填的需要,且材料儲存和運輸也不便利,而充填系統建在地面時,系統布置不受場地條件影響,構建容易,充填材料的儲存、運輸都很方便。

圖9為地面充填系統示意,主要借鑒于井下充填系統構建的成功經驗,在材料充填能力、制漿自動化系統等方面進行了改進,圖中主要包括漿料輸送系統、混合系統及制備系統等。

圖9 地面充填系統示意Fig.9 Filling technique system

礦井設計輸送漿體能力設計可達320 m3/h,按充6工作面平均充填率90%、采高2.4 m、工作面走向長度120 m、日推進距離2 m計算,日充填量為518.4 m3。礦井有效充填時間按6 h/d計算,充填系統輸送漿體能力須大于86.4 m3/h,地面充填系統充填能力完全滿足需求,而井下充填系統難以滿足充填要求。

5.2 提高充填液面

充6工作面傾斜角度為12°,其充填效果對于煤層傾角大小的依賴性較高,傳統的充填漿體液面平行充填支架尾端,如圖10所示(充填液面1),因此充填效果不穩定。針對這種仰斜充填開采的特點,通過利用支架的尾梁和掩護梁,部分或全面提高采空區內的充填液面高度進行了試驗(圖10中充填液面2)。

圖10 抬高液面充填開采示意Fig.10 Elevation level filling mining

試驗結果表明抬高液面充填開采時,采空區垮落空間減小,明顯降低了懸頂長度,向后灌注的距離較短,在實際操作過程中,容易提高充填率。

5.3 布置隔離帶,變長壁為“短”壁

為了控制頂板下沉量及增大充填率,在工作面支架后方布置2～3個混凝土隔離帶,將工作面充填區分割為3～4個充填區域,如圖11所示。充填時將各個充填區域由上到下依次充填,將長壁工作面變為“短壁”工作面,可以有效的減小頂板變形且大大增加的漿體充填率,其缺點是工程造價較高,由此可以看出架設隔離帶可以有效的提高充填率,保證充填效果。

圖11 工作面隔離帶充填示意Fig.11 Working face partition filling

5.4 工作面錨網索支護,提升充填空間

采用架前煤壁鋪網的方法,對采空區頂板進行支護,控制直接頂的下沉變形量,使采空區有更大的充填空間,以期向采空區充填盡可能多的漿體,從而達到限制采空區頂板及覆巖層的下沉作用。自工作面初采期間,工作面自煤壁鋪網,第一排網與開切眼支護的頂網連接,鋪網使用機器壓制的“井狀”網片,同時工作面打設頂錨桿,頂錨桿長2.4 m,間排距為750 mm×750 mm,頂錨桿以木柱帽來增加與頂板的接觸面,使其能夠更好的固定鋪網,錨索采用?15.56 mm×7 000 mm,間排距為1 000×1 000 mm,確保了鋪網的有效性,如圖12所示。

圖12 工作面頂板支護Fig.12 Working face roof support

充填工作面錨網索支護增強采空區頂板的穩定性,提高圍巖的自身承載能力,抑制頂板變形及破斷,極大地增加了采空區充填空間,同時為液壓支架承擔了部分載荷,保證了架后施工的安全性。

6 應用效果

陶一礦充6工作面實際開采過程中,利用構建地面充填系統、提高充填液面、工作面錨網索支護等長壁工作面頂板控制技術,取得了良好的充填效果。

6.1 地表變形觀測

充6工作面傾向長度330 m,走向寬度120 m,觀測站于2011年8月建立,由于該工作面位于村莊下方,受地形條件限制,站點主要以農村道路、電線桿為主,充6工作面地表下沉盆地及下沉等值線如圖13所示。

圖13 充填面地表下沉盆地及下沉等值線Fig.13 Subsidence basin and isolines of No.6 filling face

實測數據表明地表下沉量最大值為126 mm,下沉系數為0.05,水平變形值最大達到0.28 mm/m,傾斜變形值最大達到0.93 mm/m,地表下沉盆地波及范圍明顯減小,下沉盆地沿工作面傾向產生偏態而非對稱,能夠有效地控制地表沉陷。

6.2 巷道圍巖變形觀測

圖14是工作面推進時,中間觀測巷圍巖變形情況。

圖14 巷道圍巖變形Fig.14 Roadway deformation

通過觀測可知,中間巷圍巖變形量總體較小,巷道圍巖變形主要集中在巷道兩幫變形。兩幫基本保持完整,局部產生片塌,片塌深度為0.1～0.3 m,兩幫最大移近量為222 mm;觀測巷頂板完好,頂底板相對移近量最大為20 mm,工作面推進至測站4～6 m時圍巖變形相對較明顯。可見,運用長壁工作面充填開采頂板控制技術后,充填采空區頂板的活動得到了很好的抑制,上覆巖層的移動變形和離層程度有明顯降低。

7 結 論

(1)利用薄板小撓度理論建立超高水材料長壁工作面充填開采頂板活動力學模型。充填采空區頂板下沉量最大值隨著工作面長度的增加而增加;要保持關鍵層不發生斷裂,必須維持工作面長度和懸頂長度在一定范圍內,工作面長度增加時頂板的垮落步距降低明顯且材料充填率有所下降。

(2)比較充6工作面(工作面走向長度120 m)和充1～5工作面(工作面走向長度50～60 m)充填開采難易情況。針對充6工作面充填困難程度的大幅增加,提出構建地面充填系統、提高充填液面、設置隔離帶及工作面錨網索支護等長壁工作面充填開采頂板控制技術。

(3)通過運用該頂板控制技術,保證了工作面良好的充填效果。充6工作面地表變形實測數據表明,地表下沉系數0.05,水平變形值最大達到0.28 mm/m,傾斜變形值最大達到0.93 mm/m,能夠有效地控制地表沉陷;兩巷變形觀測表明,頂板完好,兩幫基本保持完整,局部片塌,片塌深度為0.1～0.3 m。

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Roof control technology for longwall filling mining of superhigh-water material

XU Meng-tang1,2,ZHANG Dong-sheng1,2,3,MA Li-qiang1,2,WANG Xu-feng1,2,ZHANG Wei4

(1.School of Mines,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining,Ministry of Eduation,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;3.College of Geology and Mining Engineering,Xinjiang University,ürümqi
830046,China;4.IoT Perception Mine Research Center,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China)

To analyze the impact of filling face length on strata controlling,direct the practice of longwall filling mining,and provide basis for deformation control of surrounding rocks,based on the basic properties of the material,the authors built the mechanical model of overburden strata movement in the filling minning of superhigh-water material to obtain the predicting bending deformation of key strata and analyze influence of filling mining face length on the deformation and fracture of key strata,and proposed roof control philosophy of longwall filling minning by thin plate theory of difference method.The studies show that the roof subsidence of mining goaf increases with increasing length of mining face distance,and the key strate may keep stable structure without breaking at a certain range of the length of mining face and roof distance.Through comparing the mining geological condition of No.1－5 and No.6 filling coalface in Taoyi Coal Mine of Jizhong Energy Group,four longwall roof control techniques of surface filling system construction,filling level elevation,isolation strip setting and bolt-mesh-anchor support of mining face were proposed and applied,which can not only effectively inhibit roof deformation,but also guarantee the good filling effect.

TD322

A

0253－9993(2014)03－0410－07

許猛堂,張東升,馬立強,等.超高水材料長壁工作面充填開采頂板控制技術[J].煤炭學報,2014,39(3):410－416.

10.13225/ j.cnki.jccs.2013.0688

Xu Mengtang,Zhang Dongsheng,Ma Liqiang,et al.Roof control technology for longwall filling mining of superhigh-water material[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):410－416.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0688

2013－05－22 責任編輯:王婉潔

國家自然科學基金資助項目(51264035,51004101);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2013QNB24)

許猛堂(1986—),男,江蘇連云港人,博士研究生。E－mail:xmtcumt@126.com